松原市江北凈水廠哈達山取水工程防洪影響評價分析

譚大偉，崔笑庚，雷宇明

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

1 基本概況

1.1 工程概況

松原市江北凈水廠哈達山取水工程屬于現(xiàn)有江北凈水廠的配套工程，將作為江北凈水廠二期擴建的原水。江北凈水廠供水能力滿足近期江北城區(qū)工業(yè)企業(yè)的用水需求，哈達山取水工程置換優(yōu)質(zhì)地下水以保證江北城區(qū)居民飲用水供應(yīng)，工程的建設(shè)對江北城區(qū)工業(yè)發(fā)展和居民生活水平的提高均有重要意義。

取水工程包括取水管道、加壓泵站、輸水管道。取水管道采用2 根DN1 000 mm 鋼塑復(fù)合管，自取水壩段接入處向北延伸約103.00 m，此段離哈達山水利樞紐土壩壩腳較近，為避免管道漏水對壩體沖刷，影響壩體穩(wěn)定，此段設(shè)置鋼筋混凝土管廊。管道經(jīng)管廊敷設(shè)至堤腳外14.00 m 后，與坡腳近似平行布置，并利用哈達山扶余水頭重力流輸送至加壓泵站。加壓泵站設(shè)于社里鄉(xiāng)富康村附近的自然高地處，包括加壓泵房及配電間、加藥間、管理用房。輸水管線從加壓泵站至凈水廠采用2 根DN900 mm 鋼塑（PE）復(fù)合管，與已建輸水管線連接。

根據(jù)《松原市松花江本級河道管理范圍劃定》的河道管理范圍線，將該工程布置與河道管理范圍線進行套繪，輸水管道、加壓泵站均在河道管理范圍線外，該工程只有取水管道位于河道管理范圍內(nèi)[1]，需要對其進行洪水影響評價。

1.2 河道基本情況

第二松花江流域位于吉林省中東部地區(qū)，發(fā)源于長白山天池，是松花江之南源。河流由東南流向西北，流域總面積為73 834.00 km2，流域平均寬度為97.8 km，干流河道長為825.4 km，河道平均比降為4%。第二松花江是吉林省最大的一條河流，流域面積占全省總面積的39%。第二松花江流域內(nèi)水利工程化程度較高，共建有大、中、小各類型蓄水工程900 余座，塘壩3 600 余座，總蓄水量約為210×108m3。

1.3 哈達山水利樞紐

哈達山水利樞紐工程[2]位于第二松花江下游河段，距第二松花江與嫩江匯合口處約60.0 km，是第二松花江干流最后一級控制性工程。工程為Ⅰ等大（1）型工程，工程主要建筑物包括粘土均質(zhì)壩、泄水建筑物、河床式電站、重力壩連接段、取水及門庫段，為1級建筑物；次要建筑物包括土壩側(cè)翼墻、電站導(dǎo)流墻、攔沙坎、開關(guān)站等，為3級建筑物。

2 河道演變分析

在天然狀態(tài)下，該河道存在著汊道交替、凸岸淤長等自然過程，河道平面形態(tài)存在一定的變化。目前，該河段左岸建有堤防，右岸為自然高地和護岸，河勢趨于穩(wěn)定。取水管道建成后，不會改變河道自然狀況，故不會對該河段的河道演變產(chǎn)生影響。

3 防洪評價計算

此次壅水分析計算采用MIKE 21 數(shù)值模型。MIKE 21 模型是丹麥水力學(xué)研究所DHI 開發(fā)的平面二維數(shù)學(xué)模型，該模型是在大量工程應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上持續(xù)發(fā)展起來的，在河道平面二維自由表面數(shù)值模擬方面具有強大的功能[3]。

3.1 計算范圍及條件

1）計算范圍

二維模型縱向計算范圍選取二松CS12 斷面（濱江大道規(guī)劃五橋下游5.6 km 處）至哈達山水利樞紐壩址上游約3.0 km處，模擬長度共計19.0 km；橫向以第二松花江左岸現(xiàn)狀堤防及護堤和右岸自然地形為邊界。二維模型計算范圍河道內(nèi)的地形數(shù)據(jù)采用2003 年實測第二松花江縱、橫大斷面圖。

2）網(wǎng)格剖分

計算網(wǎng)格主要采用三角網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為10 803個，計算結(jié)點數(shù)為5 745 個，計算網(wǎng)格最大面積為3 000 m2。研究范圍內(nèi)規(guī)劃的五橋橋墩及哈達山樞紐按不過水處理，引水管線所在研究范圍的網(wǎng)格進行加密處理，網(wǎng)格最大面積為400 m2，計算時間步長為180 s，河道糙率根據(jù)各個斷面實際情況進行分段選取。

