松花江河道内取水工程防洪影响数值模拟研究

姜 彪

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

0 引言

取水工程涉河建筑物主要包括取水戽头与河道内取水管线两部分。根据《中华人民共和国水法》《中华人民共和国防洪法》《中华人民共和国河道管理条例》[1-3]等要求，需对涉河建设方案进行防洪影响评价，分析工程建设对河道防洪的影响并复核工程自身的防洪安全。一般中小河流内取水工程对行洪影响较小，主要采用经验公式法进行分析；大型河流内取水工程对行洪影响相对复杂，河道断面较宽，主槽滩地内流速变化较大，采用经验公式法或一维数值模拟只能分析得出断面平均流速、平均水位，无法对戽头、管线所在位置流速、水位、冲刷进行精确模拟计算，需根据工程所在河段DEM数字高程数据，结合工程建设对河道局部地形的改变，采用二维数学模型模拟分析工程建设对河道行洪的影响。王永伟等[4]、刘树峰[5]采用二维数学模型分析了桥梁工程建设对河道的影响；万育安等[6]采用一维、二维模型联合计算，分析了西江某取水工程防洪影响，通过采用二维数学模型模拟，可以解决一维模型难以模拟与分析的问题，准确概化工程占用河道地形情况，模拟得出工程处河道的流速、水位、冲刷、流态等变化，评价工程建设对河道水位壅高、冲刷等影响。

本文采用二维数学模型对松花江吉林市城区江段一处取水工程河道内建设工程防洪影响进行了模拟，并结合经验公式重点分析了工程建设对河道行洪、河道冲刷、堤防稳定及工程自身行洪安全的影响，提出了相应的防护措施。

1 取水工程涉河建设方案

1.1 工程概述

取水工程位于松花江吉林市城区段下游，取水戽头位于江道主槽内，距离下游现有桥梁工程约0.5km。取水泵站位于松花江左岸堤防背水侧，距离背水坡坡脚最小40m，取水戽头与泵站之间修建自流取水管线。净水厂位于松花江左岸堤防背水侧，距离背水坡坡脚为150m泵站与净水厂之间修建原水输水管线。取水工程所在位如图1所示：

图1 取水工程所在位置

通过分析，工程取水戽头、自流取水管线建设位置位于松花江河道管理范围内，其他建筑物位于松花江河道管理范围以外。工程所在河段松花江左岸堤岸工程防洪标准为100年一遇[7]，右岸现状无堤防。根据《防洪标准》（GB50201-2014）和取水工程建设位置所在松花江段的规划防洪标准，涉河范围内建筑物设计防洪标准为100年一遇，河道内取水戽头工程永久占地约40m2，占地类型为河道主槽，河道内自流取水管线采用开挖方式与顶管方式施工，管道埋设在地面以下，不占用河道及滩地。

1.2 涉河建设方案

（1）取水戽头设计

该工程采用淹没式箱式取水头，取水规模按20.0万m3/d设计。取水戽头位于松花江河道主槽内，距离左岸堤防迎水坡坡脚约380m。

取水戽头基础底部设计高程为168.3m，基础埋深至河床以下约3.2m。考虑到取水戽头冲刷安全，设计方案在戽头边沿3m范围内采用石笼固床防护措施。取水戽头剖面如图2所示。

图2 取水戽头剖面图

（2）自流取水管线设计

自流取水管线位于取水戽头与取水泵站之间，每座取水箱采用一根DN1400自流管，共2根自流取水管线，总长1 075m。材质为球墨铸铁管，自流取水管线除穿越堤防段采用顶管施工外，其他段均采用大开挖方式施工，开挖施工完成后，利用原土回填至原地面线，并压实到原土体密度。

自流取水管线工程管顶以上覆土深度范围为1.00—12.61m，考虑到主槽内自流取水管线冲刷安全，设计采用混凝土包封形式对河道主槽内190m长度管道进行防护，包封混凝土尺寸为2m×2m，混凝土外封上部铺设3.2m宽，0.5m厚格宾石笼。剖面如图3所示。

图3 自流取水管线设计剖面图

（3）自流取水管线与左岸堤防工程关系

自流取水管线采用顶管方式穿越左岸堤防，顶管长度为70m，穿越段采用混凝土套管，套管内径为2.0m。管道施工完成后，为避免管线穿越段堤防出现渗透破坏，钢筋混凝土套管与堤防之间的缝隙进行灌浆处理，接收井与工作井利用原土进行回填，并压实至原土体密度。在封堵接头处，输水管线与套管连接间放置钢套环，在其间隙处用油麻、石棉水泥填塞，周围用水泥砂浆抹平表面。

