生态补水管线下穿石马河防洪评价

2022-05-05黄祖荣

水利技术监督 2022年5期

黄祖荣

(东莞市运河治理中心，广东东莞 523000)

1 概述

为改善区域河涌水环境及水质状况，逐步消除内河涌黑臭现象，全面推进河涌水环境综合治理，对区域社会可持续发展具有重要意义[1]。位于东莞市的常平环保专业基地污水经处理达标后，约1.4万m3/d尾水排入常平东部污水处理厂。近几年，随着常平镇截污管网工程的建设，现状污水处理厂处理压力日趋饱和。通过建设专管工程，将达标尾水外排至木茶湖水道进行生态补水，不仅可提升木茶湖水质，亦可削减污水厂的处理压力。

生态补水专管工程敷设路线为：沿基底园区围墙外敷设至常谢路，之后沿村内支路敷设至石马河南岸，采用定向钻法施工穿越石马河后，最终敷管至木茶湖水(管道布设如图1所示)。工程设计压力管道总长约5.2km，管径De630，管材为聚乙烯(PE)给水管。由于设计管线采用水平定向钻法穿越石马河，可能会对两岸堤防的渗透稳定和抗滑稳定产生一定的影响。根据《中华人民共和国防洪法》《中华人民共和国河道管理条例》等有关规定，须对拟建管线越河进行防洪影响评价。

图1 生态补水专管路线图

2 防洪评价准备

2.1 技术路线和工作内容

根据石马河的水动力特点，研究技术路线为：在收集现有技术资料的基础上，采用现场实地查看、资料整理收集和分析、经验公式法等多种技术手段，分析工程所在河道的河床演变情况，科学地评价拟建工程对石马河河势稳定的影响；主要工作内容为：分析穿越工程方案及特点，对穿越位置进行水文成果复核分析、堤防渗流和稳定、抗冲刷计算等，结合计算结果综合评价拟建工程对河势稳定、河道行洪、堤防安全、防汛抢险、第三方合法水事权益等的影响。

2.2 管线穿越方案分析

工程采用定向钻法施工穿越石马河，穿越段管长约322m，桩号为K1+851～K2+173，管径为De630，双管(两管间距为2m)水平平行敷设，穿河管段剖面如图2所示。河床现状底高程为1.35m，根据设计方案，该处穿河管管顶高程为-3.94m，管顶至河床的最小覆土厚度为5.29m。根据工程地质勘察报告等资料，穿越河段揭露地层主要为粉质黏土、强风化粉砂岩、中风化粉砂岩等，拟建管道主要穿越粉砂岩层，穿越处地质条件较好，无须进行地基处理。工程定向钻穿越需建设两个工作井(始发井和接收井，位于河道管理范围以外)，均采用钢筋混凝土结构，工作井尺寸为长4.55m、宽2.5m、深2.88～4.70m。穿越管段采用水平定向钻法施工，入土点选择始发井沿管道延伸方向的反向30m处，出土点选择接收井沿管道延伸方向30m处。钻孔轨迹设计如下：

图2 穿河管段剖面示意图(单位：mm)

(1)出入土角：根据相关规范要求，项目采用地面始钻式，入土角和出土角应为8°～20°，计算所得的出土角和入土角均为8.3°，符合要求。

(2)管道轴向曲率半径：因为牵引管是作为排水管道使用的，管道由起点向终点方向具有一定的纵向坡度，不能出现弯曲情况，因此管道轴向曲率半径为∞。

(3)终孔孔径、扩孔次数：拖拉管道直径为630mm，成孔直径控制在管道外径的1.2～1.5倍，终孔直径确定为800mm。钻进钻头直径为40cm，初次成孔直径为40cm，根据扩孔钻头比孔洞大1.2～1.5倍的原则，选取直径600cm的钻头进行第1次扩孔，再选取直径800cm的钻头进行二次扩孔至成孔尺寸。

(4)定位导向系统：采用DCI公司生产的ECLIPSE无线地下定位系统，该系统包括地面接收器及遥显，地面接收器通过接收钻头内无线探棒发射的信号，探测钻头的具体位置；遥显上显示钻头钟面值及温度接收器探测的钻头深度[2]。钻机操作人员根据接收器探测结果，对钻头轨迹进行动态纠偏调整，确保钻头沿设计轨迹钻进。

2.3 河道演变分析

河床演变的实质是河床的垂直与水平的移动，以及河床形态的变化，水流对河床的作用是河床演变的基础[3]。河床上垂直方向的变形主要表现为冲刷或淤积，在水平方向上的移动则表现为河岸的侵蚀[4-5]。由于人类对河岸的整治活动，河道横向变形基本被限制，仅在垂直方向上变形，即表现为冲刷或淤积。工程位置处现状河宽为110m，目前石马河正在进行全流域的综合整治，远期拟建工程处河道需扩宽50～60m，因此河道未来演变方向存在向右拓宽的趋势。当工程处河道扩宽后，流速变慢，一段时间内拟建工程处河道的淤积趋势会有所增强，但最终会达到冲淤平衡状态。因此工程建设不会对所在河段整体冲淤变化造成影响。

