郑晓阳，张飞跃， 鲍 捷
（1.中国南水北调集团中线有限公司河南分公司，河南 郑州 450018；
2.西安理工大学，陕西 西安，710048；
3.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450018）
北汝河渠道倒虹吸工程总长1482 m，由进口渐变段、进口检修闸、管身段、出口节制闸和出口渐变段和退水闸组成。渠倒虹总长1282 m，管身水平投影总长1143 m。渠段起点设计水位128.761 m，终点水位128.254 m，总设计水头为0.507 m。倒虹吸水平管身段采用河床部分回填砂卵石，相对密度不小于0.75，其余部分回填开挖料，相对密度不小于0.72。从右岸向左岸依次成阶梯型回填，高程逐渐增高。
北汝河处于温带季风气候区。年降水量一般为650 mm～950 mm，由西南向东北递减，多年平均雨量为800 mm。年内分配极不均匀，大多集中在7 月、8 月，占全年降雨量的67%，汛期降雨往往集中为一场或几场暴雨。年际间降雨变化极大，最大和最小年降水量相差6.5 倍。最大年径流量为最小年径流量的12 倍。根据北汝河交叉断面设计洪水报告提供的数据，交叉断面天然河道设计洪水成果见表1。
表1 交叉断面天然河道设计洪水成果表
3.1 水毁情况分析
2021年汛期北汝河倒虹吸经历20 次降雨，其中小雨9次、中雨6 次、大雨3 次、暴雨及以上2 次，范围较大的强降雨经历了三轮，分别为7 月17 日至22 日，8 月22 日至23 日，9月18 日至20 日。其中北汝河倒虹吸交叉断面在7 月20 日18 时出现洪峰，洪峰最大流量约1800 m3／s。洪峰过后，交叉断面主河道淘刷较明显。
该处原设计管顶覆土顶高程为114.0 m，主河槽处管顶高程约109.66 m，覆土厚度约4.3 m。目前管顶主河槽高程已降低至112.8 m，比原设计高程下切了1.2 m。顶部覆土厚度剩余约3.14 m。根据河道现状，河道下游砂坑较多，工程保护范围内现状河底高程110.6 m，主河槽河底高程106.6 m，河道比降1／500，经过河道洪水冲刷自然变化后，推断管身处可能的主河槽底高程约为110.6 m，覆土厚度仅剩0.94 m。故有必要进行应急防护。
3.2 冲刷深度判断分析
结合目前现状，对该渠段按照20 年、100 年、300 年一遇洪水计算其冲刷深度，计算过程如下，计算结果见表2 各工况冲刷深度。
表2 各工况冲刷深度
通过查阅地质勘察报告，交叉断面处河床表层为砂卵石，厚度4.5 m～7 m，其下为砾岩和粘土岩。工程建成后，管顶以上以砂卵石回填，因此一般冲刷深度按非粘性土公式计算。
式中：Hp为一般冲刷后的最大水深，m；
QC为河槽部分通过的设计流量，m3／s；
BC为河槽部分桥孔过水净宽，m；
hmC为河槽最大水深，m；
hm为河槽平均水深，m；
A 为单宽流量集中系数；
Bd、H 为流量时的河宽和平均水深，可按平滩水位计算；
E 为与汛期含沙量有关的系数；
dc为河槽土平均粒径，mm。
根据计算结果，最小冲刷深度为2.094 m，最大冲刷深度为3.577 m。目前管道上覆土厚度仅剩余3.14 m，若发生300 年一遇洪水时，倒虹吸管身顶部将无覆土，管身暴露在外极易受到损害影响供水安全，因此防洪加固是必要的。
3.3 管身抗浮稳定判断分析
若现状管顶覆土厚度3.14 m，发生300 年一遇洪水时，倒虹吸管身顶部将无覆土，在此情况下，若倒虹吸管身进行检修，对其进行抗浮稳定计算，抗浮稳定系数为1.035＆lt;1.05，不满足规范要求。
由计算结果（见表3）可知，20 年一遇和100 年一遇洪水时，管顶无覆土时，管身抗浮安全系数不能满足规范要求的1.05，当管顶覆土厚度为0.5 m 时，满足规范要求，既管顶至少有4.1 m 覆土厚度，各工况下抗浮稳定系数才能满足规范要求。
表3 各工况水平管身抗浮计算结果
因此，进行防洪加固是必要的。
3.4 南水北调供水重要性
2014 年南水北调工程全面建成通水后，南水北调东、中线一期工程已经成为北京、天津等40 多座大中城市，280 多个县市区，1.4 亿多人不可或缺的主要水源，甚至是唯一水源。中线一期工程去年调水突破90 亿m3，创历史新高。目前，南水已经占北京市城区供水75%以上，天津市城区供水近100%，郑州市中心城区供水90%以上，南水北调工程效益不断彰显，重要性日益提升。
综上所述，北汝河渠道倒虹吸工程作为中线一期工程的重要组成部分，其重要性无可替代，其安全性需保障，对其进行安全防洪加固非常必要。
