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        淺析某供水工程涉河防洪評價(jià)

        2022-09-23 08:07:40鄭一帆馬國綱劉文君
        城市道橋與防洪 2022年9期
        關(guān)鍵詞:河勢渭河河段

        鄭一帆,馬國綱,劉文君

        (1.甘肅省水文站,甘肅 蘭州 730030;2.中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司,甘肅 蘭州 730030)

        1 概述

        某供水工程擬采用大開挖方式埋設(shè)管道穿越渭河干流,管線布設(shè)方向與河道流向垂直,管道敷設(shè)于渭河干流河床底部,項(xiàng)目建設(shè)在河道管理范圍之內(nèi),基本不占用河道?,F(xiàn)狀河道為10 a一遇設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)堤防,堤防工程級別為5級,管道穿河處現(xiàn)狀河寬160 m。堤防采用碾壓砂礫石梯形斷面,堤頂寬3.0 m,迎水面坡比1∶1.5,背水面坡比1∶1.25,迎水面采用厚度0.15~0.30 mC15混凝土防護(hù),堤腳采用0.8 m×0.5 m(寬×高)C15混凝土基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深為深泓線以下2.5~3.5 m。

        設(shè)計(jì)采用大開挖方式敷設(shè)1.0 MPa壓力等級、管徑315 mmPE管道,埋至渭河河床底部約6 m,穿越渭河后從渭河右岸堤防穿出,如圖1所示。穿河管道長178 m,管道安裝后外包現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土,呈900×900 mm矩形斷面,外包混凝土兩側(cè)及頂部采用原開挖料夯填。依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)及《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)的相關(guān)規(guī)定,按主要供水對象重要性,管道埋設(shè)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20 a一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50 a一遇。

        圖1 穿河管道與河道位置關(guān)系示意(單位:cm)

        管線穿河施工時(shí)采用分期導(dǎo)流土石圍堰的形式,導(dǎo)流建筑物的級別劃分、設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL303-2017)規(guī)定,確定導(dǎo)流土石圍堰建筑物級別為5級臨時(shí)建筑物,圍堰設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為5 a一遇。圍堰順渭河河道布置,兩端與岸坡連接,呈圓弧狀。施工完畢后,圍堰拆除,河道正常過水。其中于4月~5月在渭河左岸設(shè)置臨時(shí)一期土石圍堰,完成左岸部分管線開挖及埋設(shè)夯填,上游圍堰高程1 443.45 m,地面以上堰體最大高度2.95 m,圍堰長116 m;Ⅱ期在5月~6月進(jìn)行,利用二期土石圍堰導(dǎo)流,完成右岸部分管線開挖及埋設(shè)夯填,相應(yīng)上游圍堰高程1 443.00 m,地面以上堰體最大高度2.50 m,圍堰長120 m;Ⅰ、Ⅱ期圍堰均采用碎石土填筑,圍堰頂寬均為3.0 m,迎水面邊坡1∶1.5,背水面邊坡1∶1.25,迎水面設(shè)編織袋砂礫石護(hù)坡厚600 mm,砂礫石袋底部鋪設(shè)二布一膜土工膜,圍堰迎水面護(hù)角處設(shè)鉛絲籠護(hù)腳,高1.5 m,厚度0.8 m,以防止河水沖毀圍堰。圍堰斷面示意圖如圖2所示。

        圖2 圍堰斷面示意圖(單位:cm)

        2 研究思路及主要內(nèi)容

        穿河穿堤工程對河道及堤防的影響主要體現(xiàn)在施工期和運(yùn)行期2個(gè)階段。因施工方法的不同,穿河穿堤工程對河道行洪安全的影響亦有所區(qū)別。

        穿河管線防洪評價(jià)報(bào)告的主要內(nèi)容包括基本情況介紹、河道演變分析、防洪評價(jià)計(jì)算、防洪綜合評價(jià)、防治與補(bǔ)救措施,主要目的是對穿河管線的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行分析與評估,判斷其是否符合防洪要求,并提出整改措施。

        3 研究過程與結(jié)果

        3.1 河道演變分析

        河道演變主要分析說明建設(shè)項(xiàng)目所在河段的歷史演變過程與特點(diǎn),分析其近期河床的沖淤特性和河勢變化情況,明確河床演變的主要特點(diǎn)、規(guī)律和原因,從而對河道的演變趨勢進(jìn)行預(yù)估。

        3.1.1 河道歷史演變概況

        從工程位置處河段的歷年衛(wèi)星影像圖中可以看出,供水管穿河處河道主槽相對穩(wěn)定,河勢變化不大。加之2012年后,工程區(qū)河段兩岸修建堤防,受堤防控制河道主流集中,河勢趨于穩(wěn)定,工程河段主流河道基本無擺動。工程所在河段近年來主流河勢較穩(wěn)定。

        3.1.2 河道近期演變分析

        (1)河道橫向變化

        供水管穿河河段兩岸修建有高標(biāo)準(zhǔn)堤防工程,河床基本平整,灘地有雜草,河道河勢左、右岸均受已成堤防控制,渭河主河槽位置較穩(wěn)定不會發(fā)生較大變化,工程所在河段近年來主流河勢較穩(wěn)定。

