沁北蓄滯洪區(qū)沖刷對引丹入城工程埋管的影響

趙正偉，胡德祥

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，鄭州450003）

沁北蓄滯洪區(qū)沖刷對引丹入城工程埋管的影響

趙正偉，胡德祥

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，鄭州450003）

沁河與支流丹河的夾角區(qū)域為沁北自然溢滯洪區(qū)，沁陽市引丹入城工程輸水管線以埋管方式穿越沁河北岸天然蓄滯洪區(qū)。沁河上游流量過大時，河道內(nèi)洪水從堤防缺口自然溢入蓄滯洪區(qū)，會對沁北滯洪區(qū)范圍內(nèi)的輸水管線造成一定的沖刷影響。通過MIKE21水動力學模型對50年一遇洪水過程條件下沁河、丹河和沁北滯洪區(qū)范圍內(nèi)的洪水演進過程進行了模擬，結(jié)果表明，丹河口最先發(fā)生漫溢，其次是陽華缺口，最后是上游龍泉缺口，陽華缺口漫溢水流與另外2個缺口漫溢水流相連接，洪峰過后，洪水沿原缺口退回河道；輸水管線沿線地面以下計算最大沖刷深度為2.53m。

沁北蓄滯洪區(qū)；輸水管線；最大沖刷深度

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.10.031

1 工程概況

焦作沁陽市境內(nèi)沁河與其支流丹河的夾角地為沁北自然溢滯洪區(qū)，面積41.2km2，有仙神河、安全河、逍遙河等河流流經(jīng)滯洪區(qū)，分別在沁河左堤的龍泉、陽華2處堤防缺口處匯入沁河。沁陽市引丹入城工程利用丹西灌區(qū)灌溉棄水及廟嶺坡水電站的發(fā)電棄水（進入友愛河），于友愛河上設(shè)置引水口，通過輸水管線引水至沁陽市城區(qū)護城河和天鵝湖。工程引水規(guī)模1051萬m3，輸水方式采用有壓重力流，管道采用DN800鋼管，設(shè)計流量為0.7m3/s。輸水工程由引水口、輸水管線和穿越工程組成，工程起點為友愛河，終點為天鵝湖西北角，輸水管線大體由北至南鋪設(shè)，工程直線距離約11.3km，如圖1所示。引丹入沁工程沁河穿越段入土點以南約700m以及入土點以北約1.5km的管線位于沁北滯洪區(qū)內(nèi)，由于沁北蓄滯洪區(qū)為天然蓄滯洪區(qū)，當沁河上游來流過大時，洪水從陽華、龍泉龍眼自然溢入滯洪區(qū)，會對沁北滯洪區(qū)范圍內(nèi)的管線造成一定的沖刷影響。

通過MIKE21水動力學模型對50年一遇相應(yīng)洪水過程條件下沁河、丹河和沁北蓄滯洪區(qū)的洪水演進過程進行模擬，根據(jù)水流管道沿線流速計算結(jié)果對沖刷深度進行計算，為引丹入城工程在沁北蓄滯洪區(qū)范圍內(nèi)的管線埋深提供依據(jù)。

圖1 沁北自然溢滯洪區(qū)及引丹入城管線布置圖

2 平面二維數(shù)學模型簡介

2.1 數(shù)學模型算法

采用DHI-MIKE水動力學軟件中MIKE21模塊對沁北蓄滯洪區(qū)進行洪水演進模擬，水流連續(xù)性方程和運動方程作為控制方程，采用ADI逐行法進行時空上的積分，離散方程用追趕法求解。

2.2 計算范圍與網(wǎng)格劃分

二維模型計算范圍包括沁河王曲險工至丹河口段，以及沁北自然溢滯洪區(qū)（沁河與支流丹河的夾角地）。其中沁北自然溢滯洪區(qū)面積41.2km2，有仙神河、安全河、逍遙河等河流流經(jīng)，分別在沁河左堤的龍泉、陽華2處堤防缺口處匯入沁河。

分別將沁河、丹河、沁北自然溢滯洪區(qū)3個區(qū)域進行網(wǎng)格剖分，均采用三角形網(wǎng)格，沁河、丹河河道適當加密，計算網(wǎng)格分別控制在0.02km2和0.01km2以下；沁北自然溢滯洪區(qū)最大網(wǎng)格面積不超過0.1km2，網(wǎng)格布置如圖2所示。

2.3 洪水條件組合

設(shè)計洪水地區(qū)組成為花園口、三花間、武陟同頻率，武陟以上采用1982年作為典型年同倍比放大，三花間其他區(qū)間相應(yīng)。五龍口和山路平分別為沁河和丹河的流量控制站。按上述洪水地區(qū)組成放大得到50年一遇相應(yīng)洪水過程線，按照河口村水庫防洪運用方式，進行洪水調(diào)節(jié)計算，得到河口村水庫影響后各河流的洪水過程線。出口計算條件采用丹河口斷面水位流量關(guān)系成果插值得出的水位過程。

2.4 參數(shù)率定

采用1982年實測洪水對模型進行參數(shù)率定和驗證，沁河流量為4240m3/s，率定河道主槽糙率0.022～0.024，灘地糙率0.035～0.038。沁河實測大斷面CS5～CS11水位與計算水位差值在0.05m以內(nèi)，說明糙率取值是合理的，模型可用于方案計算。

