鄂北地區(qū)水資源配置工程夾河套段倒虹吸防護研究

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(1.鄂北地區(qū)水資源配置工程建設與管理局(籌),武漢　430071;2. 長江科學院 水利部江湖治理與防洪重點實驗室, 武漢　430010)

1　研究背景

我國江河湖泊眾多，堤防岸線長。絕大多數(shù)中小河流位于欠發(fā)達地區(qū)，堤防設計標準低，質量差。一遇洪水便險情不斷，甚至發(fā)生潰堤或漫溢。特別是近年來氣候變化導致暴雨頻繁、集中、強度大，引起的突發(fā)性洪水及其導致的潰漫堤洪澇災害越來越頻繁，造成人員傷亡和嚴重的經濟損失。此外，隨著社會經濟發(fā)展及大量基礎設施的建設，如高鐵、高速、輸水、輸電、輸油線路不可避免地穿越許多中小河流及洪泛區(qū)。堤防潰口附近區(qū)域往往形成巨大的沖刷坑，會給這些基礎設施的安全運行帶來風險和隱患。潰漫堤洪水風險分析日益受到更多的關注和研究。

由于潰口水流結構復雜，緩流和急流同時存在，流場存在瞬變或間斷流動區(qū)域，給潰堤洪水模擬特別是潰口沖刷問題研究帶來了較大困難[1]。目前應用較多的主要有簡化水力學公式等半理論半經驗公式法[1-2]、物理模型試驗[3-6]以及數(shù)學模擬[7-9]等。潰堤洪水沖刷影響計算多采用簡化的經驗公式法，物理模型試驗主要體現(xiàn)在潰口模擬方面，潰決水流數(shù)學模擬主要體現(xiàn)在潰口附近水流及區(qū)域洪水演進方面，而對潰口附近沖刷及其對工程影響等方面的研究較少。潰堤洪水分析模型及算法盡管已有不少成果，但在潰漫堤洪水對工程線路的影響因素、范圍及程度等方面的應用研究還有待進一步深入。

本文以唐白河夾河套倒虹吸工程為例，綜合運用數(shù)學模擬和物理模型試驗等多種手段研究夾河套區(qū)域潰漫堤洪水的影響范圍及對工程區(qū)域的沖刷破壞程度。針對天然河道及夾河套區(qū)域潰漫堤水流特點，建立了唐白河河網一維及夾河套區(qū)域二維水動力耦合的潰漫堤模型，分析了不同洪水標準、不同潰口位置、不同潰口寬度、漫溢各方案對工程線路的影響，并選取最不利方案進行了潰漫堤洪水物理模型沖刷試驗，分析了潰漫堤洪水可能造成的沖刷破壞程度和影響范圍，進而為區(qū)域的洪水影響分析及工程線路防護范圍及程度提供技術支撐。

2　工程概況

鄂北地區(qū)是湖北省人口耕地相對集中的地區(qū)，歷來也是省內干旱缺水的地區(qū)，嚴重影響本地區(qū)糧食生產和城鄉(xiāng)供水安全。近年湖北省提出了鄂北地區(qū)水資源配置工程方案，從丹江口水庫清泉溝隧洞引水，穿越襄陽老河口市、襄州區(qū)、棗陽市，隨州隨縣、曾都區(qū)、廣水市，終到孝感市大悟縣，向沿線城市及工業(yè)、唐東地區(qū)農業(yè)供水，以緩解鄂北地區(qū)水資源短缺的局面，輸水線路全長269.67 km。該工程也是2015年我國部署開工建設的127項重大水利工程中投資規(guī)模最大的工程之一。

鄂北地區(qū)水資源配置工程線路穿越唐河、白河之間的夾河套地區(qū)，夾河套區(qū)域從上游至下游匯合處呈現(xiàn)上寬下窄的喇叭狀地形，如圖1所示，工程位置處唐河、白河之間，距離約為7 km。輸水線路在布置時，以鋼管管橋架空跨越白河、唐河，以倒虹吸溝埋PCCP管穿越夾河套地區(qū)，倒虹吸溝埋管段總長6.44 km。此段地勢平坦，唐河、白河的堤防潰(漫)堤可能會對溝埋管道造成嚴重的沖刷，影響工程穩(wěn)定性。為防止洪水沖刷管道，初步設計階段擬在管道頂部回填區(qū)設置1.0 m厚、50 m寬、6.44 km長的格柵石籠防護工程，然后覆土至原地面，根據(jù)地面高程不同，回填厚度2.0～7.0 m。格柵石籠防護需大量石方，增加工程造價，也會對周邊環(huán)境產生較大影響。

圖1　工程位置

本文開展倒虹吸工程格柵石籠防護方案專題研究，采用一維和二維耦合的水動力學模型和物理模型，分析夾河套段不同設計洪水標準下潰漫堤對工程線路可能造成的沖刷影響范圍及破壞程度，為工程優(yōu)化設計提供參考，以期通過方案優(yōu)化，節(jié)約格柵石籠工程量及工程成本，并減弱工程對周邊環(huán)境的影響。

