牵引管穿越河道工程防洪影响评价

方睿骋，臧振涛，衡 阳

(1.浙江省钱塘江流域中心，杭州 310020；2. 杭州水利水电勘测设计院有限公司，杭州 310006；3. 浙江省水利水电工程质量与安全管理中心，杭州 310012)

0 前 言

为满足城乡供水需求，推进城乡供水一体化建设，水厂及供水管网配套工程建设已刻不容缓。在这些工程建设中，考虑到施工进度、造价等方面影响，往往会采用牵引管穿越的铺管工程。在这期间，若在设计阶段未充分论证这类项目实施对河道及堤防工程的影响，则工程在施工或运行期影响河道行洪。为保证河道行洪与管理，依据国家相关法律法规，应对牵引管穿河建设工程进行防洪影响评价，并给出相应的结论和建议。在此基础上，文章结合工程实际情况，分析论述牵引管穿河工程的防洪影响，并分析提出相关的防治措施[1]。

1 工程概况

城北水厂及城乡供水管网配套工程主要建设内容包括水厂和配水管道、供水管道和泵站等。本次牵引管穿越河道工程施工的管线主要涉及浦阳江、红浦江以及开化江。其中，①浦阳江牵引管于浦阳江大桥下游10m处穿越浦阳江，管道穿越入土点设在浦阳江右岸，距离右岸防洪堤坡脚41m，出土点设在浦阳江左岸，距离左岸防洪堤坡脚69m。穿越管段设计采用入土角取8.5°，出土角取7.4°，穿越管段的曲率半径取1500D，其中D为穿越管段外径。牵引管采用DN800钢管，管道水平长度为340m，管道中心最低标高约为-3.1m，河床下管道最小覆土厚度约为3.5m；②洪浦江牵引管于洪浦江桥下游21m处穿越洪浦江，管道穿越入土点设在洪浦江右岸，距离右岸防洪堤坡脚334m，出土点设在洪浦江左岸，距离左岸防洪堤坡脚46m。穿越管段设计采用入土角为4.8°，出土角为5.7°，穿越管段的曲率半径取1500D。牵引管为DN800钢管，管道水平长度为492m，管道中心最低标高约为4.1m，管顶最小覆土厚度为3.8m；③开化江牵引管于洪浦江桥下游15.3m处穿越开化江，管道穿越入土点设在洪浦江右岸，距离右岸防洪堤坡脚63m，出土点设在开化江左岸，距离左岸防洪堤坡脚132m。穿越管段设计采用入土角取8°，出土角取7.9°，穿越管段的曲率半径取1500D。牵引管为DN1000钢管，管道水平长度为431m，管道中心最低标高约为0.0m，管顶最小覆土厚度为3.5m。

2 牵引管穿越河道工程防洪评价计算

2.1 河床冲刷计算

牵引管对河道冲刷影响形式仍为自然冲刷，文章采用《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)推荐公式对其进行计算，水流平行于岸坡产生的冲刷可按下式计算：

(1)

水流斜冲于岸坡产生的冲刷可按下式计算：

(2)

式中：△hp这局部冲刷深度，m，从河底起算；α为水流流向与岸坡交角，°；m为防护建筑物迎水面边坡系数；d为坡脚处土壤计算粒径，cm，d=0.8cm；vj为水流局部冲刷流速，m/s。

根据地质勘察报告，管道穿越处河槽主要为砾砂，层厚0.30-3.00m，一般粒径2-20mm。经计算，各河段冲刷深度见表1，表中数据显示，表中数据显示，河道遭遇设计洪水冲刷时，牵引管顶部仍有2.68-2.98m厚覆土，管道不会出露河床，满足工程需求。

表1 牵引管河床冲刷计算成果表

2.2 堤顶沉降计算

2.2.1 地面沉降横向分布规律

牵引管的施工会扰动周围地层，改变地层原始应力、打破土体平衡状态，导致地表沉降。由于定向钻施工对地面沉降的影响不仅受施工机械、施工工艺、土层性质、地下水等条件影响，更受施工人员的素质、施工队队伍的经验控制，因此，若施工前很难对沉降进行较精确的估算，可根据相关的研究和已有工程实例对可能产生的沉降值范围进行估算。本次针对非开挖管道施工引起的地面变形，采用peck法进行估算[2-4]。

结合peck法相关假定，同时认为在管道长度上的地层损失均匀分布，且施工产生的地表沉降横向分布近似为一正态分布。横向地表沉降的预估公式及最大沉降量的计算公式为：

(3)

(4)

式中：S(x)为距离管道中心线x处的地表沉降，m；Smax为管道中心线处最大地面沉降，m；x为距管道中心线的距离，m；i为沉降槽宽度系数，m；VS定向钻单位长度地层损失，m3/m。

Peck公式中地层损失(VS)的取值对计算成果影响较大。根据统计，在采用适当技术和良好操作的正常施工条件下，地层损失VS可表示为：

VS=VlπR2

(5)

式中：Vl为单位长度地层损失占单位长度定向钻管体积的百分比，正常施工条件下，一般为0.5%-2.5%；R为定向牵引管外径，m。

Vl的取值与地质、施工条件密切相关，本次定向钻沉降计算时，考虑扩孔的影响，Vl取用5%。

2.2.2 地面沉降横向分布计算

运用Peck法对牵引管穿越河道段各河道堤顶最大沉降进行计算，结果见表2。

表2 堤顶最大沉降计算成果表

以浦阳江左岸为例，堤顶沉降横向分布见图1。

图1 浦阳江左岸堤顶沉降横向分布图

由表2及图1可知，采用牵引管穿越河道进行铺管，管道施工后，防洪堤堤顶最大沉降为5-8mm，顺堤线方向呈凹形槽分布，不均匀沉降斜率为0.02%-0.05%。

3 防洪综合评价

本工程实施后，牵引管对堤防设施的不利影响主要是防洪堤的土层沉降，主要表现在以下几个方面：

1)由于受管道施工改变了原有土层的应力分布，使得堤防安全收到一定的影响，因此在牵引管实施时，应采取必要措施，减小相关影响。

2)管道施工过程中地面沉降受很多种因素的影响，尤其与管道所处的地质条件及施工工艺密切相关，由于施工的不确定性，可能导致管道护壁失稳，使堤身土方快速流失，防洪堤受到破坏。

3)根据牵引管地基变形计算，管道施工后，防洪堤堤顶最大沉降为5-8mm，顺堤线方向呈凹形槽分布，不均匀沉降斜率为0.02%-0.05%。由于该沉降分布性质为不均匀沉陷，有可能产生垂向裂缝或水平裂缝，对堤身结构及防渗稳定不利，需予以防治和监测。

4 结 论

文章结合管网配套工程建设，对工程中有关牵引管穿河工程进行防洪影响评价，主要结论如下：

1)工程区域河道遭遇设计洪水冲刷时，牵引管顶部仍有2.68-2.98m厚覆土，管道不会出露河床，满足规范要求。

2)采用peck法对牵引管穿越河道段各河道堤顶最大沉降进行计算，结果显示防洪堤堤顶最大沉降为5-8mm，顺堤线方向呈凹形槽分布，不均匀沉降斜率为0.02%-0.05%。

3)考虑到施工过程地面沉降，以及管道引起的工后不均匀沉降，极有可能对防洪堤产生裂缝破损，建议在施工期间及工后加强监测，发现隐患应及时防治。