榆林市绥德、米脂、子洲三县供水工程防洪安全评价要点浅析

李 妍，范 旻，刘 瑞

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

0 前言

榆林市绥德、米脂、子洲三县供水工程可解决榆林市绥德、米脂、子洲三县城的生活、第三产业用水以及沿线缺水乡镇生活供水。起点位于王圪堵水库坝后电站出水口处，沿无定河敷设输水管道，通过管道将水输送至绥德、米脂和子洲，管道总长约154.04 km，由三县公用工程和专线工程组成。三县共用工程，输水线路全长约114.4 km，大部分管段位于无定河滩（阶）地，先后9 次横穿无定河干流。专用工程线路总长约39.63 km，包括米脂专线、子洲专线及绥德专线。工程主要建筑物（调压池、阀井等）均布置在设计洪水位以上。工程全线共有9 处倒虹穿越无定河干流，倒虹基础岩性为强风化砂岩及一处砂砾石层。工程全线共有临河管线12 段，合计长度8524.1 m，敷设地质岩层共三类，分别为粉细砂层、砂砾石层和强风化砂岩层。根据本工程的特点，结合河道演变分析成果，对管线的总体布置及选线方案进行防洪安全评价。以水文站、支流入汇口为节点，对工程区河道进行分段，复核相应河段倒虹和沿河敷设的管道为重点，进行冲刷深度分析计算，依据《洪水影响评价报告编制导则》（SL 520-2014），从多方面对工程防洪安全进行分析。

1 工程区河道演变趋势分析

1.1 河道平面演变

根据工程区河段1976年航测图和2019年实测图河道主槽套汇，结合工程现场走访调查，分析认为，受大洪水冲刷，局部河段主河槽向河道的凸岸有所摆动，总体河势比较稳定。

1.2 河道纵向演变

工程区无定河干流有赵石窑和丁家沟两个水文站，测站基本情况见表1，具体位置见图1。

表1 工程区无定河干流水文站基本情况统计表

图1 工程区水文站位置示意图

上游河道纵向变化情况，采用赵石窑水文站资料分析，实测大断面套绘图见图2。中下游河道纵向变化情况，采用丁家沟水文站资料分析，实测大断面套绘图见图3。

图2 赵石窑水文站历年大断面套绘图

图3 丁家沟水文站历年大断面套绘图

通过对赵石窑水文站较大洪水发生年份实测大断面资料套汇分析，可以看出，河道纵向没有明显变化，横向摆动频繁但演变幅度较小，河谷基本保持稳定。通过对丁家沟水文站较大洪水发生年份实测大断面资料套汇分析，丁家沟水文站基本断面冲淤基本平衡。

工程区无定河段上世纪末未建防洪设施，两岸多为耕地。从20 世纪80年代后期，随着城镇化建设的步伐加快，河道两岸堤防相继修建。沿河修建的河堤，缩窄了原有河道，使其改变为渠槽化的约束性河道，对稳定主河道起到了控制作用。

综上分析，工程区无定河河道演变及冲淤变化，主要受天然洪水和人为干预的影响。就河床总体趋势来看，河床纵、横向均基本保持稳定。项目河段已建的河堤工程，使河道总体趋势被固定，主流摆动被控制在一定的范围之内，断面冲淤变化在河堤建成后的一两次较大洪水后相对趋于稳定。

2 设计洪水复核分析计算

无定河干流王圪堵水库坝址至丁家沟水文站段，共分为5段，分段情况见表2。

表2 工程区分段情况说明表

各段的设计洪水为王圪堵水库下泄洪水与相应的区间天然洪水叠加。从工程安全角度考虑，王圪堵下泄洪水采用后期调洪演算结果，叠加计算时采用“峰+峰”计算。工程区内，无定河干流有赵石窑、丁家沟等2 个水文站，在确定无定河干流区间天然洪水时，采用水文比拟法计算，公式如下：

式中：Q设、Q参分别为设计断面和参证站洪峰流量；F设、F参分别为设计断面和参证站流域面积；n 为指数，本次采用2/3。

经分析，选用赵石窑水文站1973年～2016年实测洪水系列，丁家沟水文站1959年～2016年实测洪水系列，加上历史洪水调查成果，组成不连序系列进行频率分析，采用P-Ⅲ型曲线，用矩法初估参数，目估适线。经合理性分析，推荐设计成果见表3。

表3 参证站设计洪水成果表

王圪堵水库—赵石窑水文站段以赵石窑站为参证站，赵石窑水文站——丁家沟水文站段以丁家沟站为参证站。设计洪水复核计算成果见表4。分析认为，该工程设计成果满足相关设计规范要求。

表4 工程设计洪水复核计算成果表 单位：m3/s

3 管道埋深评价

管道沿线穿越地层主要为第四系松散堆积层和三叠系强风化砂岩层。其中第四系松散堆积层包含粉细砂层和砂砾石层，三叠系强风化砂岩层包括上统瓦窑堡组强风化砂岩和上统胡家村组强风化砂岩。工程全线共有9 处倒虹穿越无定河干流，倒虹基础岩性为强风化砂岩及一处砂砾石层。工程全线共有临河段12 段合计长度8524.1 m，临河管线均敷设于三大地质岩层中，分别为粉细砂层、砂砾石层和强风化砂岩层。

穿河倒虹断面河槽部分最大冲刷深度采用《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015）提出的64-2 简化式和64-1 修正式进行计算。临河管线断面顺河冲刷深度根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）规定的公式进行冲刷深度计算。

