鄂北工程唐白河夾河套段PCCP防護研究

李 淺，陳 諾

（鄂北地區水資源配置工程建設與管理局（籌）,430071，武漢）

鄂北工程唐白河夾河套段PCCP防護研究

李 淺，陳 諾

（鄂北地區水資源配置工程建設與管理局（籌）,430071，武漢）

鄂北地區水資源配置工程夾河套段工程為白河和唐河之間夾河套區域的PCCP倒虹吸輸水工程。輸水線路以鋼管管橋架空跨越白河、唐河，倒虹吸以溝埋PCCP穿越夾河套地區。唐河、白河的堤防潰（漫）堤可能會對該工程區域造成嚴重的沖刷，影響工程的穩定性。初步設計階段擬采用格柵石籠對夾河套段PCCP倒虹吸進行初步防護。為進一步優化設計，降低投資成本，開展夾河套段PCCP防護研究，通過數學和物理模型模擬，計算、分析不同頻率洪水在不同河道防洪標準、不同潰口位置及不同工程防護條件下對工程的破壞情形及程度，從而提出優化工程管道防護的建議。

PCCP；倒虹吸；模擬洪水影響；工程防護

一、工程概況

鄂北地區水資源配置工程夾河套段工程為白河和唐河之間夾河套區域的PCCP倒虹吸工程。夾河套地區位于白河、唐河之間，根據工程布局，需向夾河套地區的朱集鎮分水。輸水線路通過比選，以管橋架空跨越白河、唐河，再以倒虹吸（溝埋PCCP）穿越夾河套地區。根據初步設計方案，工程由3根DN3 800 mmPCCP同槽布置，管段總長6.44 km，管頂覆土深度2.0～7.0 m?？紤]到此段地勢平坦，為防止洪水沖刷管道，在管道頂部回填區設計了1 m厚、50 m寬、6.44 km長格柵石籠對工程進行防護。格柵石籠按50年一遇設計洪水、200年一遇校核洪水設計。

夾河套區域從上游至下游匯合處呈現上寬下窄的喇叭狀地形，唐河、白河的堤防潰（漫）堤可能會對工程區域造成嚴重沖刷，從而影響工程的穩定性，初步設計階段對夾河套段埋管進行格柵石籠覆蓋防護，未充分考慮唐河、白河在潰堤情況下夾河套地區地面沖刷的變化過程。另外6.44 km全線格柵石籠的防護方案設計工程量為30.74萬m3，投資8 072萬元，且對周邊環境產生較大影響。為把鄂北工程建成綠色生態工程，開展唐白河夾河套段PCCP防護研究是十分必要的，該研究旨在通過優化格柵石籠設計方案減少工程量，節約工程投資，同時減少對工程周邊環境的影響。

圖1 擬定潰口位置圖

二、防洪形勢分析

1.河道及區域概況

白河干流長329.3 km，唐河干流長284 km，唐河、白河在襄陽市兩河口匯合后稱唐白河，后匯入漢江，唐白河干流長23 km。唐白河流域總集水面積24 500 km2。

2.水文氣象條件

唐白河流域屬亞熱帶濕潤地區，同時具有濕潤地區到半濕潤地區過渡地帶的氣候特性，流域多年平均降水量為820 mm，其降雨量具有年內分布不均、年際變化大的特點。根據水文數據統計，白河、唐河來水主要集中于汛期5—10月，汛期來水量占全年來水量的80%左右。

3.工程跨河處水利現狀及規劃

唐河流域缺乏適宜修建大的防洪控制性工程地點，防洪主要依靠干支流堤防。白河上游建有鴨河口水庫，能有效削減唐白河上游干流洪峰，對白河中下游防洪作用顯著。

唐河、白河干流堤防現狀防御洪水能力偏低。管橋跨唐河處右岸現狀無堤，左岸有堤，堤防等級為4級。管橋跨白河處右岸為自然高地，無堤，左岸屬于永安堤段，堤防等級為4級。根據2003年編制的《唐白河干流防洪治理一期重點工程初步設計報告（湖北段）》，工程跨唐河左岸堤防，根據緊迫性和分期實施的原則，近期尚未列入唐白河干流防洪治理一期重點工程；永安堤防已列入唐白河干流防洪治理一期工程，防洪標準為20年一遇，堤防工程為4級。

