淺議南水北調工程北汝河倒虹吸河道沖刷防護處理

鄭曉陽，張飛躍， 鮑 捷

（1.中國南水北調集團中線有限公司河南分公司，河南 鄭州 450018；2.西安理工大學，陜西 西安，710048；3.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450018）

1 工程概況

北汝河渠道倒虹吸工程總長1482 m，由進口漸變段、進口檢修閘、管身段、出口節制閘和出口漸變段和退水閘組成。渠倒虹總長1282 m，管身水平投影總長1143 m。渠段起點設計水位128.761 m，終點水位128.254 m，總設計水頭為0.507 m。倒虹吸水平管身段采用河床部分回填砂卵石，相對密度不小于0.75，其余部分回填開挖料，相對密度不小于0.72。從右岸向左岸依次成階梯型回填，高程逐漸增高。

2 工程水文條件

北汝河處于溫帶季風氣候區。年降水量一般為650 mm～950 mm，由西南向東北遞減，多年平均雨量為800 mm。年內分配極不均勻，大多集中在7 月、8 月，占全年降雨量的67%，汛期降雨往往集中為一場或幾場暴雨。年際間降雨變化極大，最大和最小年降水量相差6.5 倍。最大年徑流量為最小年徑流量的12 倍。根據北汝河交叉斷面設計洪水報告提供的數據，交叉斷面天然河道設計洪水成果見表1。

表1 交叉斷面天然河道設計洪水成果表

3 應急防護的必要性分析

3.1 水毀情況分析

2021年汛期北汝河倒虹吸經歷20 次降雨，其中小雨9次、中雨6 次、大雨3 次、暴雨及以上2 次，范圍較大的強降雨經歷了三輪，分別為7 月17 日至22 日，8 月22 日至23 日，9月18 日至20 日。其中北汝河倒虹吸交叉斷面在7 月20 日18 時出現洪峰，洪峰最大流量約1800 m3／s。洪峰過后，交叉斷面主河道淘刷較明顯。

該處原設計管頂覆土頂高程為114.0 m，主河槽處管頂高程約109.66 m，覆土厚度約4.3 m。目前管頂主河槽高程已降低至112.8 m，比原設計高程下切了1.2 m。頂部覆土厚度剩余約3.14 m。根據河道現狀，河道下游砂坑較多，工程保護范圍內現狀河底高程110.6 m，主河槽河底高程106.6 m，河道比降1／500，經過河道洪水沖刷自然變化后，推斷管身處可能的主河槽底高程約為110.6 m，覆土厚度僅剩0.94 m。故有必要進行應急防護。

3.2 沖刷深度判斷分析

結合目前現狀，對該渠段按照20 年、100 年、300 年一遇洪水計算其沖刷深度，計算過程如下，計算結果見表2 各工況沖刷深度。

表2 各工況沖刷深度

通過查閱地質勘察報告，交叉斷面處河床表層為砂卵石，厚度4.5 m～7 m，其下為礫巖和粘土巖。工程建成后，管頂以上以砂卵石回填，因此一般沖刷深度按非粘性土公式計算。

式中：Hp為一般沖刷后的最大水深，m；QC為河槽部分通過的設計流量，m3／s；BC為河槽部分橋孔過水凈寬，m；hmC為河槽最大水深，m；hm為河槽平均水深，m；A 為單寬流量集中系數；Bd、H 為流量時的河寬和平均水深，可按平灘水位計算；E 為與汛期含沙量有關的系數；dc為河槽土平均粒徑，mm。

根據計算結果，最小沖刷深度為2.094 m，最大沖刷深度為3.577 m。目前管道上覆土厚度僅剩余3.14 m，若發生300 年一遇洪水時，倒虹吸管身頂部將無覆土，管身暴露在外極易受到損害影響供水安全，因此防洪加固是必要的。

3.3 管身抗浮穩定判斷分析

若現狀管頂覆土厚度3.14 m，發生300 年一遇洪水時，倒虹吸管身頂部將無覆土，在此情況下，若倒虹吸管身進行檢修，對其進行抗浮穩定計算，抗浮穩定系數為1.035＆lt;1.05，不滿足規范要求。

由計算結果（見表3）可知，20 年一遇和100 年一遇洪水時，管頂無覆土時，管身抗浮安全系數不能滿足規范要求的1.05，當管頂覆土厚度為0.5 m 時，滿足規范要求，既管頂至少有4.1 m 覆土厚度，各工況下抗浮穩定系數才能滿足規范要求。

表3 各工況水平管身抗浮計算結果

因此，進行防洪加固是必要的。

3.4 南水北調供水重要性

2014 年南水北調工程全面建成通水后，南水北調東、中線一期工程已經成為北京、天津等40 多座大中城市，280 多個縣市區，1.4 億多人不可或缺的主要水源，甚至是唯一水源。中線一期工程去年調水突破90 億m3，創歷史新高。目前，南水已經占北京市城區供水75%以上，天津市城區供水近100%，鄭州市中心城區供水90%以上，南水北調工程效益不斷彰顯，重要性日益提升。

