塔哈综合产业园区基础设施配套工程冲刷分析

陈大为

(黑龙江省中部引嫩工程和江东灌涝区管护中心，齐齐哈尔 161006)

1 工程概况

富裕塔哈综合产业园区基础设施配套工程主要包括引水工程和退水工程两条输水线路。引水工程输水线路全线采用双管布置，线路总长9.162km；其中取水头部及泵站位于嫩江河道，嫩江取水泵站-园区水厂段输水管线埋于地下，采用钢丝网骨架聚乙烯管(SRTP)，管径DN710其中嫩江河道内泵站及管道总长4.1km，加压输水，穿越齐富堤防后输水至工业园区。退水工程输水线路总长50.612km，全线采用地下埋管方式，管材采用钢丝网骨架聚乙烯管(SRTP)，管径DN560，全线采用双管布置。退水工程输水线路穿越齐富堤防以及讷富堤防。

根据《中华人民共和国防洪法》第二十七条：“建设穿河、穿堤的取水、排水等工程设施，应当符合防洪标准、岸线规划、航运要求和其他技术要求，不得危害堤防安全，影响河势稳定、妨碍行洪畅通” 。按照《河道管理条例》和《洪水影响评价报告编制导则》的要求，应对本工程河道内修建的建筑物建设内容进行河道冲刷影响作出分析与评价。

该项目在河道范围内修建的建筑物主要有取水工程的取水头部、取水泵站和输水管线。其中取水头部位于河道主槽内，取水泵站坐落于河道滩地上，输水管线埋于地下。取水头部底板顶高程138.57m，取水井顶高程152.60m，100a一遇设计洪水位151.65m，现状河床高程142.80-143.00m；取水泵站设计流量1.16m3/s，该处地面高程为149.50m，前池底板顶高程为140.20m，建基高程139.20m；输水管线长4.1km，管线覆土深度2.31-7.24m.

2 冲刷分析计算

取水建筑物、取水泵站位于河道内，工程建成后建筑物处局部水面比降和流速加大，导致河道及滩地产生一般性冲刷；同时在构筑物附近形成复杂的水流结构，导致构筑物周围的河床出现局部冲刷。由于输水管线埋于地下，输水管线部分仅有一般冲刷。洪水冲刷过程中，上述冲刷是交织在一起的。为了便于分析和计算，假定局部冲刷是在一般冲刷完成后的基础上进行的，冲刷深度为这两种冲刷深度的叠加[1]。

根据地质勘探资料分析土壤类别为非黏性土，据此采用《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30-2015)中提供的非黏性土河床冲刷公式。

2.1 一般冲刷

1)河槽部分：

(1)

式中：hp为桥下一般冲刷后的最大水深，m；Qp为频率为P%的设计流量，m3/s；Q2为桥下河槽部分通过的设计流量，m3/s，当河槽能扩宽至全桥时取用Qp；Qc为天然状态下河槽部分设计流量，m3/s；Qt1为天然状态下桥下河滩部分设计流量，m3/s；Bc为天然状态下的河槽宽度，m；Bcg为桥长范围内的河槽宽度，m，当河槽能扩宽至全桥时取用桥孔总长度；Bz为造床流量下的河槽宽度，m，对复式河床可取平滩水位时河槽宽度；λ为设计水位下，在Bcg宽度范围内，桥墩阻水总面积与过水面积的比值；μ为桥墩水流侧向压缩系数；hcm为河槽最大水深，m；Ad为单宽流量集中系数，山前变迁、游荡、宽滩河段当Ad>1.8时，Ad值可采用1.8；Hz为造床流量下的河槽平均水深，m，对复式河床可取平滩水位时河槽平均水深。

2)滩地部分：

(2)

式中：Q1为桥下河滩部分通过的设计流量，m3/s；htm为桥下河滩最大水深，m；Htq为桥下河滩平均水深，m；Btj为河滩部分桥孔净长，m；VH1为河滩水深1m时非黏性土不冲刷流速，m/s。

表1 取水建筑物位置一般冲刷计算

表2 取水泵站位置一般冲刷计算

2.2 局部冲刷

采用简化式：

当v≤v0，

(3)

当v>>v0，

(4)

式中：hb为桥墩局部冲刷深度，m；Kξ为墩形系数；B1为桥墩计算宽度，m；hp为一般冲刷后的最大水深，m；d为河床泥沙平均粒径，mm；Kη1为河床颗粒影响系数；V为一般冲刷后墩前行近流速，m/s；V0为河床泥沙启动流速，m/s；V0′为墩前泥沙起冲流速，m/s；n1为指数。

该项目取水建筑物建成后，由于水位、流速的变化，在取水头部附近有一般冲刷和局部冲刷，根据分析计算，50a一遇洪水时，取水建筑物附近一般冲刷深度为1.691m，局部冲刷深度为1.825m，总冲刷深度3.516m；100a一遇洪水时，取水建筑物附近一般冲刷深度为1.778m，局部冲刷深度为2.326m，总冲刷深度4.105m。取水建筑物底板顶高程为139.67m，河道地面高程143m，埋深4.33m满足根据公式计算出来的冲刷深度数值，工程安全，同时在取水建筑物周边20m铺设0.5m厚的格宾石笼，进一步保证了取水建筑物的安全。取水建筑物局部冲刷及总冲刷计算成果见表3[2]。

根据分析计算，50a一遇洪水时，取水泵站附近一般冲刷深度为0.567m，局部冲刷深度为1.489m，总冲刷深度2.056m；100a一遇洪水时，取水建筑物附近一般冲刷深度为1.375m，局部冲刷深度为1.865m，总冲刷深度3.241m。取水泵站底板顶高程为140.20m，河道地面高程149.5m，泵站埋深9.3m，可以保证泵站的安全。取水泵站局部冲刷及总冲刷计算成果见表4。

表3 取水建筑物位置局部深度及总冲刷深度计算

表4 取水泵站位置局部深度及总冲刷深度计算

3 结 论

在河道内建设工程直接对水流形成阻碍，改变了水流条件，缩窄了水流断面面积，从而增大了水的流速，很容易对工程形成冲刷，因此为了建设项目的工程安全，有必要通过冲刷计算来确定工程措施的具体内容。该工程在河道内建设的取水建筑物、取水泵站设计结构满足技术要求。该项目的冲刷计算过程及对不同标准下的冲刷结果的分析，可以为今后河道内建设的其它工程安全分析方面提供参考。