4.設計洪水

由于位于唐河、白河處的工程斷面離河口較近，與相應河口控制面積相差不大，從安全角度考慮，本次引水線路跨唐河、白河的設計洪水采用唐河、白河河口設計洪水成果，唐河、白河河口處的設計洪水采用《唐白河流域（湖北段）防洪治理工程可行性研究報告（修訂稿）》成果，其中白河河口采用鴨河口水庫削峰后的設計洪水成果。

考慮到工程50年一遇設計標準、200年一遇校核標準，研究采用相應量級設計洪水標準進行計算分析，由于50年一遇以上設計洪水遠遠超過堤防的現狀及規劃防洪標準，無疑會發生漫堤情況?？紤]到對工程最不利情況，計算中的50年一遇、200年一遇洪水位分別假設兩岸堤防無限加高而不發生漫堤的情況。

三、數學模型計算

1.模擬方法

唐河、白河河道洪水采用河網一維水動力模型（Saint-Venant方程組）進行模擬，利用MIKE11進行計算；唐河、白河之間的夾河套區域洪水采用平面二維水流數學模型 （連續性方程）進行模擬，利用MIKE21進行計算；河道一維與夾河套區域二維耦合模型利用MIKE FLOOD耦合模擬平臺進行銜接。

2.模擬方案

根據唐河、白河防洪規劃、工程防洪設計及校核標準，模擬唐河、白河洪水頻率采用20年一遇、50年一遇及200年一遇?？紤]最不利情況，主要擬定以下3種洪水組合方案：

①唐河、白河同時發生20年一遇設計洪水，唐河、白河分別發生潰口。

②假設堤防無限加高，唐河、白河同時發生50年一遇設計洪水，唐河、白河分別發生潰口。

③假設堤防無限加高，唐河、白河同時發生200年一遇設計洪水，唐河、白河分別發生潰口。

3.模型建立

（1）邊界條件設定

模型上邊界：采用唐河上游、白河上游流量過程。

模型下邊界：采用唐白河匯流口下游水位流量關系。

內邊界：堤防潰口處分洪流量計算采用寬頂堰堰流公式，對于區域內河渠圩垸堤防以及各交通干線等，只考慮漫溢，不考慮潰決情況。

（2）潰口位置擬定

唐河、白河潰口位置的確定以出險可能性最大、潰口后對工程威脅嚴重及關注程度為考量因素選取，最終確定在唐河、白河各選取3處潰口位置（見圖1）（唐河、白河潰口編號分別為 T1～T3、B1～B3），6 處潰口分別位于工程位置處（B2和T2）、工程位置上游處彎段（B1和T1）、工程位置下游處彎段(B3和T3)。

（3）潰口形狀和寬度選取

潰口形狀采用梯形，潰口尺寸按線性擴展；假定初始時刻潰口寬度及深度分別為最大潰口寬度和深度的1/5左右，之后隨時間線性擴展至最終潰口尺寸，堤防潰口坡度均設定為1∶2。潰口寬度根據《洪水風險圖編制導則（試行版）》推薦的估算公式，計算值在105～175 m之間，考慮到風險不利原則，并方便進行方案對比，取各潰口寬度計算值的均值140 m作為擬選潰口的寬度，同時，考慮到潰口越寬，潰口初期沖刷影響范圍越大，因此針對影響最嚴重方案再選取各潰口計算值上包180 m潰口寬度進行對比。此外針對工程位置潰口處（B2和T2），再選取250 m潰口寬度進行對比分析。

