松花江河道內(nèi)取水工程防洪影響數(shù)值模擬研究

姜 彪

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

0 引言

取水工程涉河建筑物主要包括取水戽頭與河道內(nèi)取水管線兩部分。根據(jù)《中華人民共和國水法》《中華人民共和國防洪法》《中華人民共和國河道管理條例》[1-3]等要求，需對涉河建設(shè)方案進(jìn)行防洪影響評價，分析工程建設(shè)對河道防洪的影響并復(fù)核工程自身的防洪安全。一般中小河流內(nèi)取水工程對行洪影響較小，主要采用經(jīng)驗公式法進(jìn)行分析；大型河流內(nèi)取水工程對行洪影響相對復(fù)雜，河道斷面較寬，主槽灘地內(nèi)流速變化較大，采用經(jīng)驗公式法或一維數(shù)值模擬只能分析得出斷面平均流速、平均水位，無法對戽頭、管線所在位置流速、水位、沖刷進(jìn)行精確模擬計算，需根據(jù)工程所在河段DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，結(jié)合工程建設(shè)對河道局部地形的改變，采用二維數(shù)學(xué)模型模擬分析工程建設(shè)對河道行洪的影響。王永偉等[4]、劉樹峰[5]采用二維數(shù)學(xué)模型分析了橋梁工程建設(shè)對河道的影響；萬育安等[6]采用一維、二維模型聯(lián)合計算，分析了西江某取水工程防洪影響，通過采用二維數(shù)學(xué)模型模擬，可以解決一維模型難以模擬與分析的問題，準(zhǔn)確概化工程占用河道地形情況，模擬得出工程處河道的流速、水位、沖刷、流態(tài)等變化，評價工程建設(shè)對河道水位壅高、沖刷等影響。

本文采用二維數(shù)學(xué)模型對松花江吉林市城區(qū)江段一處取水工程河道內(nèi)建設(shè)工程防洪影響進(jìn)行了模擬，并結(jié)合經(jīng)驗公式重點分析了工程建設(shè)對河道行洪、河道沖刷、堤防穩(wěn)定及工程自身行洪安全的影響，提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。

1 取水工程涉河建設(shè)方案

1.1 工程概述

取水工程位于松花江吉林市城區(qū)段下游，取水戽頭位于江道主槽內(nèi)，距離下游現(xiàn)有橋梁工程約0.5km。取水泵站位于松花江左岸堤防背水側(cè)，距離背水坡坡腳最小40m，取水戽頭與泵站之間修建自流取水管線。凈水廠位于松花江左岸堤防背水側(cè)，距離背水坡坡腳為150m泵站與凈水廠之間修建原水輸水管線。取水工程所在位如圖1所示：

圖1 取水工程所在位置

通過分析，工程取水戽頭、自流取水管線建設(shè)位置位于松花江河道管理范圍內(nèi)，其他建筑物位于松花江河道管理范圍以外。工程所在河段松花江左岸堤岸工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇[7]，右岸現(xiàn)狀無堤防。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014）和取水工程建設(shè)位置所在松花江段的規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)，涉河范圍內(nèi)建筑物設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，河道內(nèi)取水戽頭工程永久占地約40m2，占地類型為河道主槽，河道內(nèi)自流取水管線采用開挖方式與頂管方式施工，管道埋設(shè)在地面以下，不占用河道及灘地。

1.2 涉河建設(shè)方案

（1）取水戽頭設(shè)計

該工程采用淹沒式箱式取水頭，取水規(guī)模按20.0萬m3/d設(shè)計。取水戽頭位于松花江河道主槽內(nèi)，距離左岸堤防迎水坡坡腳約380m。

取水戽頭基礎(chǔ)底部設(shè)計高程為168.3m，基礎(chǔ)埋深至河床以下約3.2m?？紤]到取水戽頭沖刷安全，設(shè)計方案在戽頭邊沿3m范圍內(nèi)采用石籠固床防護(hù)措施。取水戽頭剖面如圖2所示。

圖2 取水戽頭剖面圖

（2）自流取水管線設(shè)計

自流取水管線位于取水戽頭與取水泵站之間，每座取水箱采用一根DN1400自流管，共2根自流取水管線，總長1 075m。材質(zhì)為球墨鑄鐵管，自流取水管線除穿越堤防段采用頂管施工外，其他段均采用大開挖方式施工，開挖施工完成后，利用原土回填至原地面線，并壓實到原土體密度。

