水库输水工程过河段防护工程设计

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［摘要］针对输水管道与河流交叉段防护工程关键技术问题，结合国内类似情况穿河防护措施，提出了连续桩墙、格宾石笼铺盖及下游出口处预制六棱体相结合的综合防护体系，对管道过河段进行全断面保护。实践证明，该防护措施安全可靠，经济合理，对其他同类工程有借鉴意义。

［关键词］综合防护；连续桩墙；格宾石笼；预制六棱体

1工程背景

大伙房水库输水工程是解决辽宁中南部沈阳、大连、鞍山、抚顺、营口、辽阳、盘锦7城市工业和1400余万居民生活用水的战略性工程。该工程包括从辽宁东部地区向大伙房水库输水的一期工程和从大伙房水库向下游7城市供水的二期工程，输供水线路总长413km，输水隧洞114.42km，输水管道574.02km，2003年6月开工建设，2010年11月建成供水,现阶段设计年供水11.66亿m3，工程综合效益显著发挥。大伙房水库输水二期工程在辽宁省辽阳市辽阳县境内穿越太子河干流，太子河是辽宁境内较大河流，全长363km，流域面积13493km2，流经本溪县、本溪市区、辽阳市区、灯塔市、辽阳县、海城市等市县，在海城市西四镇八家子村入浑河，近年来，太子河干流洪水发生较为频繁，量级相对较大，根据辽阳水文站洪峰流量统计情况，2005年，洪峰流量达7770m3/s；2010年，洪峰流量达6639m3/s；2012年，洪峰流量达2200m3/s，洪水对大伙房输水管线安全造成了较大影响，加之前期河道采砂问题十分突出，输水管线穿越太子河下游河段河道下切明显，河床高程整体下降达5m以上，管线最大出露长度达35m，严重威胁输水管线工程安全。因此，实施输水管线过河段综合防护工程不仅能够有效保护重点输水工程安全，且确保社会正常运行发展，间接上还能对两岸防洪安全、重要跨河设施、区域生态环境以及国土安全等都有诸多益处，工程建设十分必要。

2工程防护方案选择

输水管线过河段防护工程的主要目的是保护管线埋深，使管线抗浮、抗冻等指标满足设计要求，保证管线正常运行。目前国内常见的防护措施主要有，一是在过河工程下游修建壅水拦沙坝，通过人为制造壅水来减缓流速，减少水土流失，但该种措施受地质等条件影响较大且会造成河道壅水，不适用本工程；二是在工程过河处单纯敷设格宾石笼防护，此方案多应用于河床不下切河道；三是在工程过河处敷设格宾石笼加下游布设防冲槽方案，此方案缺点是当上游来流较大时，防冲槽内抛石容易流失，增加工程维护复杂性。四是在河道中敷设全断面混凝土面板，此方案防护效果较好，但混凝土面板属于刚性防护，由于不均匀沉降等因素，面板极易碎化开裂被水流裹挟带走，造成防护失效。鉴于大伙房水库输水工程重要性，综合考虑过河段水文地质、地形地貌及下游采砂情况等多项因素，采用上述任何单一保护方案都难以起到有效保护作用，因此最终在设计中选取连续桩墙、格宾石笼铺盖及下游出口处的预制六棱体相结合的综合防护方案。该方案中格宾石笼属于柔性防护结构，适应地形变化能力较强，配合土工布使用，在水平面形成有效防护体，保护管线安全；连续桩墙强度较高，能够有效发挥抗剪作用，在垂直面挡住河床沙土流失；在河道下游布设预制混凝土六棱体，因其自重大，稳定性好，满足大流量过流稳定要求，即使因底部失稳，发生倾倒，也多为向上游倾倒，不会发生流失现象。水流流经六棱体时，流速减缓，还能够起到一定促淤作用。同时，从工程施工及造价方面考虑，本方案施工影响范围小，施工干扰少，难度较低，其直接工程投资也较低。

3综合防护工程设计

3.1过河段河道概况

本区地貌单元为太子河冲积低-高漫滩，地形较平坦，地势开阔。输水管道穿越位置河道宽度1863m，右滩宽约260m，左滩宽约1100m，主槽宽约503m。其中枯水主槽宽约303m，距右侧岸坡约200m，与左侧岸坡相接。枯水主槽最深河底高程为9.5m，枯水主槽左侧至岸坡段平均高程11.17m，枯水主槽右侧至岸坡段平均高程为13.8m。

3.2工程等级和标准

大伙房水库输水工程的工程等别为I等，穿河管线为主要输水建筑物，建筑物级别为1级。综合防护工程是输水管线的保护工程，其中连续防护桩墙维修困难，是管道防护工程的主要结构，按1级建筑物设计；其余建筑物属次要建筑物，根据SL252-2017第4.7.1条确定建筑物级别为3级。主要建筑物防洪标准：设计50年一遇，校核200年一遇。防护建筑物合理使用年限为50年，混凝土最低强度等级为C25，抗冻等级为F200。

