院基寺水庫新設(shè)取水口工程運(yùn)行對(duì)溢洪道影響研究

曲曉陽，肖 宜,2，王均星，張勇超，郭星銳

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430072)

0 引 言

近年來，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市化水平不斷提高，國內(nèi)大型城市原有供水系統(tǒng)無法滿足城鎮(zhèn)化的發(fā)展需要，亟需調(diào)整城市供水格局，增設(shè)水源地。在大型水庫中新建引水線路必然會(huì)影響到原水工建筑的安全運(yùn)行，而如何協(xié)調(diào)好新舊的水工建筑物的關(guān)系是工程建設(shè)中必須要考慮的，對(duì)這一問題國內(nèi)類似工程實(shí)例和論證較多，如陳位洪等人從設(shè)計(jì)和施工方面分析了西江引水工程跨堤箱涵對(duì)北江大堤的影響 ，對(duì)跨堤引水工程論證工作起到一定的參考作用；王梅霞等人針對(duì)陜西秦元熱電廠熱力管道穿越渭河堤防工程的幾種工程方案進(jìn)行對(duì)比分析論證，使工程設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)安全性和技術(shù)可行性 ；涂國祥等人也對(duì)庫水位升降時(shí)溢洪道邊坡滲流流場的變化進(jìn)行了研究 ，但是目前國內(nèi)對(duì)取水口與溢洪道相互影響的研究相對(duì)欠缺。隨著城市發(fā)展，新建引水工程與原溢洪道的沖突會(huì)越來越常見，若不針對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行影響分析，可能會(huì)導(dǎo)致滑坡、管涌等災(zāi)害危及水庫及水工建筑物的安全，本文將結(jié)合工程實(shí)例對(duì)此進(jìn)行研究。

武漢市黃陂區(qū)前川城區(qū)擬實(shí)施引院入川工程，工程計(jì)劃將黃陂區(qū)院基寺水庫設(shè)為新水源地，形成灄水河和院基寺水庫雙水源供水格局，以提高武漢市城市供水安全性。其中新水源地院基寺水庫為大(二)型水庫，引水工程擬設(shè)取水口位置靠近水庫溢洪道，故需考慮取水口建成運(yùn)行對(duì)溢洪道的影響。本文結(jié)合取水口工程的設(shè)計(jì)方案及相關(guān)規(guī)范，對(duì)工程建設(shè)前后溢洪道泄流能力變化和工程運(yùn)行時(shí)溢洪道邊坡滲流穩(wěn)定兩方面進(jìn)行安全論證。

1 工程概況

院基寺水庫位于武漢市黃陂區(qū)長軒嶺街院子村，是一座以灌溉為主，兼防洪、供水的中型水庫，是梅院泥灌區(qū)的重要組成部分，該庫于1960年3月建成。引院入川(水源)工程輸水管線從院基寺水庫沿溢洪河道及黃土公路輸送至前川城區(qū)的前川水廠，總長度約26.8 km。其中取水口擬建在院基寺水庫副壩西側(cè)的1號(hào)溢洪道東側(cè)凹灣處，位于1號(hào)溢洪道與2號(hào)溢洪道之間，距1號(hào)溢洪道約50 m。工程取水口具體布置如圖1所示。

圖1 取水口位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of water inlet location

2 地質(zhì)條件

取水管道穿越的巖體巖層分布有序，由上往下為殘坡積土、素填土、黏土、強(qiáng)風(fēng)化片麻巖、中風(fēng)化片麻巖、弱風(fēng)化片麻巖，巖體以中風(fēng)化和弱風(fēng)化片麻巖為主。地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 取水管道施工區(qū)域地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile of water intake pipeline construction area

