北拒馬河南支渠道倒虹吸防護工程設計

馬洪飛

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

北拒馬河南支渠道倒虹吸防護工程設計

馬洪飛

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

以北拒馬河南支渠道倒虹吸防護工程為例，探討采用垂直防護與柔性水平防護相結合的形式，以減小倒虹吸工程上下游采砂坑引起的上游頂沖沖刷和下游溯源沖刷。

采砂坑；防護工程；透水防沖墻；鉛絲石籠

1 工程概況

北拒馬河南支渠道倒虹吸工程位于涿州市趙家鋪村東，是南水北調中線京石段應急供水工程總干渠上的主要輸水建筑物。交叉斷面以上總流域面積4966km2，渠線與北拒馬河南支水流方向呈67°交角。

2012年7月21日暴雨洪水時，北拒馬河南支出現較大過流，倒虹吸工程附近洪峰流量1400m3/s，與10年一遇設計洪峰流量1430m3/s相當，“7·21”洪水過后倒虹吸管身軸線位置河床高程由初步設計階段的60.1m降為59.35m，比初步設計階段計算的相應標準沖刷深度低。但受下游采砂坑影響，倒虹吸管身下游河床下切嚴重，沖溝已接近倒虹吸管身右側，管身上部出現明顯沉降和開裂，35kV電力桿塔基礎灌注樁暴露3m。

北拒馬河南支渠道倒虹吸主體建筑物上下游存在嚴重采砂石現象，形成許砂石坑，坑深較深，改變了原有河床形態，破壞了天然河道的平衡狀態，持續采砂強度超過上游泥沙補給能力時，對河床穩定構成威脅。近些年北方地區一直處于干旱少雨的年份，根本無泥沙補給的可能性。無序采砂引起長距離河床的整體下切，同時由于下游沖刷基點降低引起河段比降增大，使河道產生溯源沖刷，倒虹吸管身處沖刷加劇，管身埋置深度變小，在遇到高標準洪水時，倒虹吸管身可能會發生失穩等危險。需要采取工程防護措施，以保證倒虹吸工程的運行安全。

2 防護方案選擇

垂直防沖墻可采用明挖扶壁墻、地下連續墻、透水防沖墻及防沖樁等型式。

2.1 明挖扶壁墻

明挖扶壁墻是水利工程中常用的擋土墻結構，靠擋墻及底板上覆土自重保持墻體穩定。其優點是不需進行嵌固，基礎埋深較小，擋墻高度相對較低，墻體現澆時可埋設排水孔，對上下游滲流影響較小，墻前水壓力相對較小；缺點是基礎寬度較大，需開槽明挖施工，土方挖填工程量較大，且墻體混凝土現澆時受環境溫度影響較大。

2.2 地下連續墻

地下連續墻與防沖透水墻受力特點基本一致，可視為地下彈性嵌固的樁。樁體上游土體及水壓力推動樁繞底部向下游轉動，樁腳嵌固土體推動樁向上游反向轉動；當嵌固長度足夠時，兩種作用趨于平衡，樁體保持穩定。其優點是橫向聯系強，當下游采砂坑溯源沖刷形成沖溝時，墻體整體受力，不會出現局部墻體坍塌的情況。缺點是墻體阻斷上下游滲流，墻前水壓力較大，受力條件不佳，墻體嵌固段長度較大，工程投資相應較高。

2.3 透水防沖墻

透水防沖墻優點是墻體具有一定的透水性，墻前水壓力相對較小，墻體嵌固長度較小，工程投資相應較低。缺點是橫向聯系較弱，在下游沖溝部位易產生薄弱斷面。

2.4 防沖樁

防沖樁與透水防沖墻特點相近。防沖樁透水性相對更好，施工相對簡單；但防沖樁作為懸臂結構擋側向土體壓力，其結構斷面不能得到充分利用，因此防沖樁結構斷面相對更大，配筋量更高，經濟性較差。

綜上所述，透水防沖墻工程投資相對較低，雖有墻體橫向聯系較弱，在下游沖溝部位易產生薄弱斷面的缺點，設計可通過墻頂設立連系梁的方式予以緩解。綜合比選，本次設計垂直防護采用透水防沖墻方案。

