孟懷宇，喬國龍

（1.遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110166；2.遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110000）

1 項目背景及概況

新民市供水工程是遼寧省重點輸水二期工程的重要組成部分，起始點為彰武配水站，經(jīng)26.13 km直徑DN1100的輸水管道輸送至調(diào)流閥站，調(diào)流閥站經(jīng)管道輸送至接管點。工程于彰武配水站至調(diào)流閥站段穿越養(yǎng)息牧河，穿越長度為567.52 m，穿越方式為直接開挖，穿越部位管底高程為52.52 m，管材為1×DN1100球墨鑄鐵管。主河槽穿越位置河底高程在57.75 m左右，設(shè)計管道中心埋置高程為53.104 m，最小覆土厚度大于2.7 m。

為保證穿越養(yǎng)息牧河管線設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)、安全、合理，盡可能減少對現(xiàn)有防洪工程和地區(qū)防洪的影響，滿足河道防洪的要求，根據(jù)相關(guān)要求，對擬建穿越工程進(jìn)行防洪評價。

2 技術(shù)路線

通過水文分析，計算穿越工程所在河段各頻率洪峰流量，并分析洪水特性。采用河道一維恒定流數(shù)學(xué)模型，計算穿越工程所在河段的規(guī)劃設(shè)計水位及工程建設(shè)后的水位，比較工程建設(shè)后對規(guī)劃設(shè)計水位的影響，并結(jié)合地勘資料計算河道最大沖刷深度。利用各相關(guān)工程規(guī)劃設(shè)計資料、現(xiàn)狀河流資料及防洪工程資料，分析項目建設(shè)對河勢、河道防洪工程、防汛搶險以及其它工程的影響。根據(jù)有關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)范，結(jié)合各類防洪規(guī)劃的需求，依據(jù)相關(guān)的分析計算，提出洪水影響評價意見。

3 河道演變

3.1 橫斷面套繪分析

養(yǎng)息牧河現(xiàn)狀有小荒地站，位于新民市供水工程穿越河段下游約28 km處。考慮到小荒地站距離管線穿越位置較遠(yuǎn)，河道特性差別較大，因此其分析成果僅能作為參考。小荒地站有實測資料以來，1969，1975，1991年發(fā)生洪水較大，洪峰流量分別為1 292，962，720 m3/s。由于 1969年水文站未測量河道大橫斷，無法進(jìn)行套繪分析。因此此次選取1975年實測資料進(jìn)行橫斷面套繪分析。1975年洪水與30年一遇洪水相差不多。套繪成果見圖1。

圖1 小荒地站1975年汛前、汛后大橫斷套繪圖

從圖1可以看出，1975年汛前、汛后大橫斷未發(fā)生較大變化，灘地局部發(fā)生了沖刷，最大沖刷深度約為0.8 m。

3.2 平面套繪分析

根據(jù)已有資料，此段現(xiàn)有1980，2008及2009年實測1∶10 000平面圖，此次對其以上3年地形圖進(jìn)行套繪，分析新民市供水工程穿越養(yǎng)息牧河所在河段河道平面演變特性。

從1980年、2008年和2009年的實測套繪圖可以看出：1）新民市供水工程所在河段為“幾”字形河灣處，該處河道在1980年至2009年間河道演變較為劇烈，且存在裁彎取直的危險。為了防止河勢的自然演變威脅管線自身的安全，應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大管線按主槽穿越考慮的范圍。2）穿河段左岸起點位于“幾”字形河灣灣頂外約50 m處，超出了現(xiàn)狀自然演變的范圍。該處灣頂有向下游蠕移的趨勢，灣頂將會逐漸遠(yuǎn)離管線。3）穿河段右岸終點位于彰武臺門橋引橋控制范圍內(nèi)，受引橋及公路的控制，進(jìn)一步向右岸擺動的可能性較小。因此，管線在穿越范圍內(nèi)全部按照主槽穿越考慮是較為安全的。

4 防洪評價計算

4.1 水文分析計算

4.1.1 設(shè)計洪水

管線穿越養(yǎng)息牧河位置在彰武臺門，以上集水面積1 150 km2。管線穿河處下游建有小荒地水文站，控制面積1 783 km2，實測洪水資料為1954—2013年共60年，對連續(xù)系列按矩法進(jìn)行頻率計算，線型采用P-Ⅲ型曲線，洪峰Cs=2.5Cv，經(jīng)驗點據(jù)與理論曲線擬合較好。

管線穿越養(yǎng)息牧河處，設(shè)計洪水由小荒地水文站設(shè)計洪水成果采用面積比的2/3次方計算，設(shè)計洪峰成果見表1，頻率圖見圖2。

表1 小荒地水文站及管線穿河處設(shè)計洪峰流量成果表m3/s

4.1.2 成果合理性分析

圖2 小荒地水文站設(shè)計洪峰頻率曲線圖

點繪遼寧中西部地區(qū)遼河右側(cè)支流各站100年一遇設(shè)計洪峰與面積相關(guān)關(guān)系，見圖3，秀水河公主屯站、養(yǎng)息牧河小荒地站和柳河彰武站由于流域內(nèi)地勢較為平坦、沙地較多，暴雨入滲大，洪水形成平緩，故洪峰模數(shù)較小，點據(jù)居于下方?？傮w看，設(shè)計洪峰流量與面積關(guān)系符合地區(qū)洪水形成規(guī)律。