取水口處管道部分主要位于中風(fēng)化片麻巖和弱風(fēng)化片麻巖中，巖層穩(wěn)定密實(shí)，管道平均埋深約10 m。

3 取水工程運(yùn)行對(duì)溢洪道影響分析

分析院基寺水庫取水口工程運(yùn)行對(duì)溢洪道的影響，其一是取水口建設(shè)距溢洪道較近，需考慮取水口工作是否會(huì)影響溢洪道泄流能力 ，通過分析工程建設(shè)前后溢洪道泄流流場、流量變化來論證工程影響；其二是新建輸水管道之后，溢洪道附近山體的滲流場發(fā)生變化，山體中滲流出露、過大的水力坡降等會(huì)對(duì)附近的溢洪道邊坡乃至整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生重大的影響 ，需考慮工程運(yùn)行時(shí)管道出現(xiàn)的極端工況(假設(shè)管道破裂大體積管水出漏)，選取不利斷面通過滲流計(jì)算確定滲流場中水頭的分布特點(diǎn)和關(guān)鍵部位的滲透水壓力及通過溢洪道邊坡的滲透流量，結(jié)合工程的實(shí)際地質(zhì)和水力條件，計(jì)算山體承受的水力坡降，與規(guī)范允許水力坡降進(jìn)行對(duì)比來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的滲透穩(wěn)定。

3.1 溢洪道泄流能力變化分析

分析取水口工作期間對(duì)溢洪道正常泄流能力的影響，應(yīng)用Flow 3D軟件VOF模型和RNGk-ε紊流模型對(duì)選取的工況下溢洪道泄流情況進(jìn)行模擬，溢洪道泄流水流屬于帶自由表面的水流流動(dòng)，大型水工建筑物中水流的流動(dòng)計(jì)算中對(duì)自由表面的數(shù)值模擬中VOF(Volume of F1uid)法的應(yīng)用十分普遍和有效 。通過對(duì)取水口建成前后溢洪道在正常泄洪時(shí)的流線、流速、流量等信息進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)取水口的建設(shè)對(duì)溢洪道泄洪能力的影響。計(jì)算選取的范圍為黃陂區(qū)前川城區(qū)北部院基寺水庫、1號(hào)溢洪道、2號(hào)溢洪道及長距離輸水管道等結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)采用笛卡爾坐標(biāo)系，取Y方向?yàn)樯舷掠畏较?+Y為上游)；取X方向?yàn)樽笥野斗较?+X為左岸)；取Z方向?yàn)殂U直方向，其坐標(biāo)值與工程中的海拔高度相對(duì)應(yīng)。計(jì)算體型由Civil 3D繪制完成，1號(hào)溢洪道堰頂高程為55.26 m，2號(hào)溢洪道堰頂高程為55.76 m，取水口端部管中高程46.20 m，斜率i=0.035 2。計(jì)算范圍和計(jì)算體型如圖3所示。

圖3 計(jì)算地形范圍及計(jì)算體型Fig.3 Calculate terrain range and shape

網(wǎng)格劃分設(shè)一個(gè)網(wǎng)格區(qū)塊，沿X方向，1號(hào)和2號(hào)溢洪道所在部位為主要研究部分，網(wǎng)格尺度進(jìn)行適當(dāng)加密，采用網(wǎng)格尺度為0.67 m，其余網(wǎng)格適當(dāng)稀疏，采用網(wǎng)格尺度為1.00 m；沿水流向(Y方向)網(wǎng)格尺度為1.00 m；垂直向(Z方向)網(wǎng)格尺度為0.33 m。

邊界條件設(shè)置是上游為壓強(qiáng)邊界，通過給定水位和相應(yīng)靜水壓強(qiáng)實(shí)現(xiàn)，下游為自由出流，水面設(shè)置為自由水面，各結(jié)構(gòu)壁面設(shè)置為固壁邊界，對(duì)應(yīng)的曼寧糙率為0.014～0.018左右。

選取了兩個(gè)工況設(shè)計(jì)洪水位工況(z=58.52 m)和校核洪水位工況(z=60.20 m)，分別就工程建設(shè)前后水庫溢洪道流場、流量的變化進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.1.1 工程對(duì)水庫溢洪道流場的影響

