鄂北工程唐白河夹河套段PCCP防护研究

李 浅，陈 诺

（鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（筹）,430071，武汉）

鄂北工程唐白河夹河套段PCCP防护研究

李 浅，陈 诺

（鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（筹）,430071，武汉）

鄂北地区水资源配置工程夹河套段工程为白河和唐河之间夹河套区域的PCCP倒虹吸输水工程。输水线路以钢管管桥架空跨越白河、唐河，倒虹吸以沟埋PCCP穿越夹河套地区。唐河、白河的堤防溃（漫）堤可能会对该工程区域造成严重的冲刷，影响工程的稳定性。初步设计阶段拟采用格栅石笼对夹河套段PCCP倒虹吸进行初步防护。为进一步优化设计，降低投资成本，开展夹河套段PCCP防护研究，通过数学和物理模型模拟，计算、分析不同频率洪水在不同河道防洪标准、不同溃口位置及不同工程防护条件下对工程的破坏情形及程度，从而提出优化工程管道防护的建议。

PCCP；倒虹吸；模拟洪水影响；工程防护

一、工程概况

鄂北地区水资源配置工程夹河套段工程为白河和唐河之间夹河套区域的PCCP倒虹吸工程。夹河套地区位于白河、唐河之间，根据工程布局，需向夹河套地区的朱集镇分水。输水线路通过比选，以管桥架空跨越白河、唐河，再以倒虹吸（沟埋PCCP）穿越夹河套地区。根据初步设计方案，工程由3根DN3 800 mmPCCP同槽布置，管段总长6.44 km，管顶覆土深度2.0～7.0 m。考虑到此段地势平坦，为防止洪水冲刷管道，在管道顶部回填区设计了1 m厚、50 m宽、6.44 km长格栅石笼对工程进行防护。格栅石笼按50年一遇设计洪水、200年一遇校核洪水设计。

夹河套区域从上游至下游汇合处呈现上宽下窄的喇叭状地形，唐河、白河的堤防溃（漫）堤可能会对工程区域造成严重冲刷，从而影响工程的稳定性，初步设计阶段对夹河套段埋管进行格栅石笼覆盖防护，未充分考虑唐河、白河在溃堤情况下夹河套地区地面冲刷的变化过程。另外6.44 km全线格栅石笼的防护方案设计工程量为30.74万m3，投资8 072万元，且对周边环境产生较大影响。为把鄂北工程建成绿色生态工程，开展唐白河夹河套段PCCP防护研究是十分必要的，该研究旨在通过优化格栅石笼设计方案减少工程量，节约工程投资，同时减少对工程周边环境的影响。

图1 拟定溃口位置图

二、防洪形势分析

1.河道及区域概况

白河干流长329.3 km，唐河干流长284 km，唐河、白河在襄阳市两河口汇合后称唐白河，后汇入汉江，唐白河干流长23 km。唐白河流域总集水面积24 500 km2。

2.水文气象条件

唐白河流域属亚热带湿润地区，同时具有湿润地区到半湿润地区过渡地带的气候特性，流域多年平均降水量为820 mm，其降雨量具有年内分布不均、年际变化大的特点。根据水文数据统计，白河、唐河来水主要集中于汛期5—10月，汛期来水量占全年来水量的80%左右。

3.工程跨河处水利现状及规划

唐河流域缺乏适宜修建大的防洪控制性工程地点，防洪主要依靠干支流堤防。白河上游建有鸭河口水库，能有效削减唐白河上游干流洪峰，对白河中下游防洪作用显著。

唐河、白河干流堤防现状防御洪水能力偏低。管桥跨唐河处右岸现状无堤，左岸有堤，堤防等级为4级。管桥跨白河处右岸为自然高地，无堤，左岸属于永安堤段，堤防等级为4级。根据2003年编制的《唐白河干流防洪治理一期重点工程初步设计报告（湖北段）》，工程跨唐河左岸堤防，根据紧迫性和分期实施的原则，近期尚未列入唐白河干流防洪治理一期重点工程；永安堤防已列入唐白河干流防洪治理一期工程，防洪标准为20年一遇，堤防工程为4级。