3　研究方法

本文參考國內外水文水動力學等已有成果及經驗，采用多種綜合技術手段研究潰漫堤洪水的影響范圍及沖刷破壞程度。結合鄂北地區(qū)水資源配置工程唐白河夾河套段水文、地形、地質及水工建筑等資料，建立夾河套段潰漫堤數(shù)學及物理模型，分析不同設計洪水標準下潰漫堤洪水的影響范圍和沖刷破壞程度，為夾河套倒虹吸工程防護方案設計優(yōu)化提供支撐和依據(jù)。具體研究方案如下：

(1)根據(jù)河道特性及上下游水文站點等確定計算范圍，開展研究區(qū)域的基礎地理信息、水文及涉水工程等基礎資料的收集和整理，確定各計算方案的邊界條件。

(2)采用目前應用最為廣泛的MIKE系列軟件建立一、二維非恒定流耦合數(shù)學模型，通過率定和驗證，開展各方案的洪水分析計算；根據(jù)洪水分析計算結果，將夾河套地區(qū)不同量級洪水條件下各潰口最大流速分布、洪水歷時分布范圍疊加得到可能的最大沖刷影響范圍。模型及計算方案具體見文獻[9-10]，選取白河新店鋪、唐河郭灘站至唐白河董坡站及夾河套區(qū)域為計算范圍，建立唐河、白河一維河網及夾河套區(qū)域二維非恒定水動力學耦合模型，如圖2所示?？紤]不同洪水方案、不同潰口位置及潰口尺寸的最不利組合，分析計算夾河套區(qū)域洪水流速最大影響范圍，并據(jù)此確定物理模型試驗范圍。

圖2　一、二維耦合模型示意圖

(3)根據(jù)數(shù)學模型最不利工況(工程位置處BH2和TH2潰口，0.5%頻率設計洪水)的洪水影響范圍確定物理模型模擬范圍，針對潰堤洪水對夾河套地區(qū)的沖刷影響分別開展多種工況下唐河、白河單一潰堤定床和動床局部物理模型試驗。物理模型采用正態(tài)模型，根據(jù)數(shù)學模型計算結果并綜合考慮場地、防護工程規(guī)模等可能限制因素，選定模型比尺如表1所示。唐河側、白河側潰口位置附近分別以黏土、沙壤土為主，模型選沙方面分別采用黃沙、塑料合成沙進行模擬。

表1　潰堤模型比尺匯總

(a)白河潰堤模型(b)唐河潰堤模型圖3 物理模型平面布置Fig.3 Plane layout of physical models

模型量測系統(tǒng)主要包括表面流場系統(tǒng)、電磁流速儀、自動水位計、水位測針、自動測淤儀等，分別用來觀測模型表面流場、流速變化過程、水位變化、流速分布、河床地形等。考慮到潰壩過程中流速變化較快，采用移動式表面流場系統(tǒng)進行測量，移動式表面流場測量范圍0.001～50m/s，測量精度最高可達mm級。模型試驗中通過調整進口流量控制外江水位保持不變，分別在進水口布設3個水位觀測站，進行水位監(jiān)測。模型總平面布置圖見圖3，模型試驗場地照片見圖4。其中：白河模型模擬原型范圍約為1.2km×1.2km；唐河模型模擬原型范圍約為1.0km×1.4km。此外，根據(jù)初步設計方案中格柵石籠寬度50m，厚度1m，采用小碎石+瓜米石填充鋼絲網進行模擬，按照重力及幾何相似進行模擬，鋼絲網石籠模型寬度1.42m，厚度約3cm，鋼絲網石籠單元間采用扎絲進行連接，格柵石籠模擬見圖5。

圖4　模型試驗場地照片

圖5　格柵石籠模擬

針對工程沿線白河BH2潰口、唐河TH2潰口，分別開展了2.0%,1.0%,0.5%頻率設計洪水3種工況下的定床和動床模型試驗。采用定床模型進行同一洪水條件下的水流驗證試驗，采用動床模型進行工程防護前后的潰堤洪水沖刷模型試驗。物理模型試驗方案見文獻[10]。

(4)最后綜合數(shù)學模型、物理模型試驗成果對工程防護范圍進行論證，并提出優(yōu)化建議。

4　研究結果與分析

4.1　數(shù)學模型計算成果分析

數(shù)學模型計算方案及成果見文獻[9-10]。分別比較了唐河和白河的0.5%，1%，2%，5%頻率設計洪水條件、不同潰口位置、不同潰口寬度(140，180，250m)，以及唐河和白河同時潰口或單一潰口、漫流方案等25種組合方案。選擇潰堤可能性最大、潰口后對工程威脅嚴重和管理部門關注的位置作為計算擬定的潰口位置(見圖2)。