顶管穿越堤防处混凝土套管管顶埋深至堤顶以下13.5m，顶管入口工作井位于河道左岸滩地内，距离迎水坡直立式挡墙护脚边沿约14.0m，顶管接收井位于堤防背水侧下堤路上，距离背水侧堤路边沿约13.7m。穿越处混凝土套管管顶埋深至直立式挡墙底部以下8.6m。

2 防洪影响数值模拟分析

2.1 数值模拟

采用二维数学模型模拟工程所在河段水位、流速变化，分析工程建设对行洪、冲刷等的影响。

（1）水文分析

工程所在河道防洪标准为100年一遇。因此采用100年一遇洪水标准，用于分析工程建设对松花江防洪的影响及评价工程自身的防洪安全。

根据已批复的《松花江流域防洪规划技术报告》[7]温德河河口以上及下游城区段设计洪峰流量如表1所示：

取水工程位于温德河口以下吉林市城区段，100年一遇洪水洪峰流量为8 300m3/s。

表1吉林市主要控制断面设计洪水计算成果表

（2）模型建立

选取拟建取水戽头中心线上游约1.4km至铁路桥桥下、下游约2.3km至公路桥桥上，共计3.7km的河段，该段河道平均比降约为0.48‰。横向范围左岸修建有堤防，以堤防管理范围为边界，右岸现状无堤防，以100年一遇洪水位以上自然高地形为边界。

模型计算地形工况条件包括三种：1）天然河道工况；2）现状河道工况（考虑现状桥梁）；3）拟建取水工程影响河道工况。模型计算DEM数学高程地形如图4—图6所示。

图4 天然河道工况模拟范围内地形图

图6 考虑取水工程阻水影响工况模拟范围内地形图

模型计算网格为三角形网格，天然地形条件下网格最大面积为200m2。模型计算网格数为24 414个，计算时间步长为20s。现状河道及拟建取水工程影响河道工况条件下，对取水戽头下游桥梁桥墩不过水区域及取水戽头、自流输水管线区域进行网格加密，最大网格面积为2m2，网格数增加，计算时间步长为2s。

建桥前后模型计算网格图如图7—图9所示。

图7 天然河道工况模拟范围内网格剖分图

图9 考虑取水工程阻水影响工况模拟范围内网格剖分图

（3）阻水工程概化

阻水工程包括两部分：1）取水戽头下游现状桥梁；2）取水戽头局部地形增高。在建模过程中，根据现状桥梁布置情况，概化出桥墩的形状，引入模型中，按不过水处理，桥墩周围模型网格自动加密；对取水戽头影响部分，根据戽头设计高程，对戽头所在位置模型地形进行局部修改。处理形式如图10所示。

图10 工程概化局部地形图

（4）计算条件

二维数学模型计算上游为流量边界条件，下游为水位边界条件。本次计算上游进口边界采用松花江设计洪水成果。下游出口断面水位根据《第二松花江吉林市城市防洪工程初步设计报告》中100年一遇规划洪水位插值得出，计算边界条件如表2所示。

（5）糙率分析

模型根据《第二松花江吉林市城市防洪工程初步设计报告》[8]（以下简称“初设报告”）中松花江三道岭以下100年一遇洪水水面线成果，进行糙率分析，提取分析断面的水位进行对比计算。模拟时，将主槽与滩地的行洪能力分开，划分主槽糙率和滩地糙率。糙率分析结果如表3所示：

由表可见，当评价河道主槽糙率采用0.025、滩地糙率采用0.070时，模型计算水位与松花江100年一遇规划水面线水位基本一致，差值最大为0.03，说明建立的河道二维数学计算模型能够反映现状河道水流变化规律，可以按照上述分析的糙率进行水面线计算。

图5 现状河道工况模拟范围内地形图（考虑下游桥梁影响）

图8 现状河道工况模拟范围内网格剖分图（考虑下游桥梁影响）

表2水位流量关系表

（6）水位计算结果

根据上述边界条件，采用二维数学模型计算100年一遇洪水条件下河道水面线，并提取分析断面的水位。评价河段工程建设前后水面线计算结果分别见表4。

表3河道糙率分析结果表

（7）流速计算结果

发生100年一遇洪水，工程建成后，取水戽头所在位置流速约为3.27m/s；河道内取水戽头与取水泵站之间自流取水管线所在位置流速范围为0.40—3.27m/s。

100年一遇洪水工程实施后，模拟河段流场见图11所示，取水戽头与自流取水管线局部流速等值线如图12所示。

表4模拟河段100年一遇洪水工程建设前后水面线计算成果表

图11 100年一遇洪水工程实施后模拟河段流场图

图12 100年一遇洪水工程实施后取水戽头及自流取水管线所在区域局部流速等值线图

2.2 对行洪影响分析

通过计算得出，当发生100年一遇洪水时，相比天然河道水面线，评价河道现状水面线现状桥梁上游最大壅水高度为0.01m，回水长度为300m；相比现状河道水面线，拟建取水工程实施后，河道内取水戽头建设位置局部地形改变，取水戽头占用行洪断面面积约20m2，占过流面积比例约为0.45%，对整体河道行洪断面影响不大，河道水面线变化较小，发生100年一遇洪水时，工程实施后，基本不会对现状水面线造成壅高影响，不会对松花江行洪造成不利的影响。

