臨河管線工程洪水影響分析

徐志國，楊帆，鄧顯羽

（1.水利部松遼水利委員會，吉林 長春 130021；2.吉林松遼水利水電開發(fā)有限責任公司，吉林 長春 130021；3.中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 工程及所在河道基本情況

吉林市江北污水處理廠入第二松花江排污口工程位于龍?zhí)秴^(qū)秀水大橋下游1.19 km 處的第二松花江右岸灘地上，所處位置的堤防堤頂高程為186.84 m，寬為8.00 m,迎水側(cè)護坡坡比為1∶2.5，馬道寬4.00 m；工程所處位置的河道寬330.00 m，水深約為9.00 m，灘地寬約31.00 m，工程上游20.40 km 處設(shè)有吉林水文站。根據(jù)《松花江流域防洪規(guī)劃報告》[1]，工程所處河段堤防設(shè)計防洪標準為100 年一遇；參照GB 50014—2021《室外排水設(shè)計標準》[2]“廠區(qū)地形不應(yīng)受洪澇災害影響，防洪標準不應(yīng)低于城鎮(zhèn)防洪標準”，結(jié)合GB 50201—2014《防洪標準》[3]相關(guān)規(guī)定，工程設(shè)計防洪標準為100 年一遇。工程由尾水管線、八字排污口、河道上下游護砌工程組成。尾水管線采用頂管方案穿越右岸堤防，頂管段總長度為137.00 m，套管選用DN2 000 鋼筋混凝土管，管內(nèi)設(shè)置DN1 400 鋼塑復合管，采用C20 混凝土填充套管內(nèi)空隙。管線的管頂距離迎水側(cè)、背水側(cè)堤腳埋深分別為7.20和13.34 m；頂管入土點與堤防背水側(cè)堤腳的距離為53.00 m，出土點與堤防迎水側(cè)堤腳的距離為61.20 m。工作井采用7.00 m×4.00 m 的矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，井深14.56 m，工作井在施工完成后作為管道閥門井。出土點位于管線末端，該處設(shè)置一座鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式八字排污口，底板長6.00 m，寬2.00～4.00 m，厚0.50 m，底板下齒槽深0.60 m，下設(shè)0.10 m的素混凝土墊層，邊墻厚0.50 m。在八字排污口上游20.00 m、下游46.00 m、頂部至高程178.00 m 范圍內(nèi)，采用格賓石籠方式護砌，寬度為20.00～28.00 m，坡比為1∶2.5，厚0.30 m。

2 河道演變

2.1 來水來沙特性

第二松花江吉林市區(qū)段平均流量為406.00 m3/s，最小流量為116.00 m3/s，來水主要由豐滿放流、溫德河、牛亡牛河和區(qū)間來水組成，以豐滿放流為主。根據(jù)吉林水文站的實測資料，平均含沙量為0.056 kg/m3，年平均輸沙率為20.83 kg/s，年最大輸沙率為190.00 kg/s，擬建管道穿越處河道泥沙推移質(zhì)中值粒徑d50=28.00 mm。

2.2 河道特征分析

河道特征分析主要包括河相關(guān)系系數(shù)、河床縱向可動性指標和河床橫向關(guān)系系數(shù)。

2.2.1 河相關(guān)系系數(shù)

河相關(guān)系系數(shù)計算公式：

式中：ζ為河相關(guān)系系數(shù)，蜿蜒型、過渡型、游蕩型河道的ζ取值分別為2.23～4.45，8.60～12.40，19.00～32.00；B為河寬，m；h為平均水深，m。

2.2.2 河床縱向可動性指標

采用洛赫京系數(shù)Φh作為河床縱向穩(wěn)定性系數(shù)，其計算公式：

式中：γs為泥沙容重，N/m3；γ為水的容重，N/m3；d為床沙中值粒徑，mm；R為水力半徑，m；J為水面比降，%。

Φh越小，泥沙運動越強，河床的可動性越強，河床愈易變形，河床縱斷面穩(wěn)定性差。河床縱向穩(wěn)定性指標：蜿蜒段的Φh值一般大于0.80，過渡段的Φh值一般在0.32 左右，不穩(wěn)定的游蕩型河段的Φh值一般在0.24 左右。河流中泥沙運動的強度與河流的縱向穩(wěn)定性指標Φh的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 河流的縱向穩(wěn)定性及其判別指標Φh 的對應(yīng)關(guān)系表

2.2.3 河床橫向關(guān)系系數(shù)