綜上所述，北汝河渠道倒虹吸工程作為中線一期工程的重要組成部分，其重要性無可替代，其安全性需保障，對其進行安全防洪加固非常必要。

4 河道防護方案比選

4.1 格賓石籠+鋼筋混凝土防護

本方案主要采取水平防護，將管身一定范圍內采取硬質防護護底，并適當增加垂直防護措施。根據《北汝河渠道倒虹吸河工動床模型試驗研究》中試驗結果，工程后，20 年一遇洪水時，河道最大流速為3.76 m／s；100 年一遇洪水時，河道最大流速為4.11 m／s；300 年一遇洪水時，河道最大流速為4.44 m／s。

鑒于工程后，北汝河河道的流速不大，同時考慮經濟性、適應性和耐久性，水平防護采用格賓石籠+鋼筋混凝土護底相結合的型式，見圖1。格賓石籠可以很好地適應基礎變形，鋼筋混凝土護底可以起到很好的防沖作用，增加安全性和耐久性。

圖1 格賓石籠+鋼筋混凝土防護示意圖

4.2 地連墻防護

本方案采用以垂直防護為主，適當增加部分水平防護的原則。

工程布置:主河槽水平管身段上、下游30 m 范圍內采用砂卵石回填至113.5 m，相對密度0.72，上下游按1∶20 坡比整治。距管身軸線130 m 下游處設置C25 鋼筋混凝土地連墻，墻厚 0.8 m，墻底高程101.2 m～103.8 m，墻頂高程114.8 m～113.2 m。地連墻平行于管身軸線，長度316 m。地連墻下游主河槽設置5 m 格賓石籠，厚度1.0 m，頂高程112.60 m。上下游河道按1∶20 整治順接。

主河槽水平管身段上、下游30 m 范圍內采用砂卵石回填至113.5 m，相對密度0.72，上下游按1∶20 坡比回填，回填砂卵石最小粒徑不小于5 cm。距管身軸線130 m 下游處設置C25 鋼筋混凝土地連墻，墻厚0.8 m，墻底高程101.2 m～103.8 m，墻頂高程114.8 m～113.2 m。地連墻平行于管身軸線，長度316 m。地連墻下游設置5 m 格賓石籠，厚度1.0 m，頂高程112.60 m。上下游河道按1∶20 整治順接。見圖2。

圖2 地連墻防護示意圖

4.3 方案對比分析

4.3.1 投資分析

方案一主體投資約為1108 萬元，方案二主體投資約為1032 萬元，方案二較方案一投資減少了77 萬元，更為經濟。

4.3.2 施工周期、耐久性及復雜性分析

方案一施工工藝簡單，技術難度小，但施工工期相對較長，導流及降排水費用相對較多，河道繼續下切有可能對防護結構產生影響。

方案二施工工藝相對復雜，但不需要大面積明挖，對周邊環境影響相對較小，后期河道繼續下切，不會對管頂覆土產生較大影響。鋼筋混凝土地連墻相對于格賓石籠不容易損壞，在上、下游存在一定高差的情況下，可以有效防護上游河道沖刷，耐久性好，能夠更好地保護倒虹吸管身安全。

綜合以上的分析，宜選用地連墻防護。

4.4 地連墻設計方案

地連墻的設計防護深度需根據下游河床沖刷計算確定。下游河床交叉斷面處河床表層為砂卵石，厚度4.5 m～7 m，其下為礫巖和粘土巖。工程建成后，管頂以上以砂卵石回填，下游河床根據沖刷計算確定，沖刷最大深度為3.57 m，即沖刷坑底高程約為110.00 m。同時考慮下游沖刷一定深度后，墻后形成垂直跌水，進一步擴大沖刷深度，計算墻下游河槽底高程取109.60 m。

4.4.1 抗傾覆穩定性驗算

抗傾覆計算采用《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012）中EPKZPI≥kemEakZal公式計算可得kem=1.271 ≥1.200，滿足規范抗傾覆要求。

4.4.2 坑底隆起驗算若支護結構背后的土體重力超過基坑底面以下地基的承載力時，地基的平衡狀態就會破壞，從而發生坑壁土流動、坑頂下陷、坑底隆起的現象。因此需要驗算地基是否會隆起。

式中：γ 為土的容重；q 為底面荷載；Nc、Nq為地基承載力系數；D 為連續墻插入深度；C 為粘聚力。

采用Prandtl 公式，Nc、Nq，按下式計算:

要求Ks≥1.10～1.20 。

經過計算， Ks= 4.301，抗隆起穩定性滿足要求。

4.4.3 地下連續墻結構計算

垂直防沖墻，采用理正深基坑支護7.0 設計軟件，結構計算土壓力、位移、彎矩、剪力均滿足要求，地表沉降見圖3。

圖3 地連墻地表沉降圖

主要計算參數：樁長為11.0 m，考慮地連墻下游砂礫石層部分被破壞，沖坑深度3.6 m，此時嵌入深度為8.4 m。

5 結語

南水北調北汝倒虹吸河道防護工程具有投資較小，施工工期短，施工便捷等特點，目前該項目已通過評審正在開展工程招標，相信通過該防護工程的實施，可以有效改善游蕩性河流對大型下穿輸水建筑物的不利影響，確保工程的運行安全。