(1)設(shè)計(jì)洪水位工況(z=58.52 m)。取水口建設(shè)前表面流場分布中整體水流沿兩側(cè)溢洪道自上游向下游下泄，1號(hào)溢洪道(流場分布圖左側(cè))進(jìn)口前由于地形內(nèi)凹存在水流回旋，自上游50 m處流線逐漸由彎變直，進(jìn)口處無橫向流速，進(jìn)口流速在2.0 m/s左右，下泄流速范圍為4.8～19.5m/s；2號(hào)溢洪道(流場分布圖右側(cè))進(jìn)口前水域面積寬廣，地形埡口與溢洪道進(jìn)口處連接形成大的回旋水流，進(jìn)口處流線由彎變直，流速為2.5 m/s左右，下泄流速范圍為6.5～19.2 m/s。

圖4 設(shè)計(jì)洪水工況取水口前后流速對(duì)比圖Fig.4 Designed flood condition’s comparison diagram of velocity before and after water intake construction

圖5 設(shè)計(jì)洪水工況取水口前后流場對(duì)比圖Fig.5 Designed flood condition’s comparison diagram of flow field before and after water intake construction

取水口建設(shè)后表面流場分布中1號(hào)溢洪道進(jìn)口流速在1.8 m/s左右，下泄流速范圍為5.0～20.2 m/s；2號(hào)溢洪道進(jìn)口流速為2.4 m/s左右，下泄流速范圍為6.8～19.2 m/s。假定取水管道采用自由出流的方式，無泵情況下管內(nèi)流速為7.2 m/s左右。

工程建設(shè)前后流場基本一致，兩溢洪道進(jìn)口前流線走勢及方向無明顯變化，流速分布基本相同。

(2)校核洪水位工況(z=60.20 m)。在取水口建設(shè)前表面流場分布中，1號(hào)溢洪道進(jìn)口前自上游60 m處流線逐漸由彎變直，進(jìn)口流速在2.6 m/s左右，下泄流速范圍為5.5～21.5 m/s；2號(hào)溢洪道進(jìn)口前上游繞過山頂?shù)乃髋c埡口處回流形成碰撞消能，流速減小，流速為2.7 m/s左右，下泄流速范圍為7.7～20.4 m/s。

圖6 校核洪水工況取水口前后流速對(duì)比圖Fig.6 Check flood condition’s comparison diagram of velocity before and after water intake construction

圖7 校核洪水工況取水口前后流場對(duì)比圖Fig.7 Check flood condition’s comparison diagram of flow field before and after water intake construction

取水口建設(shè)后表面流場分布情況為1號(hào)溢洪道進(jìn)口流速在2.4 m/s左右，下泄流速范圍為6.5～21.3 m/s；2號(hào)溢洪道進(jìn)口前上游繞過山頂?shù)乃髋c埡口處回流形成碰撞更為劇烈，進(jìn)口流速為2.8 m/s左右，下泄流速范圍為7.9～20.5 m/s。假定取水管道采用自由出流的方式，無泵情況下管內(nèi)流速為7.0 m/s左右。

建管前后流場基本一致，兩溢洪道進(jìn)口前流線走勢及方向無顯著變化，流速分布基本相同。

3.1.2 工程對(duì)溢洪道出流的影響

(1)設(shè)計(jì)洪水位工況(z=58.52 m)。以設(shè)計(jì)洪水位下取水口工程建設(shè)前后流量相對(duì)平穩(wěn)的30 min分析，由圖8、圖9可見流量趨勢相似，工程建設(shè)前1號(hào)溢洪道泄流流量平均值為245.56 m3/s，2號(hào)溢洪道為227.67 m3/s；工程建設(shè)后1號(hào)溢洪道泄流流量平均值為245.58 m3/s，2號(hào)溢洪道為227.86 m3/s。工程建設(shè)前后流量差小于0.1%，則取水管的建成對(duì)設(shè)計(jì)工況下溢洪道泄流能力影響極小，可不考慮。

