引水灌溉项目管道穿越工程设计分析

2020-05-20陈顶柯

河南水利与南水北调 2020年4期

关键词：沟渠粉质冲刷

□陈顶柯

（内乡县水利技术指导站）

0 引言

在引水灌溉项目中，管道穿越工程由于管线分布广、线路长，不可避免地要与河流、高地、交通路线等交叉，受条件限制无法采用开槽施工，，因此非开挖穿越施工技术因施工空间较小，不影响交通及河道行洪，应用越来越广泛。

1 工程概况

供水灌溉项目区降水量丰沛，多年平均降水量为1 056 mm。降水量的年际分配不均匀，降水量的年内分配也不均匀，雨量多集中于夏季，6—9月降水量占全年降水量的60%以上，其中7、8 月份占全年降水量的38%。另一降水量较多的时段为4—5月，占全年降水量的16.70%，而降水量最小的12—2月三个月的降水量只占全年降水量的6.70%。

供水灌溉项目区无过境水补给，可供工、农业和生活用水资源，只有当地地表径流和地下水。市内多年平均天然水资源总量20 063万m3，全市人均630 m3，耕地亩均629 m3，水资源相对较贫乏，且分布不均匀，开发利用限制因素很多，实际利用还要做很多工作。

供水灌溉项目区多为管道埋设，穿越沟道施工时，采用上下游围堰，材料采用土围堰，尺寸为高1.50 m，顶宽2 m，边坡1：1。穿越道路施工时，采用破路直埋形式，完工后恢复原路面。

2 引水灌溉项目穿越工程设计

2.1 穿越道路设计

管线穿越公路段持力层主要为第⑤土层重粉质壤土层，地基承载力特征值为fa=130 kPa；勘察期间，测得地下水主要分布在第⑥土层粉质粘土层中，局部分布在第⑤土层重粉质壤土层中，地下水埋藏稍深，地下水对管线穿越公路施工基本不会产生影响。管线穿越道路施工时，建议增设护管。

灌溉管线共穿越道路33 处，多为村级公路，路面平均宽5 m。穿越道路均采用破路埋管施工，输水管道外套混凝土管2级管。混凝土管直径比输水管直径大0.60 m，然后用自密式C15混凝土填充，平均每处4根混凝土管8 m长。经统计Φ1 500混凝土管96 m，Φ1200 混凝土管88 m，Φ1000 混凝土管80 m，总长264 m。管顶覆盖厚度≥1.50 m。

施工时应修建临时铺道，待施工完毕后，按原规模恢复原道路，并拆除铺道。工程共有33条道路需要明挖直埋，破路面积660 m2。见表1。

表1 管线穿路统计表

2.2 穿越小型沟渠设计

管线沿线穿越沟渠段建议采用倒虹吸形式，所涉及到的地层岩性依次第⑤土层重粉质壤土和第⑥土层粉质粘土，地基承载力特征值分别为130和160 kPa。地基土地质结构为粘性土单一结构，均为中压缩性，无软弱夹层和不良地质现象。建议管线埋置深度在沟渠段埋深应≥1.50 m，且应采取护砌防止河水冲刷措施。

供水管线共穿越小型沟渠14处，沟渠底较窄，宽为3～40 m，边坡均＜1∶2 m。经综合考虑，本次管线穿越沟渠段采用倒虹吸形式，埋深要大于沟道冲刷深度。

河床冲刷深度采用以下公式计算：

式中：△hp—从河底算起的局部冲深（m）；α—水流流向与岸坡交角，（°），取60°；m—防护建筑物迎水面边坡系数，取1.50；d—坡脚处土壤计算粒径（cm），取0.04；Vj—水流局部冲刷流速（m/s），取1.40 m/s。

经计算沟渠冲刷最大深度一般为0.50～1 m 之间，本次管顶覆土厚度按≥1.50 m进行设计，底管长度为8～40 m，管道纵坡≤1：3，回填后压实度≥0.90，对管道爬坡段及穿越河沟段，采用0.30 m 厚M7.5 浆砌石护体防护，以防止回填土被冲刷。见表2。

表2 管线穿沟渠统计表

2.3 穿越水库上游设计

管线穿越水库上游段（桩号0+400）持力层主要为第④土层砂砾石层，地基承载力特征值为fa=150 kPa；勘察期间，测得地下水主要分布在第③土层淤积中粉质壤土层或第④土层砂砾石层中。勘察期间，水库上游段河槽内有水，地下水埋藏稍浅，对管线施工产生一定影响，综合考虑降水、排水及河槽段开挖具体方案及导流工作，确保施工质量。由于该段位于水库溢洪道出口附近，应计算河水对砂砾石冲刷深度，管线在该河槽应有足够的埋深（不应＜3.00 m），且应采取护砌防止河水冲刷措施。

管线进口段在0+400需穿越田岗水库上游，水库溢洪道出口，总长约50 m。穿越方案有两种，一是建支墩加高穿越，二是地埋穿越。方案1建支墩加高穿越，需建支墩8个，每个支墩宽1.20 m，高6.50 m，严重影响水库泄洪，且投资成本太高，不再考虑。本次穿水库上游段采用地埋形式。

2.3.1 冲刷计算

2.3.1.1 一般冲刷计算

采用《公路桥位勘测设计规范》中8.5.3-1式（式2-4）计算。

根据水库运行方式水库讯限水位为107.00 m，设计标准为20 a一遇，流量为500 m3/s。

经计算得：按20 a一遇水位，一般冲刷完成后，最大冲坑深为2.84 m。

2.3.1.2 桥墩局部冲刷计算

用《公路桥位勘测设计规范》中的8.5.3-4式

当V＞V0，采用《公路桥位勘测设计规范》中8.5.3-6式：

按《公路桥位勘测设计规范》8.5.3-4 式计算，冲刷完成后墩前在一般冲刷的基础上局部冲坑深为0.78 m。

2.3.2 穿越设计穿越处地埋管采用倒虹吸形式，管顶埋深3 m，为防止河水冲刷，河底采用C25现浇混凝土护砌，厚3 m，管底采用粗砂垫层，10 cm厚。

根据水库用水要求，水库水位不得低于85.20 m，穿越处河底高程为83.20 m，相差2 m。考虑采用分段围堰进行施工，一期施工西侧30 m，二期施工东侧20 m，围堰采用袋装土围堰，外铺防渗膜，设计围堰高3.50 m，宽4 m，边坡1：2，为保证施工作业，两侧围堰间距20 m，围堰范围内设集水坑，采用水泵不停抽水。