4.设计洪水

由于位于唐河、白河处的工程断面离河口较近，与相应河口控制面积相差不大，从安全角度考虑，本次引水线路跨唐河、白河的设计洪水采用唐河、白河河口设计洪水成果，唐河、白河河口处的设计洪水采用《唐白河流域（湖北段）防洪治理工程可行性研究报告（修订稿）》成果，其中白河河口采用鸭河口水库削峰后的设计洪水成果。

考虑到工程50年一遇设计标准、200年一遇校核标准，研究采用相应量级设计洪水标准进行计算分析，由于50年一遇以上设计洪水远远超过堤防的现状及规划防洪标准，无疑会发生漫堤情况。考虑到对工程最不利情况，计算中的50年一遇、200年一遇洪水位分别假设两岸堤防无限加高而不发生漫堤的情况。

三、数学模型计算

1.模拟方法

唐河、白河河道洪水采用河网一维水动力模型（Saint-Venant方程组）进行模拟，利用MIKE11进行计算；唐河、白河之间的夹河套区域洪水采用平面二维水流数学模型 （连续性方程）进行模拟，利用MIKE21进行计算；河道一维与夹河套区域二维耦合模型利用MIKE FLOOD耦合模拟平台进行衔接。

2.模拟方案

根据唐河、白河防洪规划、工程防洪设计及校核标准，模拟唐河、白河洪水频率采用20年一遇、50年一遇及200年一遇。考虑最不利情况，主要拟定以下3种洪水组合方案：

①唐河、白河同时发生20年一遇设计洪水，唐河、白河分别发生溃口。

②假设堤防无限加高，唐河、白河同时发生50年一遇设计洪水，唐河、白河分别发生溃口。

③假设堤防无限加高，唐河、白河同时发生200年一遇设计洪水，唐河、白河分别发生溃口。

3.模型建立

（1）边界条件设定

模型上边界：采用唐河上游、白河上游流量过程。

模型下边界：采用唐白河汇流口下游水位流量关系。

内边界：堤防溃口处分洪流量计算采用宽顶堰堰流公式，对于区域内河渠圩垸堤防以及各交通干线等，只考虑漫溢，不考虑溃决情况。

（2）溃口位置拟定

唐河、白河溃口位置的确定以出险可能性最大、溃口后对工程威胁严重及关注程度为考量因素选取，最终确定在唐河、白河各选取3处溃口位置（见图1）（唐河、白河溃口编号分别为 T1～T3、B1～B3），6 处溃口分别位于工程位置处（B2和T2）、工程位置上游处弯段（B1和T1）、工程位置下游处弯段(B3和T3)。

（3）溃口形状和宽度选取

溃口形状采用梯形，溃口尺寸按线性扩展；假定初始时刻溃口宽度及深度分别为最大溃口宽度和深度的1/5左右，之后随时间线性扩展至最终溃口尺寸，堤防溃口坡度均设定为1∶2。溃口宽度根据《洪水风险图编制导则（试行版）》推荐的估算公式，计算值在105～175 m之间，考虑到风险不利原则，并方便进行方案对比，取各溃口宽度计算值的均值140 m作为拟选溃口的宽度，同时，考虑到溃口越宽，溃口初期冲刷影响范围越大，因此针对影响最严重方案再选取各溃口计算值上包180 m溃口宽度进行对比。此外针对工程位置溃口处（B2和T2），再选取250 m溃口宽度进行对比分析。

（4）漫流模型设定

由于唐河、白河河段较长，将漫流模型进行概化。漫流侧向连接选择在地势平坦开敞的地方，有利于进洪、吐洪。考虑最不利方案，在工程线路附近区域不设置漫流口，只在上游和下游设置一定数量的漫流口。由于工程附近唐河、白河河道主槽宽度在200 m左右，加上滩地不足1 000 m，因此，漫流口宽度选取1 000 m。具体布置为：在唐河、白河工程线路上游不同位置各设置5个1 000 m宽的侧向连接，线路下游各设置2个1 000 m宽的侧向连接。由于50年一遇、200年一遇设计洪水等远超唐河、白河的堤防设计标准和河道安全泄量，进行方案计算时无疑会发生两岸漫堤情况。基于工程最不利情况，均按堤防无限加高而不发生漫溢情况进行考虑。