3 防護工程設計

3.1 順水流方向防護位置的確定

3.1.1 透水防沖墻位置及墻頂高程

防沖墻布置原則：①防沖墻墻頂高程不低于倒虹吸管身頂高程；②防沖墻施工和墻下游形成沖坑后墻身受力不應影響倒虹吸管身的受力狀態；③將防沖墻位置盡量靠近倒虹吸布置，以縮短管頂水平防護范圍，減少工程投資。

綜合考慮上述因素，防沖墻布置在倒虹吸管身外側下游15m處，墻頂高程高于倒虹吸管身頂高程1.0m，為55.9m。

3.1.2 柔性水平防護范圍及高程

水平防護高程考慮以下3個原則：①盡量不影響高標準洪水時河道行洪；②能與防沖墻相結合對倒虹吸管身形成有效保護；③鉛絲石籠頂部應有一定的覆土厚度，以減少占地和延長鉛絲網的使用壽命。

為減小倒虹吸上游端頂沖沖刷，倒虹吸上游采用適應變形能力較強的鉛絲石籠防護，底坡采用倒坡，加強對倒虹吸上游端的保護。斜坡段防護端底高程按低于管頂高程0.5m考慮，采用1∶10倒坡，護砌長20m。

為減小倒虹吸頂部河道沖刷，在倒虹吸管頂至下游透水防沖墻之間，采用鉛絲石籠水平防護，護砌長度28m，防護頂高程56.4m，其后設5m長1∶10斜坡段與防沖墻連接。考慮到防沖墻末端會形成沖坑，且由于嚴重的采砂，倒虹吸下游河道底高程嚴重下降，為減小防沖墻的深度，在防沖墻下游設置鉛絲石籠水平防護，護砌長20m，水平防護長73m。

3.2 垂直水流方向管頂防護范圍

根據河道的現狀及下游采砂坑分布情況，目前的無序開采及河道采砂坑主要在主河槽范圍內，故本次防護主要以防護主槽為主。為保證南水北調中線工程的輸水安全，本著盡量少占耕地的原則，垂直水流方向防護主河槽322m，主槽兩側以1∶3.0放坡至兩岸灘地，為保證左右側灘地管身安全，為避免因無序開采的砂石坑沖填淘坡，左右側灘地各護50m。渠線與北拒馬河南支水流方向呈67°交角，為保證倒虹吸安全，防沖墻布置與倒虹吸方向平行，故垂直水流方向防護總寬440m。

4 結構計算

4.1 水力設計

防沖墻下游沖坑深度，主要考慮兩個方面，一是防護下游端形成的局部沖刷坑；二是由于下游大量采砂坑的存在而產生的溯源沖刷。

4.1.1 防護下游端局部沖刷計算

根據SL265—2016《水閘設計規范》河床沖刷深度計算，水平護砌下游端沖刷深度計算公式如式（1）。

式中 dm為水平護砌下游端河床沖刷深度（m）；qm為水平護砌下游端單寬流量，考慮1.5倍流速不均勻系數，取23.9m3/（s·m）；［v0］為河床土質允許不沖流速（m/s），根據GB50286—2013《堤防工程設計規范》附錄D坡岸計算泥沙起動流速，取1.98m/s；hm為水平護砌下游端水深（m），取7.98m。

經計算300年一遇洪水倒虹吸管下游側沖刷深度5.32m，沖刷線高程50.58m。

4.1.2 溯源沖刷影響

由于現狀河道下游大量采砂坑的存在，下游采砂坑分布較為密集，一旦遇到洪水，將使河道下游產生溯源沖刷。采砂坑最近距倒虹吸管身軸線130m，坑底高程43.16m。從新測地形圖可見，該河段河底平均縱坡1%。參照該天然縱坡和地層粒徑差異，下游溯源沖刷形成的縱坡按3%考慮，推算出防護末端的沖刷線高程46.058m。

