水庫輸水工程過河段防護工程設計

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［摘要］針對輸水管道與河流交叉段防護工程關鍵技術問題，結合國內類似情況穿河防護措施，提出了連續(xù)樁墻、格賓石籠鋪蓋及下游出口處預制六棱體相結合的綜合防護體系，對管道過河段進行全斷面保護。實踐證明，該防護措施安全可靠，經濟合理，對其他同類工程有借鑒意義。

［關鍵詞］綜合防護；連續(xù)樁墻；格賓石籠；預制六棱體

1工程背景

大伙房水庫輸水工程是解決遼寧中南部沈陽、大連、鞍山、撫順、營口、遼陽、盤錦7城市工業(yè)和1400余萬居民生活用水的戰(zhàn)略性工程。該工程包括從遼寧東部地區(qū)向大伙房水庫輸水的一期工程和從大伙房水庫向下游7城市供水的二期工程，輸供水線路總長413km，輸水隧洞114.42km，輸水管道574.02km，2003年6月開工建設，2010年11月建成供水,現階段設計年供水11.66億m3，工程綜合效益顯著發(fā)揮。大伙房水庫輸水二期工程在遼寧省遼陽市遼陽縣境內穿越太子河干流，太子河是遼寧境內較大河流，全長363km，流域面積13493km2，流經本溪縣、本溪市區(qū)、遼陽市區(qū)、燈塔市、遼陽縣、海城市等市縣，在海城市西四鎮(zhèn)八家子村入渾河，近年來，太子河干流洪水發(fā)生較為頻繁，量級相對較大，根據遼陽水文站洪峰流量統(tǒng)計情況，2005年，洪峰流量達7770m3/s；2010年，洪峰流量達6639m3/s；2012年，洪峰流量達2200m3/s，洪水對大伙房輸水管線安全造成了較大影響，加之前期河道采砂問題十分突出，輸水管線穿越太子河下游河段河道下切明顯，河床高程整體下降達5m以上，管線最大出露長度達35m，嚴重威脅輸水管線工程安全。因此，實施輸水管線過河段綜合防護工程不僅能夠有效保護重點輸水工程安全，且確保社會正常運行發(fā)展，間接上還能對兩岸防洪安全、重要跨河設施、區(qū)域生態(tài)環(huán)境以及國土安全等都有諸多益處，工程建設十分必要。

2工程防護方案選擇

輸水管線過河段防護工程的主要目的是保護管線埋深，使管線抗浮、抗凍等指標滿足設計要求，保證管線正常運行。目前國內常見的防護措施主要有，一是在過河工程下游修建壅水攔沙壩，通過人為制造壅水來減緩流速，減少水土流失，但該種措施受地質等條件影響較大且會造成河道壅水，不適用本工程；二是在工程過河處單純敷設格賓石籠防護，此方案多應用于河床不下切河道；三是在工程過河處敷設格賓石籠加下游布設防沖槽方案，此方案缺點是當上游來流較大時，防沖槽內拋石容易流失，增加工程維護復雜性。四是在河道中敷設全斷面混凝土面板，此方案防護效果較好，但混凝土面板屬于剛性防護，由于不均勻沉降等因素，面板極易碎化開裂被水流裹挾帶走，造成防護失效。鑒于大伙房水庫輸水工程重要性，綜合考慮過河段水文地質、地形地貌及下游采砂情況等多項因素，采用上述任何單一保護方案都難以起到有效保護作用，因此最終在設計中選取連續(xù)樁墻、格賓石籠鋪蓋及下游出口處的預制六棱體相結合的綜合防護方案。該方案中格賓石籠屬于柔性防護結構，適應地形變化能力較強，配合土工布使用，在水平面形成有效防護體，保護管線安全；連續(xù)樁墻強度較高，能夠有效發(fā)揮抗剪作用，在垂直面擋住河床沙土流失；在河道下游布設預制混凝土六棱體，因其自重大，穩(wěn)定性好，滿足大流量過流穩(wěn)定要求，即使因底部失穩(wěn)，發(fā)生傾倒，也多為向上游傾倒，不會發(fā)生流失現象。水流流經六棱體時，流速減緩，還能夠起到一定促淤作用。同時，從工程施工及造價方面考慮，本方案施工影響范圍小，施工干擾少，難度較低，其直接工程投資也較低。

