南水北调中线工程穿越小洪河顶管工程设计

2022-09-24梅世安

河南水利与南水北调 2022年8期

梅世安

（固始水利建设投资开发有限公司，河南固始县 465200）

1 工程概况

某市南水北调中线工程输水线路沿途穿越河流、沟渠20处，穿越长度3 308 m，其中流域面积大于20 km2以上的河流6条7 处，穿越长度1 413 m，施工采用直接开挖倒虹吸穿越，其中小洪河和重要干支渠采用顶管穿越。

小洪河是洪汝河流域的主要支流，发源于河南省舞钢市伏牛山区，干流长251 km，流域面积4 287 km2，工程管线与小洪河交叉于淤泥河入小洪河口五沟营上游约9.50 km 处，桩号K16+180.00，上游控制流域面积1 035 km2。河道20 年一遇设计洪水流量为350 m3/s，设计洪水位为56.88 m。

2 穿越河（渠）工程布置原则

根据穿越工程布置原则：管线穿越河流、沟渠、公路、铁路时尽量正交。某市南水北调中线工程管道穿越河流设计有两种形式，即从河底线以下穿越和从河面线以上跨越。对于管线穿越较大河流的，要从技术、经济、安全、施工等方面进行综合分析比较，以确定最佳穿越方案。

根据工程穿越需要，当管道从河底线以下穿越时，在满足防冲、抗浮前提下，埋设深度一定要满足设计要求，即在一般冲刷线以下0.50 m 或河底线以下1 m（两者取大值）；若现场情况不能满足时，必须采取相应措施对管身进行保护或加固设计。

当管道从河面线以上跨越时，采用渡槽或架空管道，对有航运要求的河流应满足航运要求；当利用已有或拟建桥梁敷设管道时，要征得相关部门的同意，并核算地基承载力是否满足要求。

3 穿越河（渠）布置分析

南水北调中线工程输水线路沿途穿越小洪河和重要干支渠采用顶管穿越，穿越河统计见表1。

表1 某市南水北调中线工程输水线路穿越河渠统计表

4 穿越小洪河顶管设计分析

穿越方案采用DN2000DIP 管外套钢筋混凝土管防护，防护套管采用顶进法施工，顶管起点桩号K15+885.72，终点桩号K16+215.72，顶管长度330 m，顶管进口距小洪河左堤99.76 m，出口距右堤58 m，顶管管道距离河底最小深度为6 m，距路面约12 m。

顶管采用《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》中柔性接头C 型钢承口管，顶管管道为DN2600 钢筋混凝土Ⅲ级管，壁厚235 mm，允许用顶力不超过该规范附录A 规定的12 300 kN。管体混凝土强度等级不宜低于C50，抗渗等级不应低于S8。顶管内套DN2000DIP 管，球管壁厚20 mm，设计内水压力为1.40 MPa，球磨铸铁管与套管之间采用同轴不同圆心结构形式，管道间孔隙采用C15 自密实混凝土填充，填充高度为球管管顶高程，管道进出口设工作井和接收井。

小洪河顶管工作井处地面高程57.30 m，井顶高程55.80 m，底板下底面标高41.80 m，井深大于10 m，为深工作井，内空尺寸为8.00 m×11.50 m，工作井井壁、底板及顶盖梁板混凝土强度为C25，井壁厚0.70 m，底板厚0.60 m。工作井采用沉井法施工，下沉时可采取泥浆助沉措施。工作井的平面尺寸取决于管径和管节的长度、顶管掘进机的类型、派土方式、操作工具以及后座墙等因素，可以根据最终确定的工艺进行适当调整。接收井内空尺寸为6.00 m×5.50 m，工作井井壁、底板及顶盖梁板混凝土强度为C25，井壁厚0.70 m，底板厚0.60 m。工作井及接收井在顶管施工完毕后兼做检修阀井。

5 穿越小洪河顶管允许最大顶力计算

管道穿越河道工程在非汛期施工，小洪河河道相对较大，施工期相应较长，非汛期采用11 月至次年4 月，其余河道相对较小，非汛期采用12 月至次年2 月、11 月至次年4 月2 个施工期，分别计算设计洪水。根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246-2008）8.1.1，钢筋混凝土管顶管传力面允许最大顶力可按下式计算：

式中：Fdc—混凝土管道允许顶力设计值（N）；Φ1—混凝土材料受压强度折减系数，取0.90；Φ2—偏心受压强度提高系数，取1.05；Φ3—材料脆性系数，取0.85；Φ5—混凝土强度标准调整系数，取0.79；fc—混凝土受压强度设计值（N/mm2），C50 混凝土为23.50 N/mm2；rQd—顶力分项系数，取1.30；Ap—管道的最小有效传力面积（mm2）。

根据计算，钢筋混凝土管顶管传力面允许最大顶力Fdc=0.50×0.90×1.05× 0.85/1.30/0.79×23.50×1.75×106=16 083 kN。同时，根据《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》附录A，DN2600柔性钢承口管许用顶力为12 300 kN。最终取上述二者的小值12 300 kN 为管材允许顶力。

顶管的总顶力与施工的情况直接相关，因此某市南水北调中线工程设计未对总顶力进行计算，施工单位施工前应根据以往施工经验对总顶力进行估算，以供施工机械选取。当总顶力超过管材允许顶力时，应设置中继间。当设置一道中继间不能满足时，再增设若干中继间，直至满足总顶力要求为止。

6 小洪河与工程管线交叉穿越设计

南水北调中线工程管线与小洪河交叉于淤泥河入小洪河口五沟营上游约9.50 km 处，五沟营为小洪河控制断面，控制流域面积1 564 km2，区间除淤泥河汇流外某市南水北调中线工程无支流汇入，因此，下游五沟营控制流域面积减去淤泥河529 km2后，即可作为交叉断面处控制流域面积，即上游控制流域面积1 035 km2。

小洪河与管线交叉处位于桂李节制闸下游，杨庄至小洪河与管线交叉处河段无支流加入，根据以上调度方案分析，管线交叉处洪峰流量根据杨庄以上设计洪水过程线按杨庄滞洪区控制运用办法经调洪演算求得下泄洪峰流量。5-50 年一遇以下洪水时杨庄滞洪区泄洪闸最大下泄650 m3/s，当桂李水位达到63 m 时，至桂李闸向老王坡滞洪区分洪300 m3/s，桂李以下河道下泄350 m3/s。由此可知，交叉断面5-50 年一遇时河道洪峰流量均为350 m3/s，洪水位采用曼宁公式计算，根据河道形态，河床组成等特征参考《天然河道糙率表》，小洪河河道糙率取值为0.03。