自流取水管線工程管頂以上覆土深度范圍為1.00—12.61m，考慮到主槽內(nèi)自流取水管線沖刷安全，設(shè)計采用混凝土包封形式對河道主槽內(nèi)190m長度管道進(jìn)行防護(hù)，包封混凝土尺寸為2m×2m，混凝土外封上部鋪設(shè)3.2m寬，0.5m厚格賓石籠。剖面如圖3所示。

圖3 自流取水管線設(shè)計剖面圖

（3）自流取水管線與左岸堤防工程關(guān)系

自流取水管線采用頂管方式穿越左岸堤防，頂管長度為70m，穿越段采用混凝土套管，套管內(nèi)徑為2.0m。管道施工完成后，為避免管線穿越段堤防出現(xiàn)滲透破壞，鋼筋混凝土套管與堤防之間的縫隙進(jìn)行灌漿處理，接收井與工作井利用原土進(jìn)行回填，并壓實至原土體密度。在封堵接頭處，輸水管線與套管連接間放置鋼套環(huán)，在其間隙處用油麻、石棉水泥填塞，周圍用水泥砂漿抹平表面。

頂管穿越堤防處混凝土套管管頂埋深至堤頂以下13.5m，頂管入口工作井位于河道左岸灘地內(nèi)，距離迎水坡直立式擋墻護(hù)腳邊沿約14.0m，頂管接收井位于堤防背水側(cè)下堤路上，距離背水側(cè)堤路邊沿約13.7m。穿越處混凝土套管管頂埋深至直立式擋墻底部以下8.6m。

2 防洪影響數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模擬

采用二維數(shù)學(xué)模型模擬工程所在河段水位、流速變化，分析工程建設(shè)對行洪、沖刷等的影響。

（1）水文分析

工程所在河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。因此采用100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，用于分析工程建設(shè)對松花江防洪的影響及評價工程自身的防洪安全。

根據(jù)已批復(fù)的《松花江流域防洪規(guī)劃技術(shù)報告》[7]溫德河河口以上及下游城區(qū)段設(shè)計洪峰流量如表1所示：

取水工程位于溫德河口以下吉林市城區(qū)段，100年一遇洪水洪峰流量為8 300m3/s。

表1吉林市主要控制斷面設(shè)計洪水計算成果表

（2）模型建立

選取擬建取水戽頭中心線上游約1.4km至鐵路橋橋下、下游約2.3km至公路橋橋上，共計3.7km的河段，該段河道平均比降約為0.48‰。橫向范圍左岸修建有堤防，以堤防管理范圍為邊界，右岸現(xiàn)狀無堤防，以100年一遇洪水位以上自然高地形為邊界。

模型計算地形工況條件包括三種：1）天然河道工況；2）現(xiàn)狀河道工況（考慮現(xiàn)狀橋梁）；3）擬建取水工程影響河道工況。模型計算DEM數(shù)學(xué)高程地形如圖4—圖6所示。

圖4 天然河道工況模擬范圍內(nèi)地形圖

圖6 考慮取水工程阻水影響工況模擬范圍內(nèi)地形圖

模型計算網(wǎng)格為三角形網(wǎng)格，天然地形條件下網(wǎng)格最大面積為200m2。模型計算網(wǎng)格數(shù)為24 414個，計算時間步長為20s?，F(xiàn)狀河道及擬建取水工程影響河道工況條件下，對取水戽頭下游橋梁橋墩不過水區(qū)域及取水戽頭、自流輸水管線區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，最大網(wǎng)格面積為2m2，網(wǎng)格數(shù)增加，計算時間步長為2s。

