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        沁北蓄滯洪區(qū)沖刷對(duì)引丹入城工程埋管的影響

        2016-12-08 06:19:15趙正偉胡德祥
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2016年14期
        關(guān)鍵詞:輸水管線(xiàn)沁河滯洪區(qū)

        趙正偉,胡德祥

        (黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,鄭州450003)

        沁北蓄滯洪區(qū)沖刷對(duì)引丹入城工程埋管的影響

        趙正偉,胡德祥

        (黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,鄭州450003)

        沁河與支流丹河的夾角區(qū)域?yàn)榍弑弊匀灰鐪閰^(qū),沁陽(yáng)市引丹入城工程輸水管線(xiàn)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(guò)大時(shí),河道內(nèi)洪水從堤防缺口自然溢入蓄滯洪區(qū),會(huì)對(duì)沁北滯洪區(qū)范圍內(nèi)的輸水管線(xiàn)造成一定的沖刷影響。通過(guò)MIKE21水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)50年一遇洪水過(guò)程條件下沁河、丹河和沁北滯洪區(qū)范圍內(nèi)的洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明,丹河口最先發(fā)生漫溢,其次是陽(yáng)華缺口,最后是上游龍泉缺口,陽(yáng)華缺口漫溢水流與另外2個(gè)缺口漫溢水流相連接,洪峰過(guò)后,洪水沿原缺口退回河道;輸水管線(xiàn)沿線(xiàn)地面以下計(jì)算最大沖刷深度為2.53m。

        沁北蓄滯洪區(qū);輸水管線(xiàn);最大沖刷深度

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

        1 工程概況

        焦作沁陽(yáng)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(yáng)華2處堤防缺口處匯入沁河。沁陽(yáng)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(jìn)入友愛(ài)河),于友愛(ài)河上設(shè)置引水口,通過(guò)輸水管線(xiàn)引水至沁陽(yáng)市城區(qū)護(hù)城河和天鵝湖。工程引水規(guī)模1051萬(wàn)m3,輸水方式采用有壓重力流,管道采用DN800鋼管,設(shè)計(jì)流量為0.7m3/s。輸水工程由引水口、輸水管線(xiàn)和穿越工程組成,工程起點(diǎn)為友愛(ài)河,終點(diǎn)為天鵝湖西北角,輸水管線(xiàn)大體由北至南鋪設(shè),工程直線(xiàn)距離約11.3km,如圖1所示。引丹入沁工程沁河穿越段入土點(diǎn)以南約700m以及入土點(diǎn)以北約1.5km的管線(xiàn)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(dāng)沁河上游來(lái)流過(guò)大時(shí),洪水從陽(yáng)華、龍泉龍眼自然溢入滯洪區(qū),會(huì)對(duì)沁北滯洪區(qū)范圍內(nèi)的管線(xiàn)造成一定的沖刷影響。

        通過(guò)MIKE21水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)50年一遇相應(yīng)洪水過(guò)程條件下沁河、丹河和沁北蓄滯洪區(qū)的洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行模擬,根據(jù)水流管道沿線(xiàn)流速計(jì)算結(jié)果對(duì)沖刷深度進(jìn)行計(jì)算,為引丹入城工程在沁北蓄滯洪區(qū)范圍內(nèi)的管線(xiàn)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(xiàn)布置圖

        2 平面二維數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介

        2.1 數(shù)學(xué)模型算法

        采用DHI-MIKE水動(dòng)力學(xué)軟件中MIKE21模塊對(duì)沁北蓄滯洪區(qū)進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬,水流連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程作為控制方程,采用ADI逐行法進(jìn)行時(shí)空上的積分,離散方程用追趕法求解。

        2.2 計(jì)算范圍與網(wǎng)格劃分

        二維模型計(jì)算范圍包括沁河王曲險(xiǎn)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(yáng)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(gè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分,均采用三角形網(wǎng)格,沁河、丹河河道適當(dāng)加密,計(jì)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(guò)0.1km2,網(wǎng)格布置如圖2所示。

        2.3 洪水條件組合

        設(shè)計(jì)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(guò)程線(xiàn),按照河口村水庫(kù)防洪運(yùn)用方式,進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算,得到河口村水庫(kù)影響后各河流的洪水過(guò)程線(xiàn)。出口計(jì)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(guò)程。

        2.4 參數(shù)率定

        采用1982年實(shí)測(cè)洪水對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)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(shí)測(cè)大斷面CS5~CS11水位與計(jì)算水位差值在0.05m以?xún)?nèi),說(shuō)明糙率取值是合理的,模型可用于方案計(jì)算。

        3 成果分析

        3.1 洪水演進(jìn)過(guò)程分析

        沁河河道堤防在路村險(xiǎn)工至孔村險(xiǎn)工河段左岸為龍泉缺口,在水南關(guān)險(xiǎn)工至丹河口之間左岸有2處缺口:陽(yáng)華缺口和丹河口缺口,丹河口右岸無(wú)堤防,存在漫溢風(fēng)險(xiǎn)。如圖3所示,丹河口靠近下游,洪峰到達(dá)時(shí)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(jìn)一步發(fā)展,陽(yáng)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(jìn),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(gè)缺口漫溢水流相連接,沁北滯洪區(qū)大面積過(guò)流。洪峰過(guò)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(gè)洪水過(guò)程沁北滯洪區(qū)過(guò)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(xiàn)較大流速位置圖

        表1 沿管線(xiàn)較大沖刷深度

        3.2 沖刷分析

        根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果,沁河洪水在陽(yáng)華缺口處向沁北滯洪區(qū)漫溢過(guò)程中,管道沿線(xiàn)最大流速0.492m/s。根據(jù)管道沿線(xiàn)最大流速統(tǒng)計(jì)分析,在洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)選取各區(qū)域流速最大的點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3和點(diǎn)4為沿管線(xiàn)觀測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)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(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30—2002)非黏性土河灘部分一般沖刷公式計(jì)算,點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3和點(diǎn)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(shí),點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3、點(diǎn)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(jì)管線(xiàn)沿線(xiàn)最大沖刷深度為2.53m(見(jiàn)表1)。

        4 結(jié)論

        沁北蓄滯洪區(qū)地形復(fù)雜,通過(guò)MIKE21水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)50年一遇洪水過(guò)程條件下沁河、丹河和沁北滯洪區(qū)范圍內(nèi)的洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了模擬,由計(jì)算結(jié)果分析,丹河口最先發(fā)生漫溢,其次是陽(yáng)華缺口,上游龍泉缺口最后漫溢,3個(gè)缺口漫溢水流相連接,洪峰過(guò)后,洪水沿原缺口退回河道。

        引丹入城工程沿管線(xiàn)走向范圍內(nèi),50年一遇設(shè)計(jì)洪水位121.94m以下淹沒(méi)范圍內(nèi)沿管線(xiàn)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(jì)管線(xiàn)埋深為3m,埋深滿(mǎn)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(shì)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(shì)及對(duì)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(yáng)人,工程師,從事水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)研究。

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