北拒马河南支渠道倒虹吸防护工程设计

马洪飞

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

北拒马河南支渠道倒虹吸防护工程设计

马洪飞

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

以北拒马河南支渠道倒虹吸防护工程为例，探讨采用垂直防护与柔性水平防护相结合的形式，以减小倒虹吸工程上下游采砂坑引起的上游顶冲冲刷和下游溯源冲刷。

采砂坑；防护工程；透水防冲墙；铅丝石笼

1 工程概况

北拒马河南支渠道倒虹吸工程位于涿州市赵家铺村东，是南水北调中线京石段应急供水工程总干渠上的主要输水建筑物。交叉断面以上总流域面积4966km2，渠线与北拒马河南支水流方向呈67°交角。

2012年7月21日暴雨洪水时，北拒马河南支出现较大过流，倒虹吸工程附近洪峰流量1400m3/s，与10年一遇设计洪峰流量1430m3/s相当，“7·21”洪水过后倒虹吸管身轴线位置河床高程由初步设计阶段的60.1m降为59.35m，比初步设计阶段计算的相应标准冲刷深度低。但受下游采砂坑影响，倒虹吸管身下游河床下切严重，冲沟已接近倒虹吸管身右侧，管身上部出现明显沉降和开裂，35kV电力杆塔基础灌注桩暴露3m。

北拒马河南支渠道倒虹吸主体建筑物上下游存在严重采砂石现象，形成许砂石坑，坑深较深，改变了原有河床形态，破坏了天然河道的平衡状态，持续采砂强度超过上游泥沙补给能力时，对河床稳定构成威胁。近些年北方地区一直处于干旱少雨的年份，根本无泥沙补给的可能性。无序采砂引起长距离河床的整体下切，同时由于下游冲刷基点降低引起河段比降增大，使河道产生溯源冲刷，倒虹吸管身处冲刷加剧，管身埋置深度变小，在遇到高标准洪水时，倒虹吸管身可能会发生失稳等危险。需要采取工程防护措施，以保证倒虹吸工程的运行安全。

2 防护方案选择

垂直防冲墙可采用明挖扶壁墙、地下连续墙、透水防冲墙及防冲桩等型式。

2.1 明挖扶壁墙

明挖扶壁墙是水利工程中常用的挡土墙结构，靠挡墙及底板上覆土自重保持墙体稳定。其优点是不需进行嵌固，基础埋深较小，挡墙高度相对较低，墙体现浇时可埋设排水孔，对上下游渗流影响较小，墙前水压力相对较小；缺点是基础宽度较大，需开槽明挖施工，土方挖填工程量较大，且墙体混凝土现浇时受环境温度影响较大。

2.2 地下连续墙

地下连续墙与防冲透水墙受力特点基本一致，可视为地下弹性嵌固的桩。桩体上游土体及水压力推动桩绕底部向下游转动，桩脚嵌固土体推动桩向上游反向转动；当嵌固长度足够时，两种作用趋于平衡，桩体保持稳定。其优点是横向联系强，当下游采砂坑溯源冲刷形成冲沟时，墙体整体受力，不会出现局部墙体坍塌的情况。缺点是墙体阻断上下游渗流，墙前水压力较大，受力条件不佳，墙体嵌固段长度较大，工程投资相应较高。

2.3 透水防冲墙

透水防冲墙优点是墙体具有一定的透水性，墙前水压力相对较小，墙体嵌固长度较小，工程投资相应较低。缺点是横向联系较弱，在下游冲沟部位易产生薄弱断面。

2.4 防冲桩

防冲桩与透水防冲墙特点相近。防冲桩透水性相对更好，施工相对简单；但防冲桩作为悬臂结构挡侧向土体压力，其结构断面不能得到充分利用，因此防冲桩结构断面相对更大，配筋量更高，经济性较差。

综上所述，透水防冲墙工程投资相对较低，虽有墙体横向联系较弱，在下游冲沟部位易产生薄弱断面的缺点，设计可通过墙顶设立连系梁的方式予以缓解。综合比选，本次设计垂直防护采用透水防冲墙方案。

3 防护工程设计

3.1 顺水流方向防护位置的确定

3.1.1 透水防冲墙位置及墙顶高程

防冲墙布置原则：①防冲墙墙顶高程不低于倒虹吸管身顶高程；②防冲墙施工和墙下游形成冲坑后墙身受力不应影响倒虹吸管身的受力状态；③将防冲墙位置尽量靠近倒虹吸布置，以缩短管顶水平防护范围，减少工程投资。

综合考虑上述因素，防冲墙布置在倒虹吸管身外侧下游15m处，墙顶高程高于倒虹吸管身顶高程1.0m，为55.9m。

3.1.2 柔性水平防护范围及高程

水平防护高程考虑以下3个原则：①尽量不影响高标准洪水时河道行洪；②能与防冲墙相结合对倒虹吸管身形成有效保护；③铅丝石笼顶部应有一定的覆土厚度，以减少占地和延长铅丝网的使用寿命。

为减小倒虹吸上游端顶冲冲刷，倒虹吸上游采用适应变形能力较强的铅丝石笼防护，底坡采用倒坡，加强对倒虹吸上游端的保护。斜坡段防护端底高程按低于管顶高程0.5m考虑，采用1∶10倒坡，护砌长20m。