建橋前后模型計算網(wǎng)格圖如圖7—圖9所示。

圖7 天然河道工況模擬范圍內(nèi)網(wǎng)格剖分圖

圖9 考慮取水工程阻水影響工況模擬范圍內(nèi)網(wǎng)格剖分圖

（3）阻水工程概化

阻水工程包括兩部分：1）取水戽頭下游現(xiàn)狀橋梁；2）取水戽頭局部地形增高。在建模過程中，根據(jù)現(xiàn)狀橋梁布置情況，概化出橋墩的形狀，引入模型中，按不過水處理，橋墩周圍模型網(wǎng)格自動加密；對取水戽頭影響部分，根據(jù)戽頭設(shè)計高程，對戽頭所在位置模型地形進(jìn)行局部修改。處理形式如圖10所示。

圖10 工程概化局部地形圖

（4）計算條件

二維數(shù)學(xué)模型計算上游為流量邊界條件，下游為水位邊界條件。本次計算上游進(jìn)口邊界采用松花江設(shè)計洪水成果。下游出口斷面水位根據(jù)《第二松花江吉林市城市防洪工程初步設(shè)計報告》中100年一遇規(guī)劃洪水位插值得出，計算邊界條件如表2所示。

（5）糙率分析

模型根據(jù)《第二松花江吉林市城市防洪工程初步設(shè)計報告》[8]（以下簡稱“初設(shè)報告”）中松花江三道嶺以下100年一遇洪水水面線成果，進(jìn)行糙率分析，提取分析斷面的水位進(jìn)行對比計算。模擬時，將主槽與灘地的行洪能力分開，劃分主槽糙率和灘地糙率。糙率分析結(jié)果如表3所示：

由表可見，當(dāng)評價河道主槽糙率采用0.025、灘地糙率采用0.070時，模型計算水位與松花江100年一遇規(guī)劃水面線水位基本一致，差值最大為0.03，說明建立的河道二維數(shù)學(xué)計算模型能夠反映現(xiàn)狀河道水流變化規(guī)律，可以按照上述分析的糙率進(jìn)行水面線計算。

圖5 現(xiàn)狀河道工況模擬范圍內(nèi)地形圖（考慮下游橋梁影響）

圖8 現(xiàn)狀河道工況模擬范圍內(nèi)網(wǎng)格剖分圖（考慮下游橋梁影響）

表2水位流量關(guān)系表

（6）水位計算結(jié)果

根據(jù)上述邊界條件，采用二維數(shù)學(xué)模型計算100年一遇洪水條件下河道水面線，并提取分析斷面的水位。評價河段工程建設(shè)前后水面線計算結(jié)果分別見表4。

表3河道糙率分析結(jié)果表

（7）流速計算結(jié)果

發(fā)生100年一遇洪水，工程建成后，取水戽頭所在位置流速約為3.27m/s；河道內(nèi)取水戽頭與取水泵站之間自流取水管線所在位置流速范圍為0.40—3.27m/s。

100年一遇洪水工程實施后，模擬河段流場見圖11所示，取水戽頭與自流取水管線局部流速等值線如圖12所示。

表4模擬河段100年一遇洪水工程建設(shè)前后水面線計算成果表

圖11 100年一遇洪水工程實施后模擬河段流場圖

圖12 100年一遇洪水工程實施后取水戽頭及自流取水管線所在區(qū)域局部流速等值線圖

2.2 對行洪影響分析

通過計算得出，當(dāng)發(fā)生100年一遇洪水時，相比天然河道水面線，評價河道現(xiàn)狀水面線現(xiàn)狀橋梁上游最大壅水高度為0.01m，回水長度為300m；相比現(xiàn)狀河道水面線，擬建取水工程實施后，河道內(nèi)取水戽頭建設(shè)位置局部地形改變，取水戽頭占用行洪斷面面積約20m2，占過流面積比例約為0.45%，對整體河道行洪斷面影響不大，河道水面線變化較小，發(fā)生100年一遇洪水時，工程實施后，基本不會對現(xiàn)狀水面線造成壅高影響，不會對松花江行洪造成不利的影響。

2.3 沖刷與淤積分析

根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖，取水戽頭工程及河道內(nèi)自流取水管線所在位置主槽、河灘地表層以砂礫石非粘性土為主，中值粒徑約為1.0—2mm，參照《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（TB10017-99）非粘性土沖刷計算公式。

