榆林市綏德、米脂、子洲三縣供水工程防洪安全評價要點淺析

李 妍，范 旻，劉 瑞

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

0 前言

榆林市綏德、米脂、子洲三縣供水工程可解決榆林市綏德、米脂、子洲三縣城的生活、第三產(chǎn)業(yè)用水以及沿線缺水鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活供水。起點位于王圪堵水庫壩后電站出水口處，沿?zé)o定河敷設(shè)輸水管道，通過管道將水輸送至綏德、米脂和子洲，管道總長約154.04 km，由三縣公用工程和專線工程組成。三縣共用工程，輸水線路全長約114.4 km，大部分管段位于無定河灘（階）地，先后9 次橫穿無定河干流。專用工程線路總長約39.63 km，包括米脂專線、子洲專線及綏德專線。工程主要建筑物（調(diào)壓池、閥井等）均布置在設(shè)計洪水位以上。工程全線共有9 處倒虹穿越無定河干流，倒虹基礎(chǔ)巖性為強(qiáng)風(fēng)化砂巖及一處砂礫石層。工程全線共有臨河管線12 段，合計長度8524.1 m，敷設(shè)地質(zhì)巖層共三類，分別為粉細(xì)砂層、砂礫石層和強(qiáng)風(fēng)化砂巖層。根據(jù)本工程的特點，結(jié)合河道演變分析成果，對管線的總體布置及選線方案進(jìn)行防洪安全評價。以水文站、支流入?yún)R口為節(jié)點，對工程區(qū)河道進(jìn)行分段，復(fù)核相應(yīng)河段倒虹和沿河敷設(shè)的管道為重點，進(jìn)行沖刷深度分析計算，依據(jù)《洪水影響評價報告編制導(dǎo)則》（SL 520-2014），從多方面對工程防洪安全進(jìn)行分析。

1 工程區(qū)河道演變趨勢分析

1.1 河道平面演變

根據(jù)工程區(qū)河段1976年航測圖和2019年實測圖河道主槽套匯，結(jié)合工程現(xiàn)場走訪調(diào)查，分析認(rèn)為，受大洪水沖刷，局部河段主河槽向河道的凸岸有所擺動，總體河勢比較穩(wěn)定。

1.2 河道縱向演變

工程區(qū)無定河干流有趙石窯和丁家溝兩個水文站，測站基本情況見表1，具體位置見圖1。

表1 工程區(qū)無定河干流水文站基本情況統(tǒng)計表

圖1 工程區(qū)水文站位置示意圖

上游河道縱向變化情況，采用趙石窯水文站資料分析，實測大斷面套繪圖見圖2。中下游河道縱向變化情況，采用丁家溝水文站資料分析，實測大斷面套繪圖見圖3。

圖2 趙石窯水文站歷年大斷面套繪圖

圖3 丁家溝水文站歷年大斷面套繪圖

通過對趙石窯水文站較大洪水發(fā)生年份實測大斷面資料套匯分析，可以看出，河道縱向沒有明顯變化，橫向擺動頻繁但演變幅度較小，河谷基本保持穩(wěn)定。通過對丁家溝水文站較大洪水發(fā)生年份實測大斷面資料套匯分析，丁家溝水文站基本斷面沖淤基本平衡。

工程區(qū)無定河段上世紀(jì)末未建防洪設(shè)施，兩岸多為耕地。從20 世紀(jì)80年代后期，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的步伐加快，河道兩岸堤防相繼修建。沿河修建的河堤，縮窄了原有河道，使其改變?yōu)榍刍募s束性河道，對穩(wěn)定主河道起到了控制作用。

綜上分析，工程區(qū)無定河河道演變及沖淤變化，主要受天然洪水和人為干預(yù)的影響。就河床總體趨勢來看，河床縱、橫向均基本保持穩(wěn)定。項目河段已建的河堤工程，使河道總體趨勢被固定，主流擺動被控制在一定的范圍之內(nèi)，斷面沖淤變化在河堤建成后的一兩次較大洪水后相對趨于穩(wěn)定。

2 設(shè)計洪水復(fù)核分析計算

無定河干流王圪堵水庫壩址至丁家溝水文站段，共分為5段，分段情況見表2。

表2 工程區(qū)分段情況說明表

各段的設(shè)計洪水為王圪堵水庫下泄洪水與相應(yīng)的區(qū)間天然洪水疊加。從工程安全角度考慮，王圪堵下泄洪水采用后期調(diào)洪演算結(jié)果，疊加計算時采用“峰+峰”計算。工程區(qū)內(nèi)，無定河干流有趙石窯、丁家溝等2 個水文站，在確定無定河干流區(qū)間天然洪水時，采用水文比擬法計算，公式如下：