3 成果分析

3.1 洪水演進過程分析

沁河河道堤防在路村險工至孔村險工河段左岸為龍泉缺口，在水南關(guān)險工至丹河口之間左岸有2處缺口：陽華缺口和丹河口缺口，丹河口右岸無堤防，存在漫溢風險。如圖3所示，丹河口靠近下游，洪峰到達時該處最先漫溢，隨后水流由缺口向沁北滯洪區(qū)漫流，并向沁河沿岸上游漫延，隨著沁河洪水進一步發(fā)展，陽華缺口也發(fā)生洪水漫溢，與丹河口缺口漫出水流相連接，沿著沁河和丹河夾角方向向沁北滯洪區(qū)演進，隨著沁河流量加大，龍泉缺口也發(fā)生漫流，向西偏北方向漫流，與另外2個缺口漫溢水流相連接，沁北滯洪區(qū)大面積過流。洪峰過后，沁河流量逐漸減小，沁北滯洪區(qū)水流逐漸沿原缺口退去，整個洪水過程沁北滯洪區(qū)過流以沁河漫流為主。

圖2 網(wǎng)格布置圖

圖3 72h水位流速分布圖

圖4 地形及沿管線較大流速位置圖

表1 沿管線較大沖刷深度

3.2 沖刷分析

根據(jù)模型計算結(jié)果，沁河洪水在陽華缺口處向沁北滯洪區(qū)漫溢過程中，管道沿線最大流速0.492m/s。根據(jù)管道沿線最大流速統(tǒng)計分析，在洪水淹沒范圍內(nèi)選取各區(qū)域流速最大的點1、點2、點3和點4為沿管線觀測點（見圖4），最大流速分別為0.434m/s、0.492m/s、0.232m/s和0.147m/s。

根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTG C30—2002）非黏性土河灘部分一般沖刷公式計算，點1、點2、點3和點4沖刷后最大水深分別為3.20m、2.90m、2.49m和1.96m。流速最大值出現(xiàn)時，點1、點2、點3、點4的水深分別為0.98m、0.37m、0.66m和1.31m，因此，地面以下沖刷深度分別為2.22m、2.53m、1.83m和0.65m。設(shè)計管線沿線最大沖刷深度為2.53m（見表1）。

4 結(jié)論

沁北蓄滯洪區(qū)地形復雜，通過MIKE21水動力學模型對50年一遇洪水過程條件下沁河、丹河和沁北滯洪區(qū)范圍內(nèi)的洪水演進過程進行了模擬，由計算結(jié)果分析，丹河口最先發(fā)生漫溢，其次是陽華缺口，上游龍泉缺口最后漫溢，3個缺口漫溢水流相連接，洪峰過后，洪水沿原缺口退回河道。

引丹入城工程沿管線走向范圍內(nèi)，50年一遇設(shè)計洪水位121.94m以下淹沒范圍內(nèi)沿管線最大沖刷深度為2.53m，而引丹入城工程沁北滯洪區(qū)內(nèi)122m高程以下設(shè)計管線埋深為3m，埋深滿足要求。

【1】周麗艷,陳松偉,梁艷潔.沁河下游河道水沙變化及沖淤特性[J].人民黃河,2014,36(1):39-41.

【2】周麗艷,陳翠霞,梁艷潔.沁河下游河勢變化分析[J].人民黃河,2014,36(10):36-41.

【3】岳仁意,宋靖邦.沁河下游防洪形勢及對策研究[J].泥沙研究,1998,20(10):10-11.

【4】郭選英,林秀芝,馬迎平，等.沁河下游河道沖淤規(guī)律分析[J].人民黃河,2002,24(10):19-19.

Influence of Erosion in Qinbei Flood Detention Basin on Pipe-burying in Bring-Dan River-to-Qinyang Project

ZHAO Zheng-wei,HU De-xiang
(YellowRiverEngineeringConsultingCo.Ltd.,Zhengzhou 450003,China)

TheangleregionbetweenQinRiveranditsbranchDanRiverisQinbeinaturalflooddetentionbasin.Thewatersupplypipelineof Bring-Dan River-to-Qinyang Project will be buried passing the natural flood detention basin in the north bank of Qin River.If the upstream dischargeofQinRiverisexcessive,thefloodwilloverflowfromtheleveebreachintotheflooddetentionbasin,whichwillhaveerosioninfluence onthewatersupplypipelineinQinbeiflooddetentionbasin.ThefloodevolutionprocessinQinRiver,DanRiverandQinbeiflooddetentionbasin under the 50-year flood is simulated by means of MIKE21 hydrodynamic model.Results show that Dan River mouth overflows first,then Yanghuabreach,andatlasttheupstreamLongquanbreach.Floodofthreebreachesconnecttogether.Afterthefloodpeak,thefloodreturnstothe rivercoursethroughthebreach.Thecalculatedmaximumerosiondepthofburiedpipesis2.53m.

Qinbeiflooddetentionbasin;watersupplypipeline;maximumerosiondepth

TV882.1

A

1007-9467（2016）10-0069-03

2016-10-10

趙正偉（1984～），男，河南信陽人，工程師，從事水利工程規(guī)劃設(shè)計研究。