4.1 格宾石笼+钢筋混凝土防护
本方案主要采取水平防护，将管身一定范围内采取硬质防护护底，并适当增加垂直防护措施。根据《北汝河渠道倒虹吸河工动床模型试验研究》中试验结果，工程后，20 年一遇洪水时，河道最大流速为3.76 m／s；
100 年一遇洪水时，河道最大流速为4.11 m／s；
300 年一遇洪水时，河道最大流速为4.44 m／s。
鉴于工程后，北汝河河道的流速不大，同时考虑经济性、适应性和耐久性，水平防护采用格宾石笼+钢筋混凝土护底相结合的型式，见图1。格宾石笼可以很好地适应基础变形，钢筋混凝土护底可以起到很好的防冲作用，增加安全性和耐久性。
图1 格宾石笼+钢筋混凝土防护示意图
4.2 地连墙防护
本方案采用以垂直防护为主，适当增加部分水平防护的原则。
工程布置:主河槽水平管身段上、下游30 m 范围内采用砂卵石回填至113.5 m，相对密度0.72，上下游按1∶20 坡比整治。距管身轴线130 m 下游处设置C25 钢筋混凝土地连墙，墙厚 0.8 m，墙底高程101.2 m～103.8 m，墙顶高程114.8 m～113.2 m。地连墙平行于管身轴线，长度316 m。地连墙下游主河槽设置5 m 格宾石笼，厚度1.0 m，顶高程112.60 m。上下游河道按1∶20 整治顺接。
主河槽水平管身段上、下游30 m 范围内采用砂卵石回填至113.5 m，相对密度0.72，上下游按1∶20 坡比回填，回填砂卵石最小粒径不小于5 cm。距管身轴线130 m 下游处设置C25 钢筋混凝土地连墙，墙厚0.8 m，墙底高程101.2 m～103.8 m，墙顶高程114.8 m～113.2 m。地连墙平行于管身轴线，长度316 m。地连墙下游设置5 m 格宾石笼，厚度1.0 m，顶高程112.60 m。上下游河道按1∶20 整治顺接。见图2。
图2 地连墙防护示意图
4.3 方案对比分析
4.3.1 投资分析
方案一主体投资约为1108 万元，方案二主体投资约为1032 万元，方案二较方案一投资减少了77 万元，更为经济。
4.3.2 施工周期、耐久性及复杂性分析
方案一施工工艺简单，技术难度小，但施工工期相对较长，导流及降排水费用相对较多，河道继续下切有可能对防护结构产生影响。
方案二施工工艺相对复杂，但不需要大面积明挖，对周边环境影响相对较小，后期河道继续下切，不会对管顶覆土产生较大影响。钢筋混凝土地连墙相对于格宾石笼不容易损坏，在上、下游存在一定高差的情况下，可以有效防护上游河道冲刷，耐久性好，能够更好地保护倒虹吸管身安全。
综合以上的分析，宜选用地连墙防护。
4.4 地连墙设计方案
地连墙的设计防护深度需根据下游河床冲刷计算确定。下游河床交叉断面处河床表层为砂卵石，厚度4.5 m～7 m，其下为砾岩和粘土岩。工程建成后，管顶以上以砂卵石回填，下游河床根据冲刷计算确定，冲刷最大深度为3.57 m，即冲刷坑底高程约为110.00 m。同时考虑下游冲刷一定深度后，墙后形成垂直跌水，进一步扩大冲刷深度，计算墙下游河槽底高程取109.60 m。
4.4.1 抗倾覆稳定性验算
抗倾覆计算采用《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）中EPKZPI≥kemEakZal公式计算可得kem=1.271 ≥1.200，满足规范抗倾覆要求。
4.4.2 坑底隆起验算若支护结构背后的土体重力超过基坑底面以下地基的承载力时，地基的平衡状态就会破坏，从而发生坑壁土流动、坑顶下陷、坑底隆起的现象。因此需要验算地基是否会隆起。
式中：γ 为土的容重；
q 为底面荷载；
Nc、Nq为地基承载力系数；
D 为连续墙插入深度；
C 为粘聚力。
采用Prandtl 公式，Nc、Nq，按下式计算:
要求Ks≥1.10～1.20 。
经过计算， Ks= 4.301，抗隆起稳定性满足要求。
4.4.3 地下连续墙结构计算
垂直防冲墙，采用理正深基坑支护7.0 设计软件，结构计算土压力、位移、弯矩、剪力均满足要求，地表沉降见图3。
图3 地连墙地表沉降图
主要计算参数：桩长为11.0 m，考虑地连墙下游砂砾石层部分被破坏，冲坑深度3.6 m，此时嵌入深度为8.4 m。
南水北调北汝倒虹吸河道防护工程具有投资较小，施工工期短，施工便捷等特点，目前该项目已通过评审正在开展工程招标，相信通过该防护工程的实施，可以有效改善游荡性河流对大型下穿输水建筑物的不利影响，确保工程的运行安全。
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