圖8 設(shè)計(jì)洪水工況(z=58.52 m)建管前后1號(hào)溢洪道流量對(duì)比折線圖Fig.8 Designed flood condition’s comparison broken line diagram of flow of spillway no. 1 before and after water intake construction

圖9 設(shè)計(jì)洪水工況(z=58.52 m)建管前后2號(hào)溢洪道流量對(duì)比折線圖Fig.9 Designed flood condition’s comparison broken line diagram of flow of spillway no. 2 before and after water intake construction

(2)校核洪水位工況(z=60.20 m)。以校核洪水位下取水口工程建設(shè)前后流量相對(duì)平穩(wěn)的20 min分析，由圖10、圖11可見流量趨勢大致相似，工程建設(shè)前1號(hào)溢洪道泄流流量平均值為516.89 m3/s，2號(hào)溢洪道為490.22 m3/s；工程建設(shè)后泄流流量平均值1號(hào)溢洪道為511.61 m3/s，2號(hào)溢洪道為486.44 m3/s。工程建設(shè)前后流量差為1%，則取水口工程運(yùn)行對(duì)校核工況下1、2號(hào)溢洪道泄流能力影響較小，可不考慮。

圖10 校核洪水工況(z=60.20 m)建管前后1號(hào)溢洪道流量對(duì)比折線圖Fig.10 Check flood condition’s comparison broken line diagram of flow of spillway no. 1 before and after water intake construction

圖11 校核洪水工況(z=60.20 m)建管前后2號(hào)溢洪道流量對(duì)比折線圖Fig.11 Check flood condition’s comparison broken line diagram of flow of spillway no. 2 before and after water intake construction

3.2 溢洪道邊坡滲流穩(wěn)定分析

采用Geo studio軟件SEEP/W模塊對(duì)取水管道完建后的溢洪道邊坡滲流情況建立斷面二維仿真模型 ，SEEP/W是第一款全面處理非飽和土體滲流問題的軟件，適用于邊坡滲流問題，用平面有限元計(jì)算分析法對(duì)工程完建后的山體斷面流場進(jìn)行模擬計(jì)算，分析評(píng)價(jià)所選斷面的滲透穩(wěn)定性。假定管道運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)極端工況，管道破裂導(dǎo)致大體積管水出漏，根據(jù)取水口附近具體地形地質(zhì)條件，選取了B1- B1′、B2- B2′兩個(gè)斷面進(jìn)行研究，具體位置如圖12所示。此外本工程位于水庫附近，降雨、排水等特殊情況可能造成地下水位的升降變化，所以對(duì)每個(gè)斷面選擇三種不同的下游水位(為表述方便，認(rèn)為漏水處管道高程為斷面上游水位，溢洪道地下水位為下游水位)進(jìn)行計(jì)算。

圖12 溢洪道邊坡滲流分析斷面Fig.12 Seepage analysis section of spillway slope

B1- B1′、B2- B2′斷面，每個(gè)斷面上游側(cè)水位取該樁號(hào)處輸水管道高程，下游側(cè)水位取溢洪道地下3、5、7 m 三種情況。

B1- B1′斷面對(duì)應(yīng)管道底部高程為45.15 m，此外根據(jù)地勘資料，溢洪道側(cè)高程為47.6 m。第一類邊界條件設(shè)為，滲入邊界水位為45.15 m，滲出邊界水位分別為44.6、42.6、40.6 m 3種情況。

B2- B2′斷面對(duì)應(yīng)管道底部高程為44.75 m，第一類邊界條件設(shè)為，滲入邊界水位為44.75 m，滲出邊界水位分別為45.25 m(高于滲入邊界水位，可省略其計(jì)算)、43.25、41.25 m。

滲流計(jì)算工況如表1。

表1 計(jì)算工況匯總Tab.1 Summary of calculation conditions

將山體簡化為均質(zhì)材料進(jìn)行計(jì)算。各巖層的滲透系數(shù)及凝聚力、內(nèi)摩擦角等材料參數(shù)根據(jù)場地巖土原位測試等試驗(yàn)結(jié)果綜合建議值選取。各土層的允許水力坡降取值如表2所示。