可以看出，洪峰流量基本呈面積比的2/3次方的指數(shù)關(guān)系，因此由小荒地站的設(shè)計洪峰流量，按面積比的2/3次方的方法推求管線穿越河流地點的設(shè)計洪峰流量是合理的。

圖3 各站1%頻率設(shè)計洪峰流量與集水面積關(guān)系圖

4.2 壅水分析計算

由于管線施工均在非汛期進(jìn)行，汛期將拆除河道內(nèi)所有施工圍堰等阻水建筑，且管線設(shè)計穿河部分全程埋設(shè)，施工后恢復(fù)天然河道狀態(tài)，只要管線設(shè)計埋深大于洪水沖刷深，洪水期管線不會因洪水淘刷而裸露進(jìn)一步阻礙河道行洪，其建設(shè)對上游河道的壅水就可以不予考慮，下面的水力計算主要為沖刷計算提供依據(jù)。

4.2.1 計算范圍

此次水面線計算范圍為上營子至養(yǎng)息牧門，河道全長12.32 km，共布置橫斷面10條。

4.2.2 設(shè)計洪水

新民市供水工程穿越養(yǎng)息牧河位置所在河段規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇（P=5%）。管線設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年（P=3.33%），校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年（P=1%）。因此設(shè)計洪水包括P=5%，3.33%，1%等3個頻率，其不同頻率設(shè)計洪水成果分別為626，741，1 097 m3/s。

4.2.3 地形資料

此次計算斷面采用2015年實測的橫斷面成果，平面圖采用2008年1∶10 000電子地形圖及2009年航拍圖。

4.2.4 起點水位

此次計算的起點選用YX1斷面，20年一遇、30年一遇、100年一遇起點水位采用曼寧公式計算，成果見表3。

表3 高速橋不同頻率水位～流量關(guān)系成果表

4.2.5 糙率選取

經(jīng)現(xiàn)場勘查，結(jié)合2009年航拍圖，管線穿越段河道位于彎道段，河床主要由粉細(xì)砂組成，灘地多為耕地，間有林地。根據(jù)《水力計算手冊》，主槽糙率選定為0.025～0.029，灘地糙率選定位0.05～0.07。

4.2.6 計算頻率

根據(jù)《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目防洪評價報告編制導(dǎo)則》（試行）中關(guān)于涉河建筑物防洪評價計算應(yīng)該包括計算頻率的規(guī)定：“建設(shè)項目防洪影響的計算條件一般應(yīng)分別采用所在河段的現(xiàn)狀防洪、排澇標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)項目本身的設(shè)計（校核）標(biāo)準(zhǔn)以及歷史上最大洪水”。新民市供水工程管線設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年（P=3.33%），校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年（P=1%）。由于管線穿越河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。故本次水力計算選取頻率為P=5%、P=3.33%、P=1%。

4.2.7 計算方法

此次防洪評價水面線采用能量方程式進(jìn)行計算，其中橋壅水計算采用鮑氏公式，一般斷面間用能量方程式推算。

能量方程式：

式中：Z1，Z2分別為下、上游斷面的水位，m；hf，hj分別為上下斷面間的沿程、局部水頭損失，m；u1，u2分別為下、上游斷面的流速，m/s。

式中：△Z——橋壅水高度，m；ξ——系數(shù)（與水流進(jìn)入橋孔的阻力有關(guān)）；V——有沖刷情況時，橋下平均流速，m/s；V1——天然條件下橋位處平均流速，m/s；P——與橋孔沖刷有關(guān)的系數(shù)；W過、W阻——橋的過水和阻水?dāng)嗝婷娣e，m2；Vs——橋下設(shè)計洪水流速，m/s。

4.2.8 計算結(jié)果

水面線計算成果見表4。

表4 水面線計算成果表m

4.3 沖刷計算

管線所在位置沖刷計算采用GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》中公式：

式中：hS——局部沖刷深度，m；H0——沖刷處的水深，m；Ucp——近岸垂線平均流速，m/s；n——與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4～1/6；η——水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查表采用。

計算結(jié)果沖刷計算成果見表5。根據(jù)表5中的成果，結(jié)合河勢演變套繪圖及地勘縱剖面圖，確定新民市供水工程穿越養(yǎng)息牧河部分的范圍及沖止高程線。

表5 沖刷計算成果表

5 結(jié)論

1）與現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)、有關(guān)技術(shù)要求和管理要求的適應(yīng)性分析

新民市供水工程穿越養(yǎng)息牧河河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。新民市供水工程設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，防護(hù)措施均按照100年一遇考慮，高于所在河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)。由于管道為隱蔽工程，只要埋深滿足河道正常運用情況下最大累計沖刷深度，就能保證管道安全，進(jìn)而保證不影響防洪工程的安全。從計算沖刷結(jié)果看，主管線埋深均在最大沖刷深度之下，埋深滿足沖刷要求。因此，新民市供水工程符合防洪標(biāo)準(zhǔn)、有關(guān)技術(shù)要求和管理要求。

2）對行洪安全及河勢穩(wěn)定的影響分析

新民市供水工程為隱蔽工程，且管頂埋深均在100年最大累計沖刷深度以下，管線被沖出進(jìn)而阻礙行洪的可能性較小。因此，對河道行洪安全造成的影響較小。管道建成后，在一定程度上限制了河道的下切演變，但是不會引起河勢的大幅度調(diào)整，河道的沖淤變化仍以自然演變?yōu)橹?，對管線附近的河道演變及河勢發(fā)展影響較小。