3 防洪评价计算

3.1 水文分析计算

3.1.1基本资料

石马河是东江下游的一级支流，位于东莞市东部，主流发源于深圳市大脑壳山，流向为自南向北，形状狭长，河流较弯曲。石马河河道左岸堤防为东莞大堤，规划防洪标准为100年一遇；右岸堤防为石马河常平段堤防，规划防洪标准为50年一遇，现状未达标。石马河流域属亚热带季风气候区，特点是气候温和，季风明显，雨量充沛，湿度较大，日照充足，温差幅小，无霜期长，多年平均气温在21～22.2℃。石马河流域暴雨成因有锋面、低压槽、低压、低涡、低空急流及热带风暴(台风)等，具有次数多、强度大、持续时间长、笼罩范围大的特点。每年绝大部分雨量集中在4—10月份，占全年降雨量的89%，由于雨量时空分配极不均匀，易引起洪涝灾害。

3.1.2设计洪水

结合相关资料，石马河流域设计洪水成果见表1，满足规划要求。拟建工程位于第六段，50年一遇的洪峰流量为2801m3/s；100年一遇洪峰流量为3240m3/s。拟建工程位于司马大桥下游约810m，50年一遇规划水位为13.46m，100年一遇规划水位为14.09m。

表1 石马河干流设计洪水成果汇总表

3.2 堤防渗流分析及计算

渗流计算选取生态补水管穿越工程轴线中部实测横断面，运用理正软件中的渗流分析模块，采用二维有限单元法将渗流场离散成有限个单元体，根据边界水头值，按渗流有限元基本计算方程求得各点水头值，进而求得整个渗流场的水头分布[6]。穿越管段左岸东莞大堤水力边界条件选取临水侧100年一遇洪水位，右岸潼湖围由于现状堤防仍未达标，根据现状情况水力边界选取临水侧10年一遇洪水位，而背水侧均为无水条件时的水位组合。经过计算比较工程建设前、后两岸堤防渗透的稳定性变化，左、右岸堤防在各工况下渗流计算成果见表2。计算表明：左、右岸工程建设前后浸润线位置变化不大，计算最大渗透坡降均小于允许渗透坡降，工程建设对两岸堤防渗流场影响较小，不会造成堤基的渗透破坏，工程运行期能够满足规范要求。

表2 左、右岸堤防渗流计算成果表

3.3 堤防抗滑稳定分析及计算

堤防整体抗滑稳定计算断面与渗流计算选取的断面相同，边坡稳定计算采用瑞典圆弧法，计算模型依据理正软件里的边坡稳定分析模块。计算工况如下：①100年、10年一遇设计洪水位下，堤坡形成稳定渗流后的临、背水侧堤坡；②100年、10年一遇设计洪水位骤降至常水位，堤坡形成稳定渗流后的临水侧堤坡。根据石马河洪水特性，洪水过程一般为1天，常水位采用8.46m；③100年、10年一遇设计洪水位下，施工期堤坡形成稳定渗流后的临、背水侧堤坡；④枯水期水位下，堤坡形成稳定渗流后的临水侧堤坡，枯水期水位取6.40m；⑤100年、10年一遇设计洪水位骤降至常水位，施工期堤坡形成稳定渗流后的临水侧堤坡。根据计算结果，拟建工程施工前后，抗滑稳定安全系数无明显变化，均大于规范规定的允许安全系数，满足GB 50286—2013《堤防工程设计规范》要求。

3.4 冲刷计算

由于穿越管线沿河床底敷设，没有占用石马河行洪断面，因此只对穿越处河槽进行最大冲刷深度计算，从而判断管道埋深是否安全。根据地质勘察资料，拟建工程穿越处河床地层主要为黏土层，故采用DB44/T 1661—2015《河道管理范围内建设项目技术规程》推荐的黏性土一般冲刷经验公式计算。经分析，50年一遇工况下河道一般冲刷深度为1.06m，冲止流速为2.34m/s；100年一遇工况下河道一般冲刷深度为1.01m，冲止流速为2.40m/s。由于穿越管道管顶至河床的最小覆土厚度为5.29m，可见规划管道埋深满足设计要求，河道冲刷不会对管道安全造成不利影响。

4 防洪综合评价

4.1 对河势稳定的影响分析

拟建工程管道布设在河床以下并具有一定埋深，同时管线水平定向钻穿越施工方法具有不开挖地面、不破坏地层结构、不损坏河堤、不扰动河床、施工周期短、施工占地少等特点，管道不会出露河床，不占用河道行洪面积，对河道行洪不产生阻水作用，无壅高行洪水位的影响；同时不改变河道水流边界条件，对河床冲淤变化影响不大。因此，拟建工程对所在河道的河势稳定无明显影响。

4.2 对现有堤防、护岸和其他水利工程及设施的影响分析

根据上述计算成果，拟建工程建成后对两岸堤防的渗流、抗滑稳定影响较小，工程前后安全系数均大于规范规定的允许安全系数，满足相关规范要求。因此，工程对堤防的结构安全基本不会产生明显的不利影响。工程始发井和接收井均布置在河道管理范围以外，而且设计采用防水井盖、防水砂浆、防水涂料等措施，对两岸堤防的渗流影响较小。拟建管道穿河断面上游约1km处左岸有司马联围泵站，但距离较远，工程建设不会对其产生影响。

4.3 对防汛抢险的影响分析

根据GB 50286—2013规定，跨堤建筑物、构筑物与堤顶之间的净空高度，应满足堤防交通、防汛抢险、管理维修等方面的要求。为保证防洪通道的畅通，防洪堤顶的净空应能满足防汛抢险的需求。拟建管道从河床底部穿越，穿越处左、右两岸场地平坦开阔，不占用堤防防汛抢险通道，对通道净宽无影响。因此，拟建工程不会对两岸的防汛抢险造成不利影响。