        (2)河道縱向變化

        本項(xiàng)目區(qū)所在河段河道較為順直,河床由卵石和砂卵石、砂壤土等砂石組成,地質(zhì)條件較好。河道比降小,水流相對平穩(wěn),若無大洪水,河床縱向變化處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生特大洪水時(shí),河道將發(fā)生沖刷,大洪水過后逐步恢復(fù)到洪水沖刷前的狀態(tài),長期看河段處于沖淤平衡狀態(tài),管道穿河斷面河道縱向變化處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        綜上所述,根據(jù)河道歷史演變、近期演變分析,該河段河谷平面保持順直、微彎穩(wěn)定,受地質(zhì)構(gòu)造與巖性控制明顯,河床沖淤年內(nèi)呈周期性變化,年際間沖淤維持相對平衡。從定量分析中也可以得出,河道的縱橫向變化均穩(wěn)定。供水管穿河斷面河段兩岸均已建成完整堤防工程,控制了河勢的橫向發(fā)展,河勢更加趨于穩(wěn)定[1]。

        3.2 水文分析計(jì)算

        3.2.1 設(shè)計(jì)流量

        根據(jù)鄰近水文站實(shí)測洪水資料,按照《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL44-2006)以年最大值法選樣,加入歷史洪水,按不連續(xù)系列進(jìn)行頻率計(jì)算。經(jīng)比對,工程所在河段計(jì)算結(jié)果與已獲批復(fù)的《渭河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》附件三《渭河流域防洪規(guī)劃》中所采用的洪峰流量成果較為接近,其他建設(shè)項(xiàng)目多直接引用該成果,本次也采用該成果值作為洪水評價(jià)依據(jù)(見表1)。

        表1 工程處評價(jià)計(jì)算采用的設(shè)計(jì)洪水成果

        渭河主汛期7—9月,根據(jù)渭河干流洪水特性,結(jié)合施工要求,將施工洪水分為4—6月,7—9月,10月,11月至來年3月四個(gè)時(shí)間段。選用渭河武山站實(shí)測流量資料,應(yīng)用分期年最大值洪水選樣法,跨期10天選樣,分別組成分期連續(xù)洪水系列資料,按連續(xù)系列采用P-Ⅲ型頻率曲線法計(jì)算各分期設(shè)計(jì)洪水成果,主汛期采用設(shè)計(jì)洪水成果,干流工程河段施工洪水根據(jù)武山站成果按面積推算(見表2)。

        表2 工程河段P 20%施工分期洪水成果

        3.2.2 設(shè)計(jì)水位

        采用水位流量推算方法計(jì)算管道穿河處20 a一遇洪峰流量2 340 m3/s,對應(yīng)的洪水水位為1 444.63 m。供水管施工期主要安排在4—6月,4—6月5 a一遇洪峰流量為156 m3/s,對應(yīng)的水位1 442.25 m,圍堰高程為1 443.45 m,圍堰高程高于施工期洪水位1.20 m,圍堰設(shè)計(jì)高度是合理的。

        3.3 壅水分析計(jì)算

        (1)運(yùn)行期壅水分析

        本工程穿河供水管道埋設(shè)于渭河河床底部,工程的建設(shè)在管道埋設(shè)后不產(chǎn)生壅水現(xiàn)象,壅水不會對該供水管道及河道行洪能力造成影響。工程評價(jià)段河道河床為砂礫石組成,河道坡降小,洪水期水流向一致。大水過后,主河槽不會發(fā)生大的變化,河流不會發(fā)生改道,對河道、河勢變化無影響,不會對河流上下游滯洪行洪區(qū)域造成影響,也不會對河道來水、來沙產(chǎn)生不利影響,因此不進(jìn)行壅水計(jì)算。

        (2)臨時(shí)工程(分期圍堰)壅水分析

        供水管施工期安排于4—6月,施工期河道行洪采用分期導(dǎo)流圍堰(土石圍堰)的形式。圍堰的建設(shè)會產(chǎn)生局部阻水?dāng)嗝?,致使河道過洪面積減小,產(chǎn)生壅水,施工期洪水采用5 a一遇洪峰流量為156 m3/s,圍堰建設(shè)后壅水高度計(jì)算結(jié)果為0.68 m、壅水長度為750.95 m。供水管穿渭河斷面距上游武山水文站約4.0 km,本次計(jì)算壅水長度小于該距離,即圍堰產(chǎn)生的壅水不會對武山水文站產(chǎn)生影響。

        3.4 沖淤計(jì)算

        依據(jù)河道近期演變趨勢分析,該工程處于渭河河段,河道過流相對穩(wěn)定,河道含沙量很小,沖淤變化幅度不大,河道未來演變按沖淤基本平衡考慮,自然沖刷按0 m考慮,僅計(jì)算天然狀態(tài)下河道的一般沖刷和施工期的沖刷。