3.3综合防护工程整体布置

输水工程穿越太子河段共4根管道，前期建设中分二步实施，其中一步工程为两根DN2500钢管，两管中心线间距13.0m，过河段钢管外防腐为环氧煤沥青，穿河处输水管中心设计高程分别为A线6.1m、B线5.49m。二步工程为两根DN3200钢管，两管中心线间距15.0m，过河段钢管外防腐为融结环氧粉末，二步管中心主河床处设计高程分别为A线0.97m、B线0.97m。本次防护工程设计是在原一步管道防护措施基础上，对一、二步穿河管道的防护措施统一考虑，形成一个由连续桩墙、格宾石笼铺盖及下游出口处的预制六棱体组成综合防护体系，对管道穿河段进行护底和护岸的全断面保护，工程整体布置如下图所示：

3.4护底连续桩墙工程

连续桩墙由灌注桩和旋喷桩交错布置，为避免管道埋设段河床进一步下切，主河床段护底连续桩墙至岸坡段进行封闭，并根据河势演变分析，连续桩墙向两岸滩地各延伸50m。为防止河道行洪时管道上岸段边坡连续坍塌，在管道进入岸坡处的河道处增加锁口连续桩墙，左岸锁口桩墙长38m，右岸锁口桩墙长62m。灌注桩桩体强度等级C30F200，旋喷桩桩体抗压强度不小于1.5MPa。桩深为19.2m。灌注桩与旋喷桩轴线间距0.2m，旋喷桩布置在灌注桩的河道上游侧。连续桩墙按排桩计算悬臂长度，不考虑旋喷桩受力，采用《理正深基坑支护设计软件》进行计算。灌注桩嵌固深度按《建筑基坑支护技术规程》悬臂式支护结构计算嵌固深度值，经计算桩体悬臂6.0m时，桩深嵌固深度不小于13.2m。旋喷桩布置在相邻灌注桩之间，每空2根，主要作用是封闭灌注桩间的空隙，与灌注桩交替布置形成连续桩墙挡土，旋喷桩承担的水平土压力作用于临近的灌注桩，因此旋喷桩嵌固深度不考虑抗倾，本工程旋喷桩长按2倍悬空段长考虑为12m。

3.5护底石笼工程

护底石笼工程沿主河床全断面布设，石笼厚桩墙上游0.8m、桩墙下游0.5m厚，与已建的石笼铺盖平顺衔接。石笼下设碎石垫层（300mm厚）和土工布（350g/m2），土工布的等效孔径O95不大于0.5Cud85≈0.12mm。单片石笼平面尺寸4.0m×1.0m（长×宽），网片间绑扎连接，石笼与灌注桩顶预留埋筋绑扎连接。一步管侧顺河方向上游石笼长23m，下游石笼长70m，一、二步管道间连接石笼铺盖宽约22m，新增石笼顺水流方向总长约128m。石笼工程使用年限按50年考虑，格宾网丝选用抗腐蚀性高的锌-5%铝稀土合金镀层钢丝，钢丝抗拉强度不得低于350MPa，石笼网孔名义尺寸80mm×100mm，网面钢丝直径不得小于3.0mm，边丝直径不得小于3.5mm，绑丝直径不得小于2.5mm。按CECS456-2016要求，石笼网采用II级镀层钢丝，网丝和绑丝镀层质量不小于275g/m2，最小厚度不小于30μm；边丝镀层质量不小于320g/m2，最小厚度不小于32μm。

3.6石笼铺盖下游布设预制六棱体

为减小河床下切对上游铺盖工程的危害，在河道下游石笼出口位置布设2排C25F150预制混凝土六棱体，交错布置。六棱体边长3.0m，每角截去边长0.4m的锥体，成品预制棱体实际边长2.2m，单块重量约7.72t，间距2.47m，排距1.83m。

4防护工程运行效果

本工程于2018年3月开工，2018年10月完成工程建设，经过两个汛期，最大500m3/s流量的冲刷检验，综合防护工程总体稳定，监测资料显示，格宾石笼15个监测点第一年下沉量在4—16cm之间，平均下沉量为9cm，第二年下沉量在2—3cm之间，均在设计容许范围之内。连续桩墙下沉量均在1cm以内，预制六棱体个别向上游倾倒，无流失现象。河床及边坡未发生较大位移，河床高程未有较大变化。连续桩墙、石笼防护层与下游防冲六棱体一起构成了穿越太子河段管线的坚固防线，对输水管线的安全运行起到重要防护作用，效益发挥明显，达到了预期效果。同时本工程建成后，规整了河道，改善了河床水利条件，起到了拦沙固土的作用，下游河床已开始回於，在改善和保护生态环境方面也产生起到了显著效益。

5结论及建议

受河道采砂、行洪等因素影响，长距离输水工程穿河管线常因河床下切而出露，造成管道的埋深、抗浮、抗冻均不能满足正常运行要求，且随着河床冲刷的不断发展，管道穿河部位若不加以防护，有极大的可能引起停水事故，造成重大经济损失和社会影响。本工程参考了结合国内类似情况的穿河防护措施，提出主河床全断面铺盖防护措施，工程采用连续桩墙拦河防护，并向两岸延伸一定距离，避免水流绕岸破坏，河床表面采用格宾石笼柔性结构铺盖防冲，避免穿河管道位置的河床继续下切，下游布设预制六棱体发挥了明显的抗冲促淤作用。通过实践证明，该方案能够有效解决采砂河段输水管道工程的运行安全，同时，该设计方案施工线路短，难度较低，征占地范围少，对环境影响较小，有利于节约资金，为国内其他工程提供借鉴。

作者：夏在森 单位：辽宁省水资源管理集团有限责任公司