为减小倒虹吸顶部河道冲刷，在倒虹吸管顶至下游透水防冲墙之间，采用铅丝石笼水平防护，护砌长度28m，防护顶高程56.4m，其后设5m长1∶10斜坡段与防冲墙连接。考虑到防冲墙末端会形成冲坑，且由于严重的采砂，倒虹吸下游河道底高程严重下降，为减小防冲墙的深度，在防冲墙下游设置铅丝石笼水平防护，护砌长20m，水平防护长73m。

3.2 垂直水流方向管顶防护范围

根据河道的现状及下游采砂坑分布情况，目前的无序开采及河道采砂坑主要在主河槽范围内，故本次防护主要以防护主槽为主。为保证南水北调中线工程的输水安全，本着尽量少占耕地的原则，垂直水流方向防护主河槽322m，主槽两侧以1∶3.0放坡至两岸滩地，为保证左右侧滩地管身安全，为避免因无序开采的砂石坑冲填淘坡，左右侧滩地各护50m。渠线与北拒马河南支水流方向呈67°交角，为保证倒虹吸安全，防冲墙布置与倒虹吸方向平行，故垂直水流方向防护总宽440m。

4 结构计算

4.1 水力设计

防冲墙下游冲坑深度，主要考虑两个方面，一是防护下游端形成的局部冲刷坑；二是由于下游大量采砂坑的存在而产生的溯源冲刷。

4.1.1 防护下游端局部冲刷计算

根据SL265—2016《水闸设计规范》河床冲刷深度计算，水平护砌下游端冲刷深度计算公式如式（1）。

式中 dm为水平护砌下游端河床冲刷深度（m）；qm为水平护砌下游端单宽流量，考虑1.5倍流速不均匀系数，取23.9m3/（s·m）；［v0］为河床土质允许不冲流速（m/s），根据GB50286—2013《堤防工程设计规范》附录D坡岸计算泥沙起动流速，取1.98m/s；hm为水平护砌下游端水深（m），取7.98m。

经计算300年一遇洪水倒虹吸管下游侧冲刷深度5.32m，冲刷线高程50.58m。

4.1.2 溯源冲刷影响

由于现状河道下游大量采砂坑的存在，下游采砂坑分布较为密集，一旦遇到洪水，将使河道下游产生溯源冲刷。采砂坑最近距倒虹吸管身轴线130m，坑底高程43.16m。从新测地形图可见，该河段河底平均纵坡1%。参照该天然纵坡和地层粒径差异，下游溯源冲刷形成的纵坡按3%考虑，推算出防护末端的冲刷线高程46.058m。

由于溯源冲刷推算出的冲刷线高程低于防护下游端计算出的冲刷线高程，故本次设计采用溯源冲刷推算出的冲刷线高程。

为减小防冲墙的深度，在防冲墙下游设置20m长铅丝石笼水平防护，按1∶5的冲坑稳定边坡向上游反推，得到防冲墙位置的冲刷线高程50.118m。

4.2 防冲墙稳定设计

透水防冲墙采用钢筋混凝土灌注桩，桩间净距0.5m。根据工程实际情况，需要确定桩身长度和桩径。

计算采用JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》中公式（4.2.1）进行计算，如式（2）。

式中 ke为嵌固稳定安全系数，取1.05；Eak，Epk为基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力的标准值（kN）；aal，apl为基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力合力作用点至挡土结构底端的距离（m）。

桩身部位地质条件主要为卵石层，内摩擦角33°。经计算，透水防冲墙处冲坑平均深7.812m，桩的嵌固长度9.19m，桩顶部设1.8m×1.5m（宽×高）钢筋混凝土冠梁，防冲墙墙深17m。

4.3 灌注桩结构内力计算

4.3.1 极限平衡法

根据GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》和JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》，悬臂式灌注桩结构内力计算采用极限平衡法。防冲墙灌注桩最大弯矩采用《支挡结构设计手册》（第二版）中公式（11-31）进行计算，如式（3）。

式中 a为最大弯矩系数，取1.956；ka为主动土压力系数；h为悬臂桩外露长度，取7.8m；η为宽度影响系数，取1.2。

经计算，防冲墙灌注桩最大弯矩1417kN·m。

4.3.2 “m”法

m为桩的水平变形系数和地基土水平抗力系数的比例系数。

灌注桩内力计算采用JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》中的“m”法进行复核计算，主要计算工具采用软件“桥梁通CAD7.78”，计算防冲墙灌注桩最大弯矩1336.4kN·m。

4.3.3 结果分析

经复核计算，两种计算方法得出的结果基本一致。本次透水防冲墙采用C30钢筋混凝土灌注桩，桩径φ1200mm。

5 结语

（1）防护工程采用垂直防护与柔性水平防护相结合的形式，维持了原河道行洪断面，保证了河道正常行洪。

（2）水平防护采用适应变形的能力较强铅丝石笼，能有效减缓河床冲刷向上游发展。

（3）倒虹吸管下游端设钢筋混凝土灌注桩防冲透水墙，墙体具有透水性，墙前、墙后水压力相平衡，减小墙体受力，墙体嵌固长度较小，有效减少桩长，节省了投资。

［1］河北省水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段北拒马河南治渠道倒虹吸防护工程专题设计报告［R］.2014.

［2］GB50007—2002，建筑地基基础设计规范［S］.

［3］JGJ120—2012，建筑基坑支护技术规程［S］.

［4］SL265—2001，水闸设计规范［S］.

［5］GB50707—2011，河道整治设计规范［S］.

（责任编辑：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

马洪飞（1983-），女（汉族），河北南宫人，高级工程师，主要从事水利工程设计工作，（Tel）13920355770。