城市排水泵站穿越堤防对河道行洪及堤防稳定的影响评价

阮 伟，张 锴

（1.武汉市城市建设投资开发集团有限公司，湖北 武汉 430000；2.武汉临空经济区建设投资开发集团有限公司，湖北 武汉 430000）

排水泵站工程是保障城市安全、维护社会稳定的重要基础设施[1]。为提高区域排涝防灾能力，武汉市规划建设了琴断口泵站及配套排水工程。根据国家有关规定，建设穿堤、临河的排水工程设施，应不得危害堤防安全，妨碍行洪畅通[2]。为确保涉堤工程的顺利实施与防洪安全，需开展防洪影响专题研究[3-4]。本文从工程修建后对河道行洪与堤防安全稳定影响上进行计算分析，得出评价结论并提出相关措施建议。

1 工程概况

琴断口泵站及配套排水工程设计规模20 m3/s，位于武汉市汉阳区琴台大道北侧与汉江堤防保护线南侧之间，主要建设内容包括进水管道、泵站及排江压力管道、自排箱涵。压力管道排江口位于汉江汇入长江口上游约6.3 km，布置3 根DN2000 管道翻堤入江，自排箱涵（BH＝2.6 m×2.2 m）就近穿堤入江，排江管道与箱涵穿越堤防后均接入堤内新建的消力池及渠道等。工程河段离与长江汇合口较近，属典型的“两堤一江”河段，两岸筑有堤防与护岸工程，河岸土质较好，抗冲力较强，总体河势基本稳定。工程平面布置如图1 所示，管道、箱涵穿越堤防情况如图2 所示。出江管道、箱涵及相关设施开挖施工均安排在枯水期（11 月至次年4 月）间进行。

图1 工程平面布置图

图2 管道、箱涵穿越堤防截面图

2 技术路径

依据工程有关设计文件及水文等资料，建立工程河段平面二维水流数学模型，采用定床计算方法，对工程修建后河道壅水高度及影响范围，工程前后河道流速变化进行计算分析。利用堤防分析软件，分析计算工程对汉江堤防稳定安全的影响。

3 结果计算与分析

3.1 河道行洪影响

3.1.1 确定计算工况

工程处洪水和水位既受汉江来水影响，也受长江顶托影响，水位流量关系复杂。根据行洪和河势影响分析的需要，确定3 组计算工况，各工况水流条件如表1 所示。

3.1.2 壅水幅度计算分析

根据计算，工程修建前后附近河道水位变化情况如表2 所示。

表2 各工况下工程前后水位变化表

结果表明，各工况下，工程修建对河段内水位影响有限，最大壅高幅度不超过0.01 m，造成水位抬高0.001 m 以上区域在工程上游20 m 至下游25 m 范围内，表明工程的修建对河段行洪水位影响较小。

3.1.3 流速变化计算分析

根据计算，工程修建前后附近河道流速变化情况如表3 所示。

表3 各工况下工程前后流速变化表

结果表明，各工况下，工程修建对河段流场及局部流速影响均较小，流速变化主要集中在工程附近，最大变幅不超0.043 m/s，表明工程修建基本不会对河段行洪造成不利影响。

3.2 堤防安全影响

3.2.1 渗透影响计算分析

拟定2 种计算工况：工况一，堤防设计洪水位27.85 m，堤防现状断面，水位取堤内最低点高程27.00 m；工况二，堤防设计洪水位27.85 m，管道铺设回填，消力池等设施施工完成后，管道回填土不密实，回填土渗透系数降一个数量级，水位取堤内最低点高程27.00 m。根据土层物理力学试验，上覆素填土允许渗透坡降0.40。

计算结果表明，工况一下，堤内300 m 范围内，堤脚处垂直渗透坡降最大为0.020，沿程渗透坡降逐渐降低，小于允许渗透坡降，满足渗透稳定要求；工况二下，堤脚处为0.030，管道处为0.024，也满足渗透稳定要求。

3.2.2 堤坡稳定计算分析

堤坡稳定计算拟定3 种工况：工况一，设计洪水位27.85 m 背水侧堤坡稳定（正常运用）；工况二，设计洪水位27.85 m 骤降1 m 至26.85 m 临水侧堤坡稳定（正常运用）；工况三，施工无水期临水侧、背水侧堤坡稳定（非正常运用）。计算结果如表4 所示。

表4 （续）

表4 堤坡抗滑稳定安全系数计算表

工程处汉江沿河堤为1 级堤防，根据相关规范要求，1 级土堤正常运用抗滑稳定安全系数不小于1.30，非常运用时抗滑稳定安全系数不小于1.20。结果表明，工程前断面各工况下，计算得到的堤坡最小抗滑安全系数均大于规范要求允许值，满足规范要求。工程后断面，由于管道翻堤铺设时，对堤身进行开挖，各工况下，计算得到的堤坡最小抗滑安全系数较工程前有所减小，但仍小于规范要求允许值，满足规范要求。

3.2.3 岸坡稳定计算分析

堤坡稳定计算拟定2 种工况：工况一，滩顶水位22.42 m 骤降1 m 至21.42 m 时岸坡稳定（正常运用）；工况二，施工期汉江设计枯水位12.83 m 临水侧岸坡稳定（非正常运用）。

计算结果如表5 所示。

表5 岸坡抗滑稳定安全系数计算表

根据相关设计规范，1 级边坡抗滑稳定安全系数最小值正常运用时为1.30～1.25，非常运用时为1.25～1.20。结果表明，工程前、后骤降工况和施工期枯水位工况的最小抗滑安全系数均满足规范的要求。

4 结论与建议

4.1 结论

工程修建后，所在断面水位略有抬高，各计算工况下，最大壅高值0.01 m，工程上游河段水位略有降低，最大降幅约0.007 m，发生在5250 m3/s 流量下。工程造成水位抬高0.001 m 以上区域在工程上游20 m至下游25 m 范围内。各计算工况下，工程修建对河段流场及局部流速影响均较小，变化主要集中在工程局部附近，最大变幅小于0.043 m/s。表明工程修建对河段行洪基本没有不利影响。

经渗流计算，汉江沿河堤现状条件下和工程建成后，在大部分情况下，堤后各处覆盖层垂直渗透坡降小于渗透坡降允许值，满足规范要求。经抗滑稳定计算，工程前后堤坡、岸坡在各计算工况条件下，抗滑稳定安全系数均大于规范要求允许值，满足规范要求。

4.2 建议

工程共布置3 条钢管翻越汉阳沿河堤，并设有自排工程穿越堤防，施工过程中易发生坍塌、地表变形、流砂、管涌等事故，有可能对堤防局部稳定造成不利影响。为有效保障堤防的安全稳定，建议在防洪影响评价基础上开展工程段堤坡稳定专项设计。

由于施工将破坏堤防原先的护岸工程，因此施工布置时应尽量减小破坏范围。汛前及工程完工后应及时进行堤防的回填和加固，并对工程附近水域进行河床清理，及时清除临时施工设施，将施工废弃物运至河道行洪断面以外，保证河道行洪通畅。

工程出江口附近坡脚进行了抛石护岸，但仍可能会对其附近地形产生冲刷，应定期对附近地形进行监测，保障工程自身安全以及岸坡的稳定。

工程压力管道入江口位于宗关水厂取水口下游附近，施工期应注意保护水源，施工期的弃物、堆放物、生活生产排放水等应进行有效管理，减少对河水的污染破坏，确保用水安全。