式中：Q設(shè)、Q參分別為設(shè)計斷面和參證站洪峰流量；F設(shè)、F參分別為設(shè)計斷面和參證站流域面積；n 為指數(shù)，本次采用2/3。

經(jīng)分析，選用趙石窯水文站1973年～2016年實測洪水系列，丁家溝水文站1959年～2016年實測洪水系列，加上歷史洪水調(diào)查成果，組成不連序系列進(jìn)行頻率分析，采用P-Ⅲ型曲線，用矩法初估參數(shù)，目估適線。經(jīng)合理性分析，推薦設(shè)計成果見表3。

表3 參證站設(shè)計洪水成果表

王圪堵水庫—趙石窯水文站段以趙石窯站為參證站，趙石窯水文站——丁家溝水文站段以丁家溝站為參證站。設(shè)計洪水復(fù)核計算成果見表4。分析認(rèn)為，該工程設(shè)計成果滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求。

表4 工程設(shè)計洪水復(fù)核計算成果表 單位：m3/s

3 管道埋深評價

管道沿線穿越地層主要為第四系松散堆積層和三疊系強(qiáng)風(fēng)化砂巖層。其中第四系松散堆積層包含粉細(xì)砂層和砂礫石層，三疊系強(qiáng)風(fēng)化砂巖層包括上統(tǒng)瓦窯堡組強(qiáng)風(fēng)化砂巖和上統(tǒng)胡家村組強(qiáng)風(fēng)化砂巖。工程全線共有9 處倒虹穿越無定河干流，倒虹基礎(chǔ)巖性為強(qiáng)風(fēng)化砂巖及一處砂礫石層。工程全線共有臨河段12 段合計長度8524.1 m，臨河管線均敷設(shè)于三大地質(zhì)巖層中，分別為粉細(xì)砂層、砂礫石層和強(qiáng)風(fēng)化砂巖層。

穿河倒虹斷面河槽部分最大沖刷深度采用《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTG C30-2015）提出的64-2 簡化式和64-1 修正式進(jìn)行計算。臨河管線斷面順河沖刷深度根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）規(guī)定的公式進(jìn)行沖刷深度計算。

3.1 穿河管線埋深評價

參考《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTGC 30-2015），埋設(shè)于巖石河床的構(gòu)筑物，應(yīng)考慮巖石的可能沖刷，沖刷深度根據(jù)巖石的堅硬程度、膠結(jié)物類別、風(fēng)化程度、節(jié)理、裂隙、節(jié)理發(fā)育情況等，按本規(guī)范附錄D 分析確定。本次倒虹穿越的三疊系強(qiáng)風(fēng)化砂巖層巖性主要為灰黃、灰白色厚層狀中細(xì)粒砂巖夾煤線、中細(xì)粒長石砂巖與砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖互層，屬于Ⅱ類軟質(zhì)巖中的Ⅱ2 較軟巖，沖刷深度推薦按0.4 m～1.25 m 取值。

砂礫石層敷設(shè)的穿河倒虹斷面僅一處，該斷面校核洪水工況下河槽部分最大沖刷深度采用《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTGC30-2015）提出的64-2 簡化式和64-1 修正式進(jìn)行計算，公式如下：

非粘性土河床河槽部分64-2 簡化式：

式中：hp為一般沖刷后最大水深，m；Qp為設(shè)計流量，取該斷面校核洪水（P=2%）洪峰流量為4054 m3/s；Q2為橋下河槽部分通過的設(shè)計流量，當(dāng)河槽能擴(kuò)寬至全橋時取用Qp，取Qp值，m3/s；Qc為天然狀態(tài)下河槽部分設(shè)計流量，取Qp值，m3/s；Qt1為天然狀態(tài)下河灘部分設(shè)計流量，取0；Bc為天然狀態(tài)下河槽寬度，根據(jù)斷面測量數(shù)據(jù)，取256.61m；Bcg為橋長范圍內(nèi)河槽寬度，當(dāng)河槽能擴(kuò)寬至全橋時取用橋孔總長度，取Bcg值，m；Bz為造床流量下的河槽寬度，對復(fù)式河床可取平灘水位時河槽寬度，造床流量取每兩年發(fā)生一次的洪峰流量作為造床流量，得該倒虹斷面造床流量為334 m3/s，根據(jù)斷面水位流量關(guān)系曲線及斷面數(shù)據(jù)查得，取65.68 m；λ 為設(shè)計水位下，在Bcg寬度范圍內(nèi)，橋墩阻水總面積與過水面積的比值，取0；μ 為橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)，取1；hcm為河槽最大水深，斷面校核洪水（P=2%）下，取7.14 m；Ad為單寬流量集中系數(shù)，取1.22；Hz為造床流量下的河槽平均水深，對復(fù)式河床取平灘水位時河槽平均水深，取65.68 m。