數(shù)學模型計算結果表明:工程位置處潰堤對工程線路的影響最大；洪水量級越大，對工程線路的影響越大；潰口寬度增加，大多呈現(xiàn)出潰口處最大流速減小、工程線路其他區(qū)域最大流速增大、最大流速等值線范圍增大、較大流速持續(xù)歷時減小的特點。各潰口方案的大流速均主要分布在潰口附近區(qū)域。對各漫溢方案，較大流速主要分布在太湖渠附近，但由于流速不大，對工程線路影響較小。綜合比較不同方案計算結果，分別選擇唐河、白河0.5%頻率設計洪水條件下工程位置處單一潰口180m方案和漫溢方案作為最不利方案，綜合各計算方案最大流速包絡范圍，如圖6所示。工程線路白河側抗沖流速1.3m/s和唐河側抗沖流速1.5m/s以上長度分別約562，608m，應重點關注。其計算邊界條件和影響范圍可為物模試驗條件和范圍的確定提供依據(jù)。

圖6　工程沿線洪水影響范圍

4.2　物理模型試驗成果對比分析

4.2.1定床模型試驗結果分析

采用定床模型試驗對比分析了同一洪水條件下的抗沖流速范圍，結果如表2所示。由表2可以看出，夾河套唐河、白河側沿管軸線方向的影響范圍分別為630m和650m。從沿管軸線方向的范圍和最大流速來看，均與數(shù)學模型計算成果基本一致。

表2　最不利情況下定床模型與數(shù)學模型的 流速影響范圍比較

4.2.2動床模型試驗結果分析

開展了多種工況下唐河、白河潰堤動床模型試驗。唐河、白河潰堤動床模型分別采用黃沙、塑料合成沙進行了無防護、有防護方案條件下的動床沖刷試驗。最不利工況(洪水頻率0.5%)計算結果如表3所示。

表3　最不利工況動床模型試驗結果

圖7　白河、唐河潰口處沖刷坑形態(tài)

白河、唐河潰口處沖刷坑形態(tài)如圖7所示。無防護工程動床模型唐河、白河沿管線附近沖刷坑范圍分別為300，500 m，沖刷坑平面近似橢圓形，范圍小于數(shù)學模型流速影響范圍。有防護方案模型試驗結果表明，由于初步設計格柵石籠防護寬度偏小,僅50 m，潰口附近區(qū)域工程兩側均形成較為明顯的沖刷坑，且潰堤洪水對石籠工程兩側的沖刷強度均大于其軸線方向。距潰口較近位置由于下部及兩側泥沙被不均勻淘刷，石籠前部均塌落變形明顯，唐河側、白河側距離潰口沿軸線方向的距離分別約200 m和110～140 m。除此之外的其他石籠區(qū)段基本穩(wěn)定。

4.3　防護范圍分析

根據(jù)數(shù)學模型、動床模型無防護和有防護方案試驗結果，最終確定夾河套地區(qū)的防護范圍。格柵石籠防護方案中擬定潰口位于工程軸線位置，若潰口恰位于工程上、下游較近范圍內，潰堤對格柵石籠兩側的沖刷是最不利的?？砂凑諢o防護工程沖刷坑的最大沖刷范圍結果確定出工程兩側需防護范圍,包括加強防護、適當防護以及簡單防護范圍。由表4和圖8所示可知:唐河、白河潰口外沿管軸線0～200 m,0～140 m范圍內格柵石籠沖刷變形嚴重，兩側存在著沖刷坑，需要對管線及其兩側進行加強防護，唐河側、白河側管線兩側防護寬度分別為500,560 m(單側范圍分別為250,280 m)。

表4　工程沿線沖刷防護范圍

圖8　工程防護范圍

對于沿管線唐河側200～300 m、白河側140～500 m范圍，有防護時格柵石籠及管線均較穩(wěn)定，無防護時該區(qū)域在沖刷坑范圍內，為安全起見，也需要對管線進行加強防護。對于沿管線唐河側300～630 m、白河側500～650 m范圍，動床模型試驗結果基本不受沖刷影響，但位于定床模型試驗測得的抗沖流速范圍內，為安全起見也需要進行適當?shù)姆雷o。除以上范圍之外的其他管線段，基本不受潰堤洪水沖刷影響，可以簡單防護或者削減防護。

5　結　語

本文采用數(shù)學模型和物理模型相結合的方法，對鄂北地區(qū)水資源配置工程夾河套段(PCCP) 倒虹吸防護工程應用方案進行了充分論證，并提出了優(yōu)化設計建議，主要結論為：

(1)數(shù)學模型計算成果表明潰堤洪水大流速主要分布在潰口附近區(qū)域，潰口位于工程線路附近時對工程的沖刷影響較嚴重；其余區(qū)域流速不大，對工程線路影響較小。

(2)綜合物理定床模型、動床模型試驗結果，根據(jù)格柵石籠的沖刷變形程度及范圍、沖刷坑范圍及抗沖流速影響范圍，確定了工程沿線不同等級的防護范圍，為優(yōu)化工程防護方案設計提供參考。