表2 土層允許水力坡降Tab.2 The soil allowable hydraulic gradient

3.2.1 B1- B1′斷面

B1- B1′斷面整體模型如圖13所示。二維模型管道處鉆孔編號(hào)為ZK5，溢洪道側(cè)鉆孔編號(hào)為BZK3。模型以從管道側(cè)指向溢洪道側(cè)為X軸正方向，以距ZK5號(hào)孔水平距離為X坐標(biāo)，以豎直向上方向?yàn)閅軸正方向，以高程作為Y坐標(biāo)。二維模型水平長103.2 m，其中孔號(hào)ZK5至BZK3之間為主要研究區(qū)域，其水平距離為73.2 m，從兩點(diǎn)分別向外擴(kuò)展15 m進(jìn)行建模，地質(zhì)分層隨地層走勢相應(yīng)延伸。二維模型左側(cè)高31 m，右側(cè)高17.6 m，即模型取高程為30 m以上區(qū)域，涵蓋該斷面所有地質(zhì)信息。

圖13 B1- B1′斷面整體模型(單位：m)Fig.13 Integral model of B1- B1′ section

滲流基本微分方程的邊界條件有三類：已知水頭邊界條件、已知流量邊界條件、混合邊界條件。本工程中已知資料符合其中的第一類邊界條件，已知水頭邊界條件，即H=H0。

B1- B1′斷面滲流計(jì)算邊界條件可以表述為：

(1)工況1：地下水位為地面以下3 m深，滲入邊界水位H1=45.15 m，滲出邊界水位H2=44.6 m。

(2)工況2：地下水位為地面以下5 m深，滲入邊界水位H1=45.15 m，滲出邊界水位H2=42.6 m。

(3)工況3：地下水位為地面以下7 m深，滲入邊界水位H1=45.15 m，滲出邊界水位H2=40.6 m。

模型建立完畢進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元網(wǎng)格間距為1m，施加滲流計(jì)算邊界條件。經(jīng)過計(jì)算得到模型滲流情況如圖14所示。圖中箭頭方向代表滲流方向，箭頭大小代表流速大小。不同顏色區(qū)域的分界線為等勢線。

圖14 B1- B1′斷面模型滲流整體分布圖(單位：m)Fig.14 Overall seepage distribution diagram of B1-B1′ section model

3.2.2 B2- B2′斷面

B2- B2′斷面整體模型如圖15所示。二維模型管道處鉆孔編號(hào)為ZK6，溢洪道側(cè)鉆孔編號(hào)為BZK6。模型以從管道側(cè)指向溢洪道側(cè)為X軸正方向，以距ZK6號(hào)孔水平距離為X坐標(biāo)，以豎直向上方向?yàn)閅軸正方向，以高程作為Y坐標(biāo)。二維模型水平長87.9 m，其中孔號(hào)ZK6至BZK6之間為主要研究區(qū)域，其水平距離為57.9 m，從兩點(diǎn)分別向外擴(kuò)展15 m進(jìn)行建模，地質(zhì)分層隨地層走勢相應(yīng)延伸。二維模型左側(cè)高29.65 m，右側(cè)高18.25 m。

圖15 B2- B2′斷面整體模型(單位：m)Fig.15 Integral model of B2- B2′ section

B2- B2′斷面滲流計(jì)算邊界條件可以表述為：

(1)工況4：地下水位為地面下5 m深，滲入邊界水位H1=44.75 m，滲出邊界水位H2=43.25 m。

(2)工況5：地下水位為地面下7 m深，滲入邊界水位H1=44.75 m，滲出邊界水位H2=41.25 m。

經(jīng)過計(jì)算得到模型滲流情況如圖16所示。

分析各工況下的滲流，在滲入點(diǎn)及滲出點(diǎn)水力坡降值達(dá)到極大值。將兩個(gè)斷面水力坡降計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖16 B2- B2′斷面模型滲流整體分布圖(單位：m)Fig.16 Overall seepage distribution diagram of B2-B2′ section model