（5）计算水文条件

水文条件1（最不利水文条件）：不考虑洪水过程，上边界入流唐河郭滩站、白河新店铺站给定200年一遇恒定流量过程，计算历时5日。

水文条件2～5：分别选取唐河、白河2000年场次洪水过程，进行同倍比放大得到200年一遇、100年一遇、50年一遇、20年一遇设计洪水过程。

（6）计算方案汇总

根据以上条件进行组合，共得到25种计算方案。

4.计算成果

（1）流量

如图2所示，在最不利水文条件（水文条件1）下，同一溃口宽度（140 m），白河BH3溃口流量>BH2溃口流量>BH1溃口流量，唐河TH2溃口流量>TH3溃口流量>TH1溃口流量。主要原因是BH3和TH2溃口附近地面高程较低，对峰值流量影响较大。

图2 白河（左图）、唐河（右图）溃口各方案溃口流量峰值

对于工程位置溃口 （BH2和TH2），溃口宽度越大，峰值流量越大，但140 m溃口宽度情况下的大流量持续时间较长。

对于唐河、白河工程位置同时溃口，在其他条件相同的情况下，溃口处峰值流量小于单一溃口峰值流量。由于同一重现期的洪水，工程位置处唐河水位远高于白河水位，导致唐河溃口进洪、白河溃口出洪的情况。

图3 白河（左图）、唐河（右图）不同溃口方案工程沿线最大流速分布

另外，对于不同水文条件下工程位置溃口各方案，洪水量级越大，溃口流量越大。

（2）工程沿线最大流速

对于不同溃口方案 （见图3），溃口宽度相同时，工程位置处溃口较其他溃口位置的工程沿线的流速最大。对于工程位置处溃口（见图4），白河180 m溃口宽度方案的工程沿线最大流速较140 m宽度溃口方案稍大一些，唐河与之相反。各方案中在水文条件1的情况下，工程位置处单一溃口的工程沿线流速最大，对工程影响最严重。

图4 白河（左图）、唐河（右图）工程位置处溃口工程沿线最大流速分布

（3）工程沿线流速分布范围

根据模拟计算结果，在水文条件1的情况下，工程位置处溃口对工程沿线的影响最大。白河（或唐河）在工程位置处溃口时，对于140 m、180 m、250 m不同溃口宽度，抗冲流速（白河1.3 m/s，唐河 1.5 m/s）沿工程线路的影响长度依次为465 m （或533 m）、562 m（或 608 m）、631 m（或 812 m），相比之下，唐河、白河同时溃口对工程沿线的影响较小。

（4）漫流方案

通过统计各方案漫过工程线路的总流量峰值，在水文条件1情况下漫流方案流量峰值最大，影响也最为严重。各水文条件下的漫流方案，流速最大值主要分布在穿过工程线路中间的太湖渠附近低洼地带，其中在水文条件1情况下沿程流速最大。而相对于溃口方案，漫流方案的工程沿线流速相对较小，对工程线路影响不大。

5.结论及分析

①综合比较不同溃口方案，在其他条件相同的情况下，工程线路位置处溃口对工程沿线的影响最大。

②综合比较不同量级洪水，洪水量级越大，对工程线路影响越严重。

③不同溃口宽度对工程线路不同区域的影响不同。从最大流速和持续时间来看，在溃口附近区域，250 m溃口方案溃的最大流速及历时均小于180 m和140 m溃口方案；在工程沿线距离溃口稍远区域，250 m溃口方案溃的最大流速稍大于180 m和140 m溃口方案，但其历时小于180 m和140 m溃口方案。从最大流速分布范围来看，250 m溃口方案的最大流速分布范围最大。

④根据25种方案，确定了工程线路风险最大的2处区域（白河侧流速1.3 m/s以上，唐河侧流速1.5 m/s以上），分别为工程线路白河端长562 m、唐河端长608 m范围。