由于溯源沖刷推算出的沖刷線高程低于防護下游端計算出的沖刷線高程，故本次設計采用溯源沖刷推算出的沖刷線高程。

為減小防沖墻的深度，在防沖墻下游設置20m長鉛絲石籠水平防護，按1∶5的沖坑穩定邊坡向上游反推，得到防沖墻位置的沖刷線高程50.118m。

4.2 防沖墻穩定設計

透水防沖墻采用鋼筋混凝土灌注樁，樁間凈距0.5m。根據工程實際情況，需要確定樁身長度和樁徑。

計算采用JGJ120—2012《建筑基坑支護技術規程》中公式（4.2.1）進行計算，如式（2）。

式中 ke為嵌固穩定安全系數，取1.05；Eak，Epk為基坑外側主動土壓力、基坑內側被動土壓力的標準值（kN）；aal，apl為基坑外側主動土壓力、基坑內側被動土壓力合力作用點至擋土結構底端的距離（m）。

樁身部位地質條件主要為卵石層，內摩擦角33°。經計算，透水防沖墻處沖坑平均深7.812m，樁的嵌固長度9.19m，樁頂部設1.8m×1.5m（寬×高）鋼筋混凝土冠梁，防沖墻墻深17m。

4.3 灌注樁結構內力計算

4.3.1 極限平衡法

根據GB50007—2011《建筑地基基礎設計規范》和JGJ120—2012《建筑基坑支護技術規程》，懸臂式灌注樁結構內力計算采用極限平衡法。防沖墻灌注樁最大彎矩采用《支擋結構設計手冊》（第二版）中公式（11-31）進行計算，如式（3）。

式中 a為最大彎矩系數，取1.956；ka為主動土壓力系數；h為懸臂樁外露長度，取7.8m；η為寬度影響系數，取1.2。

經計算，防沖墻灌注樁最大彎矩1417kN·m。

4.3.2 “m”法

m為樁的水平變形系數和地基土水平抗力系數的比例系數。

灌注樁內力計算采用JGJ94—2008《建筑樁基技術規范》中的“m”法進行復核計算，主要計算工具采用軟件“橋梁通CAD7.78”，計算防沖墻灌注樁最大彎矩1336.4kN·m。

4.3.3 結果分析

經復核計算，兩種計算方法得出的結果基本一致。本次透水防沖墻采用C30鋼筋混凝土灌注樁，樁徑φ1200mm。

5 結語

（1）防護工程采用垂直防護與柔性水平防護相結合的形式，維持了原河道行洪斷面，保證了河道正常行洪。

（2）水平防護采用適應變形的能力較強鉛絲石籠，能有效減緩河床沖刷向上游發展。

（3）倒虹吸管下游端設鋼筋混凝土灌注樁防沖透水墻，墻體具有透水性，墻前、墻后水壓力相平衡，減小墻體受力，墻體嵌固長度較小，有效減少樁長，節省了投資。

［1］河北省水利水電勘測設計研究院.南水北調中線京石段北拒馬河南治渠道倒虹吸防護工程專題設計報告［R］.2014.

［2］GB50007—2002，建筑地基基礎設計規范［S］.

［3］JGJ120—2012，建筑基坑支護技術規程［S］.

［4］SL265—2001，水閘設計規范［S］.

［5］GB50707—2011，河道整治設計規范［S］.

（責任編輯：姜彤宇）

Design of inverted siphon protection engineering in North Juma River south branch channel

MA Hong-fei
（Hebei Research Institute of Investigation&Design ofWater Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

The inverted siphon protection engineering in North Juma River south branch channel is taken as a example.The scouring erosion in upstream and retrogressive erosion in downstream is caused by the sand mining pits in upstream and downstream of inverted siphon projects，this paper expounds the combination of vertical protection with flexible horizontal protection to reduce the erosion.

sandmining pit；protection works；pervious anti-scourwall；wire gabions

TV672.5

：B

：1672-9900（2017）04-0077-03

2017-04-28

馬洪飛（1983-），女（漢族），河北南宮人，高級工程師，主要從事水利工程設計工作，（Tel）13920355770。