1）非粘性土河槽沖刷計算公式

2）河灘部分

3）基礎(chǔ)局部沖刷計算

利用上述公式，對100年一遇洪水條件下，取水戽頭及自流取水管線位置河道沖刷深度進(jìn)行計算，其中取水戽頭沖刷包括一般沖刷與局部沖刷兩部分，自流取水管線位于河床以下，只計算河床一般沖刷深度。計算結(jié)果如表5、表6所示。

表5取水戽頭所在位置沖刷深度計算成果表

表6取水管線所在位置沖刷深度計算成果表

由表5、表6可以看出，發(fā)生100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時，取水戽頭所在主槽位置最大沖刷深度約為5.95m；取水戽頭與左岸堤防工程之間自流取水管線沿線沖刷深度范圍為0.10—3.50m。

2.4 工程建設(shè)對左岸堤防影響分析

工程取水戽頭位于松花江河道主槽內(nèi)，距離左岸堤防迎水坡坡腳約380m，工程實施不會對左岸堤防造成不利的影響。

自流輸水管線采用頂管方式穿越左岸堤防，輸水管線采用混凝土套管，混凝土套管管頂埋深至堤頂以下13.5m，施工過程中，頂管工作井、接收井采用直立式樁支護(hù)施工方案，接收井與工作井均位于左岸堤防堤身斷面以外，且管道工程實施后，對鋼筋混凝土套管與堤防之間的縫隙進(jìn)行灌漿處理，接收井與工作井采用原土進(jìn)行回填，并壓實至原土體密度。輸水管線與套管連接間放置鋼套環(huán)，在其間隙處用油麻、石棉水泥填塞，周圍用水泥砂漿抹平表面。避免了管線穿越段堤防出現(xiàn)滲透破壞。因此，工程實施后不會對現(xiàn)有的左岸堤防工程造成不利的影響。

3 取水工程自身防洪安全分析

取水工程自流輸水管線穿越左岸堤防段采用混凝土套管結(jié)構(gòu)形式，避免了堤頂車輛通行等荷載對管道運行安全的不利影響。

通過沖刷分析可以得出，取水戽頭所在位置最大沖刷深度為5.95m，取水戽頭與左岸堤防之間自流取水管線位置沖刷深度范圍為0.10—3.50m。管線設(shè)計方案中，戽頭取水箱底部埋深至河床以下約3.20m，小于最大計算沖刷深度；取水戽頭與左岸堤防之間自流取水管線管頂以上覆土深度范圍為1.00—12.61m，局部小于最大計算沖刷深度。因此，發(fā)生100年一遇洪水時，水流沖刷將對自流取水管線管道安全及取水戽頭的穩(wěn)定造成不利的影響。

考慮到取水戽頭及自流取水管線防洪安全，建設(shè)單位在工程實施的同時，必須對取水戽頭周圍及河道內(nèi)自流取水管線采用防護(hù)措施。結(jié)合工程設(shè)計方案中提出的防護(hù)措施，通過計算分析，提出取水戽頭采用格賓石籠固床，格賓石籠厚度為0.5m，取水戽頭防護(hù)范圍擴(kuò)大至戽頭邊沿以外10m；自流取水管線采取混凝土外包方式，包封混凝土尺寸為2m×2m，混凝土外封上部鋪設(shè)5m寬，0.5m厚格賓石籠，考慮到河道灘槽沖刷，防護(hù)范圍由設(shè)計方案中提出的主槽防護(hù)190m擴(kuò)大至主槽、灘地內(nèi)管線共300m，通過采取防護(hù)措施，確保發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下，取水戽頭及自流取水管線的運行安全。

4 結(jié)語

本文以松花江吉林市城區(qū)段一處取水工程為例，采取數(shù)學(xué)模型模擬了工程所在河段上下游水位變化，局部流速流態(tài)情況，根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合經(jīng)驗公式法，分析了工程實施對松花江河道行洪、河道沖刷影響，并對工程自身防洪安全進(jìn)行了分析。通過分析可以得出，取水戽頭占用行洪斷面不大，基本不會造成河道水位壅高等不利影響，且取水戽頭建成后，造成局部沖刷增加，在設(shè)計方案中需考慮對戽頭周圍及河道內(nèi)自流取水管線采用相應(yīng)的防護(hù)措施，保障自身防洪安全。文中分析思路與方法可為其他類似取水工程設(shè)計及防洪影響分析提供借鑒。