        (1)運(yùn)行期一般沖刷計(jì)算

        根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料,工程穿河點(diǎn)處河床土質(zhì)為砂礫石。采用《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30—2015)中推薦的非粘性土河床的一般沖刷公式64-2簡化式(河槽部分)進(jìn)行計(jì)算,一般沖刷深度為3.76 m,考慮1.0 m安全值后,滿足防洪要求的管頂埋深為4.76m。設(shè)計(jì)管頂埋深值為6.0 m,滿足20 a一遇洪水抗沖要求。

        (2)施工期沖刷計(jì)算

        a.一般沖刷

        施工期供水管道穿渭河斷面處一般沖刷深度為1.52 m。

        b.局部沖刷

        穿河管道敷設(shè)于河床底部,對已建堤防基礎(chǔ)埋深無影響。但圍堰的建設(shè)。會造成已建堤防局部沖刷,本次對圍堰的建設(shè)造成的局部沖刷進(jìn)行計(jì)算,經(jīng)計(jì)算得出水流斜沖產(chǎn)生的沖刷深度為0.33 m,由相關(guān)堤防報(bào)告可知,已建堤防基礎(chǔ)埋深為深泓線以下2.5~3.5 m,故圍堰建設(shè)造成的局部沖刷不會對已建堤防基礎(chǔ)埋深產(chǎn)生影響。

        3.5 堤防及岸坡穩(wěn)定分析計(jì)算

        3.5.1 堤防滲流穩(wěn)定分析計(jì)算

        工程在渭河穿越處20 a一遇設(shè)計(jì)洪水位為1 444.63 m。渭河河段防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇,因此只對20 a一遇設(shè)計(jì)洪水位下堤防進(jìn)行滲透穩(wěn)定分析計(jì)算(見表3)。

        表3 滲流穩(wěn)定計(jì)算分析成果表

        通過計(jì)算得知,堤防堤身及堤基的水力坡降均滿足允許值。同時(shí)堤防總體滲透系數(shù)為1.76×10-4cm/s,滲透等級屬于弱透水等級。綜上所述,本工程將不會影響渭河的堤防滲透穩(wěn)定性。

        3.5.2 堤防抗滑穩(wěn)定性分析

        計(jì)算分析工程所在河段20 a一遇洪水下岸坡穩(wěn)定性,邊坡穩(wěn)定計(jì)算理論采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)附錄F中的瑞典圓弧滑動法,施工期采用總應(yīng)力法計(jì)算,穩(wěn)定滲流期采用有效應(yīng)力法(見表4)。

        表4 過河管道處河道岸坡穩(wěn)定計(jì)算成果

        從計(jì)算結(jié)果可以看出,正常情況、非正常情況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。項(xiàng)目建設(shè)所在河段處河道邊坡滿足抗滑穩(wěn)定要求,表明工程建設(shè)后引起的河床沖刷不會造成河岸邊坡的失穩(wěn)。

        4 評價(jià)結(jié)論及建議

        (1)經(jīng)分析,導(dǎo)流工程的修建縮窄了河道行洪斷面,穿河管道斷面處壅水高度為0.68 m,壅水長度為750.95 m,對第三方工程無影響,同時(shí)對堤防高度及兩岸構(gòu)筑物也無影響。

        (2)管道采用大開挖施工方法穿越渭河河底,沖刷深度為3.76 m,管線的埋深在河底6 m處,對河道演變和河勢穩(wěn)定基本不會產(chǎn)生不利影響。

        施工期導(dǎo)流圍堰的修建會產(chǎn)生一般沖刷和局部沖刷,可能會對堤防基礎(chǔ)埋深有影響。經(jīng)復(fù)核計(jì)算,一般沖刷深度為1.52 m,局部沖刷為0.33 m。由相關(guān)堤防報(bào)告可知,已建堤防基礎(chǔ)埋深為深泓線以下2.5~3.5 m,故圍堰建設(shè)造成的沖刷不會對已建堤防基礎(chǔ)埋深產(chǎn)生影響。

        (3)根據(jù)河道歷史演變、近期演變分析,該河段河谷平面保持順直、微彎穩(wěn)定,受地質(zhì)構(gòu)造與巖性控制明顯,河床沖淤年內(nèi)呈周期性變化,年際間沖淤維持相對平衡。從定量分析中也可以得出,河道的縱橫向變化都是穩(wěn)定的。工程河段兩岸均已建成完整堤防工程,控制了河勢的橫向發(fā)展,河勢更加趨于穩(wěn)定。

        (4)穿堤管道與堤身填土以及管壁與地基土層容易產(chǎn)生接觸滲漏危害及堤防的安全。

        (5)做好穿河段配水管線地面標(biāo)志,加強(qiáng)對穿河段河勢及管道運(yùn)行狀態(tài)的觀測,為渭河的防洪安全、正常管理及配水管道的安全生產(chǎn)提供保證。

        (6)在工程建設(shè)中涉及第三人合法權(quán)益時(shí),提前跟相關(guān)單位進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)。

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