斷面工況表層表層水力坡降極大值所在巖層左側(cè)左側(cè)水力坡降極大值所在巖層右側(cè)右側(cè)水力坡降極大值所在巖層B1- B1′工況10.008 7殘坡積土0.026 7中風(fēng)化片麻巖0.008 4強(qiáng)風(fēng)化片麻巖工況20.029 1殘坡積土0.118 3中風(fēng)化片麻巖0.116 8中風(fēng)化片麻巖工況30.073 3殘坡積土0.206 3中風(fēng)化片麻巖0.209 3中風(fēng)化片麻巖B2- B2′工況40.021 8黏土0.136 6微風(fēng)化片麻巖0.076 2中風(fēng)化片麻巖工況50.051 2黏土0.314 7微風(fēng)化片麻巖0.189 5中風(fēng)化片麻巖

分析各工況滲流情況，可知在研究區(qū)域內(nèi)絕大部分水力坡降很小，只在滲入和滲出邊界處達(dá)到最大值，如表3所示。斷面最大水力坡降值所在區(qū)域除工況1為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖層外，其余均在中風(fēng)化片麻巖層。巖體允許水力坡降一般較大，參考礫石允許水力坡降一般為0.6～1.0，片麻巖允許水力坡降遠(yuǎn)大于礫石，因此可以認(rèn)為本工程片麻巖層中不會(huì)發(fā)生滲透破壞。此外，一般情況下，滲流破壞基本發(fā)生在表層巖體部位，在本工程中計(jì)算得到表層巖體最大水力坡降分別為0.073 3、0.051 2，而殘坡積土和黏土允許水力坡降為0.45和0.5，表層土體水力坡降小于土體允許水力坡降，不利斷面不會(huì)發(fā)生滲透破壞。因此，即使運(yùn)行過程中管道連接處發(fā)生漏水現(xiàn)象，山體中不會(huì)發(fā)生滲流出露，并且水力坡降較小，不會(huì)對(duì)附近的溢洪道及整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生重大的影響。

4 結(jié) 語

本文主要研究水庫新增取水建筑對(duì)原溢洪道影響，結(jié)合院基寺水庫取水口工程中取水口建設(shè)臨近溢洪道的工程現(xiàn)狀，選取工程建設(shè)前后溢洪道泄流能力變化和溢洪道邊坡滲流穩(wěn)定兩個(gè)方面進(jìn)行了研究。

(1)對(duì)溢洪道泄流能力變化研究。考慮到工程取水工作時(shí)對(duì)溢洪道泄流會(huì)產(chǎn)生影響，利用Flow 3D軟件建模分析，論證結(jié)果是取水管的建成對(duì)水庫溢洪道的流場影響可以忽略不計(jì)；設(shè)計(jì)工況和校核工況建管前后流量差均小于1%，流量曲線走勢相近，即取水管的建成對(duì)水庫溢洪道的泄流能力影響基本可以忽略不計(jì)。

(2)對(duì)溢洪道邊坡滲流穩(wěn)定研究?？紤]到取水口工作時(shí)出現(xiàn)的極端工況(管道破裂)導(dǎo)致的取水管道破裂出現(xiàn)大體積漏水，進(jìn)而影響到溢洪道邊坡結(jié)構(gòu)和滲流穩(wěn)定，用Geo studio軟件建模分析，選取斷面B1- B1′、B2- B2′，其最大水力坡降分別為0.209 3、0.314 7，最大值發(fā)生在中風(fēng)化片麻巖層和微風(fēng)化片麻巖層，水力坡降相對(duì)較小，在規(guī)范允許范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)附近的溢洪道及整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生重大的影響，工程的建設(shè)對(duì)溢洪道邊坡滲流穩(wěn)定影響較小。

綜上，本文的研究成果對(duì)院基寺水庫新設(shè)水庫取水口對(duì)原溢洪道影響的安全論證工作具有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)類似工程具有參考價(jià)值。