3綜合防護工程設計

3.1過河段河道概況

本區(qū)地貌單元為太子河沖積低-高漫灘，地形較平坦，地勢開闊。輸水管道穿越位置河道寬度1863m，右灘寬約260m，左灘寬約1100m，主槽寬約503m。其中枯水主槽寬約303m，距右側岸坡約200m，與左側岸坡相接。枯水主槽最深河底高程為9.5m，枯水主槽左側至岸坡段平均高程11.17m，枯水主槽右側至岸坡段平均高程為13.8m。

3.2工程等級和標準

大伙房水庫輸水工程的工程等別為I等，穿河管線為主要輸水建筑物，建筑物級別為1級。綜合防護工程是輸水管線的保護工程，其中連續(xù)防護樁墻維修困難，是管道防護工程的主要結構，按1級建筑物設計；其余建筑物屬次要建筑物，根據SL252-2017第4.7.1條確定建筑物級別為3級。主要建筑物防洪標準：設計50年一遇，校核200年一遇。防護建筑物合理使用年限為50年，混凝土最低強度等級為C25，抗凍等級為F200。

3.3綜合防護工程整體布置

輸水工程穿越太子河段共4根管道，前期建設中分二步實施，其中一步工程為兩根DN2500鋼管，兩管中心線間距13.0m，過河段鋼管外防腐為環(huán)氧煤瀝青，穿河處輸水管中心設計高程分別為A線6.1m、B線5.49m。二步工程為兩根DN3200鋼管，兩管中心線間距15.0m，過河段鋼管外防腐為融結環(huán)氧粉末，二步管中心主河床處設計高程分別為A線0.97m、B線0.97m。本次防護工程設計是在原一步管道防護措施基礎上，對一、二步穿河管道的防護措施統(tǒng)一考慮，形成一個由連續(xù)樁墻、格賓石籠鋪蓋及下游出口處的預制六棱體組成綜合防護體系，對管道穿河段進行護底和護岸的全斷面保護，工程整體布置如下圖所示：

3.4護底連續(xù)樁墻工程

連續(xù)樁墻由灌注樁和旋噴樁交錯布置，為避免管道埋設段河床進一步下切，主河床段護底連續(xù)樁墻至岸坡段進行封閉，并根據河勢演變分析，連續(xù)樁墻向兩岸灘地各延伸50m。為防止河道行洪時管道上岸段邊坡連續(xù)坍塌，在管道進入岸坡處的河道處增加鎖口連續(xù)樁墻，左岸鎖口樁墻長38m，右岸鎖口樁墻長62m。灌注樁樁體強度等級C30F200，旋噴樁樁體抗壓強度不小于1.5MPa。樁深為19.2m。灌注樁與旋噴樁軸線間距0.2m，旋噴樁布置在灌注樁的河道上游側。連續(xù)樁墻按排樁計算懸臂長度，不考慮旋噴樁受力，采用《理正深基坑支護設計軟件》進行計算。灌注樁嵌固深度按《建筑基坑支護技術規(guī)程》懸臂式支護結構計算嵌固深度值，經計算樁體懸臂6.0m時，樁深嵌固深度不小于13.2m。旋噴樁布置在相鄰灌注樁之間，每空2根，主要作用是封閉灌注樁間的空隙，與灌注樁交替布置形成連續(xù)樁墻擋土，旋噴樁承擔的水平土壓力作用于臨近的灌注樁，因此旋噴樁嵌固深度不考慮抗傾，本工程旋噴樁長按2倍懸空段長考慮為12m。