非粘性土河床河槽部分64-1 修正式:

式中：Bcj為河槽部分橋孔過水凈寬，當(dāng)橋下河槽能擴(kuò)寬至全橋時，即為全橋橋孔過水凈寬，本次取256.61 m；hcq為橋下河槽平均水深，斷面校核洪水（P=2%）下，取值4.34 m；E 為與汛期含沙量有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)規(guī)范，當(dāng)歷年汛期月最大含沙量平均值大于10 kg/m3時，E 取0.86，本工程區(qū)內(nèi)丁家溝水文站多年平均含沙量為46.8 kg/m3，因此E 取為河槽泥沙平均粒徑，根據(jù)地基土顆分試驗成果，平均粒徑取31.64 mm。

將斷面相關(guān)參數(shù)帶入64-2 簡化式、64-1 修正式計算，比較以上兩公式的計算成果，64-2 簡化式計算的沖刷深度較大，為保證工程安全，采用64-2 簡化式計算的沖刷深度，即校核洪水（P=2%）工況下，洪峰流量為4054 m3/s，對應(yīng)水位為862.94 m，對應(yīng)河槽最大水深為7.14 m，一般沖刷后的最大水深為8.85 m，可求得河床深泓點以下最大沖深為1.71 m。根據(jù)倒虹縱斷面設(shè)計成果，該倒虹穿河斷面河槽深泓點處管頂最小埋深為4.97 m，大于校核洪水工況下斷面深泓點沖刷深計算值1.71 m，分析認(rèn)為該倒虹埋設(shè)深度滿足沖刷安全要求。

穿河倒虹埋深合理性分析見表5。

表5 穿河倒虹埋深合理性分析表

3.2 臨河管線埋深評價

其中強(qiáng)風(fēng)化砂巖層參考《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTGC 30-2015），沖刷深度取0.80 m。

選取粉細(xì)砂層、砂礫石層敷設(shè)的穿河管線最小埋深斷面為代表斷面，根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）規(guī)定的公式計算其管線校核洪水工況下順河沖刷深度。公式如下：

式中：H0為行進(jìn)水流水深，m；d50為床沙的中值粒徑，本工程粉細(xì)砂層、砂礫石層的中值粒徑分別為14.385 mm、0.176 mm；hs為局部沖刷深度，m；Ucp為近岸垂線平均流速，本次取行進(jìn)流速U 值，m/s；Uc為泥沙起動流速，對于黏性與砂質(zhì)河床可采用張瑞瑾公式計算，m/s；U 為行進(jìn)流速，m/s；n 為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取n=1/4～1/6，本次計算取1/4；η 為水流流速分配不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α 角查表，本次計算取1。

計算成果見表6。

表6 臨河管線校核洪水工況下代表斷面順河沖刷深度計算成果表

計算得出，粉細(xì)砂層代表斷面校核洪水（P=2%）工況下，洪峰流量為1035 m3/s，對應(yīng)水位為941.90 m，計算得最小安全埋深為1.96 m。砂礫石層代表斷面校核洪水（P=2%）工況下，洪峰流量為4054 m3/s，對應(yīng)水位為862.94 m，計算得最小安全埋深1.11 m。結(jié)合本工程設(shè)計報告分析認(rèn)為，本工程臨河管線埋設(shè)深度滿足沖刷要求及相關(guān)規(guī)范要求，有利于工程安全。

4 結(jié)語

榆林市綏德、米脂、子洲三縣供水工程防洪安全評價的要點為工程區(qū)河道演變趨勢分析、設(shè)計洪水復(fù)核分析計算以及管道埋深評價。對長距離且多次穿越河流或臨近河流敷設(shè)的輸水管線進(jìn)行防洪安全評價時，可根據(jù)敷設(shè)地層地質(zhì)特性及工程設(shè)計選取代表斷面進(jìn)行分析計算，評價其管線設(shè)計是否滿足工程防洪安全需求。