2.3 冲刷与淤积分析

根据工程地质剖面图，取水戽头工程及河道内自流取水管线所在位置主槽、河滩地表层以砂砾石非粘性土为主，中值粒径约为1.0—2mm，参照《铁路工程水文勘测设计规范》（TB10017-99）非粘性土冲刷计算公式。

1）非粘性土河槽冲刷计算公式

2）河滩部分

3）基础局部冲刷计算

利用上述公式，对100年一遇洪水条件下，取水戽头及自流取水管线位置河道冲刷深度进行计算，其中取水戽头冲刷包括一般冲刷与局部冲刷两部分，自流取水管线位于河床以下，只计算河床一般冲刷深度。计算结果如表5、表6所示。

表5取水戽头所在位置冲刷深度计算成果表

表6取水管线所在位置冲刷深度计算成果表

由表5、表6可以看出，发生100年一遇防洪标准洪水时，取水戽头所在主槽位置最大冲刷深度约为5.95m；取水戽头与左岸堤防工程之间自流取水管线沿线冲刷深度范围为0.10—3.50m。

2.4 工程建设对左岸堤防影响分析

工程取水戽头位于松花江河道主槽内，距离左岸堤防迎水坡坡脚约380m，工程实施不会对左岸堤防造成不利的影响。

自流输水管线采用顶管方式穿越左岸堤防，输水管线采用混凝土套管，混凝土套管管顶埋深至堤顶以下13.5m，施工过程中，顶管工作井、接收井采用直立式桩支护施工方案，接收井与工作井均位于左岸堤防堤身断面以外，且管道工程实施后，对钢筋混凝土套管与堤防之间的缝隙进行灌浆处理，接收井与工作井采用原土进行回填，并压实至原土体密度。输水管线与套管连接间放置钢套环，在其间隙处用油麻、石棉水泥填塞，周围用水泥砂浆抹平表面。避免了管线穿越段堤防出现渗透破坏。因此，工程实施后不会对现有的左岸堤防工程造成不利的影响。

3 取水工程自身防洪安全分析

取水工程自流输水管线穿越左岸堤防段采用混凝土套管结构形式，避免了堤顶车辆通行等荷载对管道运行安全的不利影响。

通过冲刷分析可以得出，取水戽头所在位置最大冲刷深度为5.95m，取水戽头与左岸堤防之间自流取水管线位置冲刷深度范围为0.10—3.50m。管线设计方案中，戽头取水箱底部埋深至河床以下约3.20m，小于最大计算冲刷深度；取水戽头与左岸堤防之间自流取水管线管顶以上覆土深度范围为1.00—12.61m，局部小于最大计算冲刷深度。因此，发生100年一遇洪水时，水流冲刷将对自流取水管线管道安全及取水戽头的稳定造成不利的影响。

考虑到取水戽头及自流取水管线防洪安全，建设单位在工程实施的同时，必须对取水戽头周围及河道内自流取水管线采用防护措施。结合工程设计方案中提出的防护措施，通过计算分析，提出取水戽头采用格宾石笼固床，格宾石笼厚度为0.5m，取水戽头防护范围扩大至戽头边沿以外10m；自流取水管线采取混凝土外包方式，包封混凝土尺寸为2m×2m，混凝土外封上部铺设5m宽，0.5m厚格宾石笼，考虑到河道滩槽冲刷，防护范围由设计方案中提出的主槽防护190m扩大至主槽、滩地内管线共300m，通过采取防护措施，确保发生超标准洪水条件下，取水戽头及自流取水管线的运行安全。

4 结语

本文以松花江吉林市城区段一处取水工程为例，采取数学模型模拟了工程所在河段上下游水位变化，局部流速流态情况，根据模拟结果，结合经验公式法，分析了工程实施对松花江河道行洪、河道冲刷影响，并对工程自身防洪安全进行了分析。通过分析可以得出，取水戽头占用行洪断面不大，基本不会造成河道水位壅高等不利影响，且取水戽头建成后，造成局部冲刷增加，在设计方案中需考虑对戽头周围及河道内自流取水管线采用相应的防护措施，保障自身防洪安全。文中分析思路与方法可为其他类似取水工程设计及防洪影响分析提供借鉴。