3.5護底石籠工程

護底石籠工程沿主河床全斷面布設，石籠厚樁墻上游0.8m、樁墻下游0.5m厚，與已建的石籠鋪蓋平順銜接。石籠下設碎石墊層（300mm厚）和土工布（350g/m2），土工布的等效孔徑O95不大于0.5Cud85≈0.12mm。單片石籠平面尺寸4.0m×1.0m（長×寬），網片間綁扎連接，石籠與灌注樁頂預留埋筋綁扎連接。一步管側順河方向上游石籠長23m，下游石籠長70m，一、二步管道間連接石籠鋪蓋寬約22m，新增石籠順水流方向總長約128m。石籠工程使用年限按50年考慮，格賓網絲選用抗腐蝕性高的鋅-5%鋁稀土合金鍍層鋼絲，鋼絲抗拉強度不得低于350MPa，石籠網孔名義尺寸80mm×100mm，網面鋼絲直徑不得小于3.0mm，邊絲直徑不得小于3.5mm，綁絲直徑不得小于2.5mm。按CECS456-2016要求，石籠網采用II級鍍層鋼絲，網絲和綁絲鍍層質量不小于275g/m2，最小厚度不小于30μm；邊絲鍍層質量不小于320g/m2，最小厚度不小于32μm。

3.6石籠鋪蓋下游布設預制六棱體

為減小河床下切對上游鋪蓋工程的危害，在河道下游石籠出口位置布設2排C25F150預制混凝土六棱體，交錯布置。六棱體邊長3.0m，每角截去邊長0.4m的錐體，成品預制棱體實際邊長2.2m，單塊重量約7.72t，間距2.47m，排距1.83m。

4防護工程運行效果

本工程于2018年3月開工，2018年10月完成工程建設，經過兩個汛期，最大500m3/s流量的沖刷檢驗，綜合防護工程總體穩(wěn)定，監(jiān)測資料顯示，格賓石籠15個監(jiān)測點第一年下沉量在4—16cm之間，平均下沉量為9cm，第二年下沉量在2—3cm之間，均在設計容許范圍之內。連續(xù)樁墻下沉量均在1cm以內，預制六棱體個別向上游傾倒，無流失現象。河床及邊坡未發(fā)生較大位移，河床高程未有較大變化。連續(xù)樁墻、石籠防護層與下游防沖六棱體一起構成了穿越太子河段管線的堅固防線，對輸水管線的安全運行起到重要防護作用，效益發(fā)揮明顯，達到了預期效果。同時本工程建成后，規(guī)整了河道，改善了河床水利條件，起到了攔沙固土的作用，下游河床已開始回於，在改善和保護生態(tài)環(huán)境方面也產生起到了顯著效益。

5結論及建議

受河道采砂、行洪等因素影響，長距離輸水工程穿河管線常因河床下切而出露，造成管道的埋深、抗浮、抗凍均不能滿足正常運行要求，且隨著河床沖刷的不斷發(fā)展，管道穿河部位若不加以防護，有極大的可能引起停水事故，造成重大經濟損失和社會影響。本工程參考了結合國內類似情況的穿河防護措施，提出主河床全斷面鋪蓋防護措施，工程采用連續(xù)樁墻攔河防護，并向兩岸延伸一定距離，避免水流繞岸破壞，河床表面采用格賓石籠柔性結構鋪蓋防沖，避免穿河管道位置的河床繼續(xù)下切，下游布設預制六棱體發(fā)揮了明顯的抗沖促淤作用。通過實踐證明，該方案能夠有效解決采砂河段輸水管道工程的運行安全，同時，該設計方案施工線路短，難度較低，征占地范圍少，對環(huán)境影響較小，有利于節(jié)約資金，為國內其他工程提供借鑒。

作者：夏在森 單位：遼寧省水資源管理集團有限責任公司