3）邊界條件

上游入流邊界斷面位于哈達山水利樞紐壩址上游約3.0 km 處，下游出流斷面位于CS12 斷面。上、下游邊界計算條件采用《松花江干流治理工程可行性研究報告》中100，50 年一遇洪水成果，其結(jié)果與《松花江流域防洪規(guī)劃》（國函［2008］14 號）一致，如表1 所示。

表1 二維模型上下游邊界計算條件

4）模型的糙率選取

考慮該工程大斷面實際情況，分段選取此次研究范圍內(nèi)二維模型綜合糙率，規(guī)劃五橋及哈達山樞紐按未建成考慮，選取結(jié)果見表2。

表2 糙率選取表

二維模型糙率率定根據(jù)《松花江流域防洪規(guī)劃》中的50 年一遇（P=2%）水面線規(guī)劃成果進行率定，結(jié)果如表3 所示。

表3 河道糙率率定結(jié)果表m

由表3 可以看出，50 年一遇的洪水二維模型模擬結(jié)果與防洪規(guī)劃水面線計算成果基本一致，偏差均在0.10 m 以內(nèi)，因此，可以認為模型選用的糙率是合理的，可以作為取水管道壅水計算的依據(jù)。

3.2 雍水分析計算

1）水面線計算

對取水管道建成后的河道洪水進行二維模擬計算，P=2%及P=1%的二維水面線結(jié)果見表4。

表4 二維模型河道水面線計算成果表m

由表4 可知，與現(xiàn)狀河道比較，取水管道建成后，發(fā)生50，100 年一遇洪水時，不會壅高第二松花江洪水位，不占用河道正常行洪斷面，對河道正常行洪沒有影響。

2）流速計算

該工程建成后，發(fā)生50年一遇洪水時，取水管道所在斷面最大流速為0.34 m/s，平均流速為0.08 m/s；發(fā)生100 年一遇洪水時，最大流速為0.40 m/s，且集中在靠近壩下游導(dǎo)墻一側(cè)，平均流速為0.09 m/s，斷面整體流速較小。

3.3 沖刷計算

由于取水管道位于河道內(nèi)，故需要對取水管道所在斷面CS17 進行沖刷計算。

1）根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，沖刷深度計算公式：

式中：hS為沖深，m，從水面算起；H0為沖刷處水深，m，以近似設(shè)計水位代替；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；Uc為泥沙啟動流速，m/s；n為糙率，取1/4；η為水流流速不均勻系數(shù)，取1。

對于砂質(zhì)河床，泥沙起動流速采用張瑞瑾[4]公式：

式中：H0為行近水流水深，m；d50為床沙中值粒徑，m；γs為泥沙的容重，取17.7 kN/m3；γ為水的容重，取9.8 kN/m3。

該段河道100年一遇洪水流量為7 500.00 m3/s，沖刷計算結(jié)果：設(shè)計水位為139.50 m，水深為2.42 m，啟動流速為0.31 m/s，最大流速為0.40 m/s，沖深為0.20 m。

2）由于取水管道位于河道灘地處，該處河床土質(zhì)表層為非粘土，沖刷深度根據(jù)JDC C30—2015《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》按下式計算：

式中：Q1為河灘部分通過的設(shè)計流量，m3/s；μ為水流側(cè)向壓縮系數(shù)，取1；htm為河灘的最大水深，取2.42 m；htq為河灘的平均水深，取1.71 m；Bt為河灘部分過水凈寬，取1 450.00 m；VH1為河灘水深1.00 m 時非粘性土不沖流速，取0.35 m/s。

該工程取水管道建成后，發(fā)生100 年一遇洪水時，取水管道所在斷面最大沖深為0.80 m，集中在壩下游導(dǎo)墻一側(cè)，而取水管道地下埋深大于1.80 m，符合最大沖刷深度要求。

3.4 哈達山水利樞紐壩體穩(wěn)定性復(fù)核

3.4.1 滲透穩(wěn)定計算

1）計算條件及工況

壩體的滲透系數(shù)為2.92×10-5cm/s，壩基砂層滲透系數(shù)為7.48×10-3～2.38×10-2cm/s。計算方案采用二維有限元法，計算程序采用Autobank7.7版，計算剖面選擇0+506.00 剖面。計算水位上游為正常蓄水位，下游為5 臺機發(fā)電水位，分管廊施工期及完建期兩種工況。