四、物理模型试验分析

1.模拟方案

数学模拟各方案叠加了唐河、白河同时发生200年一遇恒定洪峰流量洪水、堤防无限加高等多种极端不利因素，综合考虑不同溃口宽度的最大流速、影响范围及持续历时，选取唐河、白河工程位置处180 m单一溃口方案进行物理模型试验，得到白河、唐河溃口后沿管线影响范围为562 m及608 m。

2.定床试验及成果分析

为验证唐河、白河溃堤后的水流流态及分布情况是否与数学模型一致，分析相应的流速影响范围，同时确定合理的动床模型模拟范围，记录模型进口流量与相应水位的对应关系，需开展定床试验。参考数学模型的工况，针对工程位置溃口，开展2%（50 年一遇）、1%（100 年一遇）、0.5%（200年一遇）3种洪水频率下的定床模型试验。

（1）一致性检验

考虑到物理模型范围限制及溃堤洪水对夹河套的冲刷影响在溃堤初始时期2小时内最大，因此，选取溃堤初始时期2小时内的数学模型及定床模型试验进行流速影响范围对比。根据白河工程位置处溃口下3种频率洪水的定床模拟结果可知，2%洪水频率时，数学模型沿工程管轴线方向最大流速稍小于定床模型结果，而其影响范围稍大于定床模型结果；1%和0.5%洪水频率时，数学模型沿工程管轴线方向最大流速及其影响范围均稍小于定床模型结果，但差别不大。根据唐河定床模拟结果可知，在3种频率洪水下数学模型沿工程管轴线方向最大流速及其影响范围均稍小于定床模型结果，但同样差别不大。因此，对于唐河、白河工程位置处溃口沿工程管轴线方向的流速影响范围均可作为确定动床模型试验范围的依据。

（2）冲刷深度及范围

根据经验公式，参考《架空送电线路大跨越工程勘测技术规程》（DLT 5049—2006），结合工程实际情况，计算得到白河、唐河溃堤后最大冲坑深度分别为10.6 m和19 m，冲刷范围分别为溃口处沿工程管线300 m和464 m以内，最深点高程均低于工程底板位置。

3.动床试验及成果分析

根据白河、唐河定床模型抗冲流速（1.3 m/s和 1.5 m/s）影响范围包络线，及影响范围为沿管线方向650 m和630 m。选取白河、唐河动床模型试验覆盖范围分别为700 m×320 m和700 m×400 m，分别开展2%和0.5%洪水频率下无防护工程和初步设计阶段防护方案下的动床模型试验。

（1）无防护方案

在白河、唐河无防护方案下进行模拟分析，结果表明，在最不利情况下（洪水频率0.5%），白河、唐河沿管线方向冲刷范围分别为500 m和300 m，沿管线265 m和200 m，分别冲刷至工程底板高程，以65 m为冲坑底高程计算的最大冲坑宽度分别超过280 m和250 m。

（2）初步设计防护方案

初步设计管线防护方案如下：夹河套段PCCP倒虹吸3管同槽，从上至下依次为0.5m耕植土、1m厚格栅石笼、回填土、PCCP。根据初步设计方案，格栅石笼宽50m、厚1m，动床试验中采用小碎石+瓜米石填充钢丝网进行模拟，按照重力及几何相似，钢丝网石笼模型宽1.42 m、厚3 cm。

在以格栅石笼为防护措施的情况下，试验后两种频率洪水均在工程两侧形成较为明显的冲刷坑，距溃口较近位置由于格栅石笼下部及两侧泥沙被不均匀淘刷，格栅石笼前部塌落变形明显。在最不利情况下（洪水频率0.5%），白河、唐河分别在溃口位置后管线70 m和110 m范围内，格栅石笼向下侧及两侧塌落变形严重； 溃口后管线 70～140 m、110～200 m范围内格栅石笼向下侧塌落有所减缓，两侧仍有一定塌落。白河、唐河溃口后，格栅石笼分别在沿管线140 m和200 m以后基本稳定。同时，由于仅在工程轴线宽度50 m范围内进行防护，在工程两侧形成新的冲刷坑，并且两侧的冲刷范围大于轴线位置。