3.1 穿河管线埋深评价

参考《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC 30-2015），埋设于岩石河床的构筑物，应考虑岩石的可能冲刷，冲刷深度根据岩石的坚硬程度、胶结物类别、风化程度、节理、裂隙、节理发育情况等，按本规范附录D 分析确定。本次倒虹穿越的三叠系强风化砂岩层岩性主要为灰黄、灰白色厚层状中细粒砂岩夹煤线、中细粒长石砂岩与砂质泥岩、泥岩、粉砂岩互层，属于Ⅱ类软质岩中的Ⅱ2 较软岩，冲刷深度推荐按0.4 m～1.25 m 取值。

砂砾石层敷设的穿河倒虹断面仅一处，该断面校核洪水工况下河槽部分最大冲刷深度采用《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC30-2015）提出的64-2 简化式和64-1 修正式进行计算，公式如下：

非粘性土河床河槽部分64-2 简化式：

式中：hp为一般冲刷后最大水深，m；Qp为设计流量，取该断面校核洪水（P=2%）洪峰流量为4054 m3/s；Q2为桥下河槽部分通过的设计流量，当河槽能扩宽至全桥时取用Qp，取Qp值，m3/s；Qc为天然状态下河槽部分设计流量，取Qp值，m3/s；Qt1为天然状态下河滩部分设计流量，取0；Bc为天然状态下河槽宽度，根据断面测量数据，取256.61m；Bcg为桥长范围内河槽宽度，当河槽能扩宽至全桥时取用桥孔总长度，取Bcg值，m；Bz为造床流量下的河槽宽度，对复式河床可取平滩水位时河槽宽度，造床流量取每两年发生一次的洪峰流量作为造床流量，得该倒虹断面造床流量为334 m3/s，根据断面水位流量关系曲线及断面数据查得，取65.68 m；λ 为设计水位下，在Bcg宽度范围内，桥墩阻水总面积与过水面积的比值，取0；μ 为桥墩水流侧向压缩系数，取1；hcm为河槽最大水深，断面校核洪水（P=2%）下，取7.14 m；Ad为单宽流量集中系数，取1.22；Hz为造床流量下的河槽平均水深，对复式河床取平滩水位时河槽平均水深，取65.68 m。

非粘性土河床河槽部分64-1 修正式:

式中：Bcj为河槽部分桥孔过水净宽，当桥下河槽能扩宽至全桥时，即为全桥桥孔过水净宽，本次取256.61 m；hcq为桥下河槽平均水深，断面校核洪水（P=2%）下，取值4.34 m；E 为与汛期含沙量有关的系数，根据规范，当历年汛期月最大含沙量平均值大于10 kg/m3时，E 取0.86，本工程区内丁家沟水文站多年平均含沙量为46.8 kg/m3，因此E 取为河槽泥沙平均粒径，根据地基土颗分试验成果，平均粒径取31.64 mm。

将断面相关参数带入64-2 简化式、64-1 修正式计算，比较以上两公式的计算成果，64-2 简化式计算的冲刷深度较大，为保证工程安全，采用64-2 简化式计算的冲刷深度，即校核洪水（P=2%）工况下，洪峰流量为4054 m3/s，对应水位为862.94 m，对应河槽最大水深为7.14 m，一般冲刷后的最大水深为8.85 m，可求得河床深泓点以下最大冲深为1.71 m。根据倒虹纵断面设计成果，该倒虹穿河断面河槽深泓点处管顶最小埋深为4.97 m，大于校核洪水工况下断面深泓点冲刷深计算值1.71 m，分析认为该倒虹埋设深度满足冲刷安全要求。

穿河倒虹埋深合理性分析见表5。

表5 穿河倒虹埋深合理性分析表

3.2 临河管线埋深评价

其中强风化砂岩层参考《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC 30-2015），冲刷深度取0.80 m。

选取粉细砂层、砂砾石层敷设的穿河管线最小埋深断面为代表断面，根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）规定的公式计算其管线校核洪水工况下顺河冲刷深度。公式如下：

式中：H0为行进水流水深，m；d50为床沙的中值粒径，本工程粉细砂层、砂砾石层的中值粒径分别为14.385 mm、0.176 mm；hs为局部冲刷深度，m；Ucp为近岸垂线平均流速，本次取行进流速U 值，m/s；Uc为泥沙起动流速，对于黏性与砂质河床可采用张瑞瑾公式计算，m/s；U 为行进流速，m/s；n 为与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n=1/4～1/6，本次计算取1/4；η 为水流流速分配不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α 角查表，本次计算取1。

计算成果见表6。

表6 临河管线校核洪水工况下代表断面顺河冲刷深度计算成果表

计算得出，粉细砂层代表断面校核洪水（P=2%）工况下，洪峰流量为1035 m3/s，对应水位为941.90 m，计算得最小安全埋深为1.96 m。砂砾石层代表断面校核洪水（P=2%）工况下，洪峰流量为4054 m3/s，对应水位为862.94 m，计算得最小安全埋深1.11 m。结合本工程设计报告分析认为，本工程临河管线埋设深度满足冲刷要求及相关规范要求，有利于工程安全。

4 结语

榆林市绥德、米脂、子洲三县供水工程防洪安全评价的要点为工程区河道演变趋势分析、设计洪水复核分析计算以及管道埋深评价。对长距离且多次穿越河流或临近河流敷设的输水管线进行防洪安全评价时，可根据敷设地层地质特性及工程设计选取代表断面进行分析计算，评价其管线设计是否满足工程防洪安全需求。