2）計算成果

正常蓄水位工況下，防滲墻頂部附近滲透比降最大為1.590，壩體下游壩坡出逸比降為0.230，均小于粘土的允許滲透比降3.000～5.000。

3.4.2 土壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算

1）計算條件及工況

計算方案采用二維有限元法，計算程序采用Autobank7.7 版，計算剖面選擇0+506.00 剖面。土壩壩坡穩(wěn)定正常運用條件：計算水位為正常蓄水位，上游水位為140.50 m，下游水位為135.34 m，允許安全系數(shù)1.5。

2）計算成果

壩坡抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果：管廊施工期和完建期的最小安全系數(shù)分別為1.70 和2.11，均大于允許最小安全系數(shù)1.50，因此粘土均質(zhì)壩坡滿足抗滑穩(wěn)定要求。

4 防洪綜合評價

1）工程建設(shè)與現(xiàn)有水利規(guī)劃的關(guān)系及影響分析。該工程取水管道是吉林省政府批復(fù)的《松原市城市總體規(guī)劃（2011—2030 年）》中確定的規(guī)劃區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施工程，即哈達山北岸規(guī)劃布局凈水廠1處，給水水源取自哈達山水利樞紐。根據(jù)《松花江流域防洪規(guī)劃》《松花江流域綜合規(guī)劃（2012—2030 年）》和《松花江干流治理工程可行性研究報告》，第二松花江防洪體系是堤庫結(jié)合的防洪工程體系。第二松花江豐滿水庫以下河道防洪標準為50 年一遇，其中，松原市城市防洪標準為100 年一遇。經(jīng)壅水計算，取水管道建成后，不壅高第二松花江50 年和100 年一遇洪水位，不占用河道正常行洪斷面，不會對護岸造成不利的影響，取水管道建設(shè)符合上述規(guī)劃和可行性報告。

2）項目建設(shè)對河道泄洪能力的影響分析。取水管道建設(shè)后，發(fā)生100 年及50 年一遇洪水時，不壅高洪水位。擬建管道埋設(shè)于地下，不占用行洪斷面，工程實施不改變第二松花江水位和流速，對河道行洪安全沒有影響。取水管道施工不設(shè)置圍堰，不會產(chǎn)生阻水作用，頂管施工位置位于自然高地處，且不在河道管理范圍線內(nèi)，故認為取水管道施工方案對行洪安全無影響，施工期洪水對取水管道施工也無影響。

3）項目建設(shè)對河勢穩(wěn)定的影響分析。目前，該河段左岸建有堤防、右岸為自然高地和護岸，河勢趨于穩(wěn)定，取水管道建成后不會改變河道自然狀況，不會對該河段的河勢穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

4）項目建設(shè)對其他水利工程及設(shè)施的影響分析。哈達山水利樞紐工程采用管廊的形式穿越壩下棄料壓重部分，避免管道漏水對壩體沖刷產(chǎn)生影響。經(jīng)計算復(fù)核，管廊施工期及完建期哈達山水利樞紐大壩壩體在滲透穩(wěn)定、壩坡抗滑穩(wěn)定方面均滿足安全要求，工程建設(shè)對哈達山水利樞紐的安全運行基本無影響。扶余水文站位于取水管道下游約23.6 km 處，工程對水文站無影響。

5）洪水對項目本身的影響分析。根據(jù)流速、沖刷計算結(jié)果分析，洪水對取水管道無影響。

6）工程建設(shè)對防汛搶險的影響分析。取水管道位于哈達山水利樞紐壩下河道灘地處，根據(jù)現(xiàn)場查勘，取水管道建設(shè)范圍內(nèi)無防汛通訊設(shè)施、汛期臨時水尺及防汛搶險堆料場等，取水管為地下埋管，不占用防汛搶險通道，不影響防汛搶險車輛通行。

5 結(jié)語

通過對松原市江北凈水廠哈達山取水工程的防洪影響評價分析，該工程建設(shè)后對河道行洪、河勢穩(wěn)定和現(xiàn)有防洪工程與設(shè)施影響不大，計算成果合理且符合實際情況，可作為工程建設(shè)完成后河道管理的依據(jù)。建議在施工期，應(yīng)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，應(yīng)及時恢復(fù)河道原貌；嚴格控制施工工期，務(wù)必在主汛期前完成取水管道主體施工；運行期應(yīng)優(yōu)化閘閥調(diào)度，盡量避免管道震動。