4.试验结果及分析

根据实验后格栅石笼的破坏情况，唐河、白河溃口处沿管线200 m、140 m范围内需加强防护。由于水流淘刷，格栅石笼向两侧塌陷，进而失稳失去对工程的保护作用。根据唐河、白河溃堤后无防护工程冲刷影响范围及初步设计方案中工程两侧的冲刷影响范围，除了对工程上部进行防护外，建议对唐河、白河溃口处300 m、650 m范围内工程两侧进行防护，对溃口处630 m、650 m以外的防护工程适当优化。

五、结论及建议

1.结论

①数学模型计算结果表明，在其他条件相同的情况下，工程线路位置处溃口对工程线路的影响最大；洪水量级越大，对工程线路的影响越大；溃口宽度越大，溃口处最大流速减小、工程线路其他区域最大流速增大、最大流速等值线范围增大、较大流速持续历时减小。对各溃口方案分析，大流速主要分布在溃口附近区域，对工程线路影响较严重；对各漫流方案分析，较大流速主要分布在太湖渠附近，由于流速不大，对工程线路影响较小。数学模型结果最不利方案为唐河、白河200年一遇恒定洪峰流量条件下工程位置处单一溃口（180 m 宽溃口），此方案下，白河、唐河抗冲流速以上影响工程线路长度分别为562 m和608 m。

②定床物理模型试验结果表明，随着溃堤时外江水位升高，唐河、白河溃堤后最大流速及抗冲流速影响包络范围均逐渐增大；溃堤后流态及流场分布情况与数学模型计算结果基本一致，白河、唐河抗冲流速以上影响工程线路长度分别为650 m和630 m，最大冲坑深度分别为10.6 m和19 m，冲刷范围分别为溃口处沿管轴线方向300 m和464 m。

③动床物理模型试验结果表明，发生200年一遇洪水时对工程冲刷影响最大。在无防护工程情况下，唐河、白河的冲刷坑最大深度分别为13 m和9.5 m，溃堤洪水沿管线冲刷影响范围分别约为300 m和500 m，冲刷至工程底板高程的范围分别约为200 m和265 m。在初步设计防护方案下，水流在工程两侧形成新的冲刷坑，靠唐河侧，溃口管线110 m范围内，格栅石笼有较明显变形，在靠近溃口处塌落变形最大，沿管线100～200 m范围内石笼高程略有下降，200 m以外基本稳定；靠白河侧，溃口管线140 m范围内，格栅石笼塌落变形较大，靠近溃口处越明显，140 m以外基本稳定。

2.建议

①加强唐河、白河工程溃口处沿管线200 m和140 m范围内管线的防护力度。

②对唐河、白河工程溃口处沿管线300 m和500 m范围内管线侧面进行防护。

③对白河工程溃口处的堤防及沿堤防两侧一定范围内进行加固防护，必要时可进行堤防局部加高，防止工程位置处堤防溃决或漫溢对管线的冲刷影响。

[1]国家防汛抗旱总指挥部办公室.洪水风险图编制导则（试行）[S].2005.

[2]架空送电线路大跨越工程勘测技术规程（DLT 5049—2006）[S].2006.

Research on protection of inverted siphon in Jiahetao Area between Tang River and Bai River in Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Provin

Li Qian,Chen Nuo

Inverted siphon project in Jiahetao Area was part of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province.it was supposed to be constructed applying PCCP in the area between Tang River and Bai River,and spanning the two rivers with pipeline bridge.Flooding of the rivers could exert significant scouring effects on the project.At the preliminary design phase,geogrid gabions were designed covering the PCCP to protect it from scouring.In order to further optimize the design and reduce the investment cost,research on protection of Inverted siphon project in Jiahetao Area was conducted.Mathematical and physical models were built and simulated with various floods,dyke breach on different sites,and different protection measures of PCCP,so as to find out how seriously the damage of flood can cause.By analyzing the modeling results,recommendations were given to optimize the protection measures of this project.

Prestressed Concrete Cylinder Pipe;inverted siphon;modelling flood effect;engineering protection

TV68+TV672.5

B

1000-1123（2017）22-0023-05

2017-10-11

李浅，工程师。

责任编辑 韦凤年