河床橫向關(guān)系系數(shù)Φb采用阿爾圖寧公式計算：

式中：Q為造床流量，m3/s；B為河寬，m。

2.2.4 河道特征分析計算成果

分析河段選擇吉林水文站斷面作為代表斷面，河相關(guān)系系數(shù)及河床縱、橫向穩(wěn)定系數(shù)計算成果見表2。

表2 河相關(guān)系系數(shù)及河床穩(wěn)定系數(shù)計算成果表

由表2 可知，此次分析河段已經(jīng)接近過渡型河道的指標，縱向基本穩(wěn)定，橫向欠穩(wěn)定。

2.3 河道近期演變分析

套匯2000，2010，2015，2017 年吉林站河道實測大斷面，分析河道近期橫向變化。由于2010 年發(fā)生大洪水，2000 年汛前至2010 年汛前河道橫斷面左、右岸發(fā)生了明顯沖刷；2010 年汛前至2015年汛前河道橫斷面左、右岸局部發(fā)生了淤積；2015年汛前至2017 年汛前河道橫斷面變化不大。

2.4 河道演變趨勢預測

項目評價范圍內(nèi)河段河道屬于縱向基本穩(wěn)定、橫向欠穩(wěn)定的過渡型河道，大水條件下河道局部會發(fā)生沖刷、淤積現(xiàn)象，但在現(xiàn)狀堤防的約束下，橫向河勢基本穩(wěn)定。工程建成后對該河段河道演變影響較小。

3 防洪評價分析計算

3.1 設(shè)計洪水

根據(jù)《松花江流域防洪規(guī)劃報告》，采用吉林站100 年一遇設(shè)計洪水，洪峰流量為8 300 m3/s。

3.2 壅水和行洪能力分析計算

利用Delft-3D軟件二維數(shù)學模型進行計算，模擬二維和三維的水流、波浪、水質(zhì)、生態(tài)、泥沙輸移及床底地貌，以及各個過程之間的相互作用。計算范圍內(nèi)，河道地形采用2022 年實測河道1∶1 000 地形圖，整體設(shè)置最大三角形網(wǎng)格面積為50.00 m2，對排水口附近網(wǎng)格進行局部加密，排水口及外圍護砌區(qū)域設(shè)置最大面積為2.00 m2，起推水位采用琿烏高速橋斷面水位185.23 m 作為控制邊界。經(jīng)計算，100 年一遇洪水條件下，排污口建設(shè)前、后河道水面線未發(fā)生變化，所在斷面的阻水比為0.09%，工程建設(shè)對河道行洪安全產(chǎn)生影響較小。

3.3 沖刷淤積計算與河勢影響分析

水流沖刷岸坡的沖刷深度參考GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[4]中順壩沖刷深度計算，沖刷深度可按下列公式計算：

式中：Uc為泥沙啟動流速，m/s；H0為沖刷處的水深，m；d50為床沙的中值粒徑，m；γs為泥沙的容重，kN/m3；γ為水的容重，kN/m3；hs為局部沖刷深度，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；n與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取1/4～1/6；η為水流流速不均勻系數(shù)，取1。

沖刷深度及計算參數(shù)成果見表3。由表3 可知，工程建成后，發(fā)生100 年一遇設(shè)計洪水時，岸坡沖刷深度為0.90 m?？紤]管線排水沖刷河道及河道高水位時水流對排污口工程附近的沖刷影響，對八字墻上、下游各20.00～46.00 m 范圍內(nèi)河道岸坡進行護砌，寬度為20.00～28.00 m。

表3 沖刷深度及計算參數(shù)成果表（100 年一遇）

3.4 滲透穩(wěn)定分析

工程以頂管方式穿越堤防，堤身主要由粉質(zhì)黏土和雜填土組成，堤基主要由中砂、圓礫組合而成，穿越管道管頂距離迎水側(cè)堤腳最小深度為7.20 m，距離堤頂最小深度為13.35 m，穿越堤基圓礫層。采用Autobank 軟件滲流分析模塊中有限元法進行計算，計算斷面為管道穿堤斷面，堤防滲流計算成果見表4。由表4 可知，工程實施后，堤身與堤基的滲流比降均小于堤身、堤基容許的滲流比降，不會發(fā)生滲透破壞。

4 結(jié)語

綜上所述，排水管線工程建設(shè)對第二松花江河道的流速、流態(tài)未產(chǎn)生明顯變化，對河勢穩(wěn)定、防汛搶險等基本無影響，有關(guān)分析方法與成果可為開展類似工程及河道管理部門提供一定的依據(jù)和參考。建議施工期加強施工現(xiàn)場管理，設(shè)置安全警示標識，消除安全隱患，不得在行洪區(qū)內(nèi)堆放阻礙行洪的物資和施工棄渣，確保河道行洪安全，施工完成后，及時恢復河道原貌；建議建設(shè)單位嚴格落實河道防洪要求，并服從防汛抗旱指揮部門的統(tǒng)一調(diào)度指揮；建議建設(shè)單位保證排放水體的水質(zhì)達標，避免河道污染。