（4）漫流模型設定

由于唐河、白河河段較長，將漫流模型進行概化。漫流側向連接選擇在地勢平坦開敞的地方，有利于進洪、吐洪?？紤]最不利方案，在工程線路附近區域不設置漫流口，只在上游和下游設置一定數量的漫流口。由于工程附近唐河、白河河道主槽寬度在200 m左右，加上灘地不足1 000 m，因此，漫流口寬度選取1 000 m。具體布置為：在唐河、白河工程線路上游不同位置各設置5個1 000 m寬的側向連接，線路下游各設置2個1 000 m寬的側向連接。由于50年一遇、200年一遇設計洪水等遠超唐河、白河的堤防設計標準和河道安全泄量，進行方案計算時無疑會發生兩岸漫堤情況?；诠こ套畈焕闆r，均按堤防無限加高而不發生漫溢情況進行考慮。

（5）計算水文條件

水文條件1（最不利水文條件）：不考慮洪水過程，上邊界入流唐河郭灘站、白河新店鋪站給定200年一遇恒定流量過程，計算歷時5日。

水文條件2～5：分別選取唐河、白河2000年場次洪水過程，進行同倍比放大得到200年一遇、100年一遇、50年一遇、20年一遇設計洪水過程。

（6）計算方案匯總

根據以上條件進行組合，共得到25種計算方案。

4.計算成果

（1）流量

如圖2所示，在最不利水文條件（水文條件1）下，同一潰口寬度（140 m），白河BH3潰口流量>BH2潰口流量>BH1潰口流量，唐河TH2潰口流量>TH3潰口流量>TH1潰口流量。主要原因是BH3和TH2潰口附近地面高程較低，對峰值流量影響較大。

圖2 白河（左圖）、唐河（右圖）潰口各方案潰口流量峰值

對于工程位置潰口 （BH2和TH2），潰口寬度越大，峰值流量越大，但140 m潰口寬度情況下的大流量持續時間較長。

對于唐河、白河工程位置同時潰口，在其他條件相同的情況下，潰口處峰值流量小于單一潰口峰值流量。由于同一重現期的洪水，工程位置處唐河水位遠高于白河水位，導致唐河潰口進洪、白河潰口出洪的情況。

圖3 白河（左圖）、唐河（右圖）不同潰口方案工程沿線最大流速分布

另外，對于不同水文條件下工程位置潰口各方案，洪水量級越大，潰口流量越大。

（2）工程沿線最大流速

對于不同潰口方案 （見圖3），潰口寬度相同時，工程位置處潰口較其他潰口位置的工程沿線的流速最大。對于工程位置處潰口（見圖4），白河180 m潰口寬度方案的工程沿線最大流速較140 m寬度潰口方案稍大一些，唐河與之相反。各方案中在水文條件1的情況下，工程位置處單一潰口的工程沿線流速最大，對工程影響最嚴重。

圖4 白河（左圖）、唐河（右圖）工程位置處潰口工程沿線最大流速分布

（3）工程沿線流速分布范圍

根據模擬計算結果，在水文條件1的情況下，工程位置處潰口對工程沿線的影響最大。白河（或唐河）在工程位置處潰口時，對于140 m、180 m、250 m不同潰口寬度，抗沖流速（白河1.3 m/s，唐河 1.5 m/s）沿工程線路的影響長度依次為465 m （或533 m）、562 m（或 608 m）、631 m（或 812 m），相比之下，唐河、白河同時潰口對工程沿線的影響較小。

（4）漫流方案

通過統計各方案漫過工程線路的總流量峰值，在水文條件1情況下漫流方案流量峰值最大，影響也最為嚴重。各水文條件下的漫流方案，流速最大值主要分布在穿過工程線路中間的太湖渠附近低洼地帶，其中在水文條件1情況下沿程流速最大。而相對于潰口方案，漫流方案的工程沿線流速相對較小，對工程線路影響不大。

5.結論及分析

①綜合比較不同潰口方案，在其他條件相同的情況下，工程線路位置處潰口對工程沿線的影響最大。

②綜合比較不同量級洪水，洪水量級越大，對工程線路影響越嚴重。

③不同潰口寬度對工程線路不同區域的影響不同。從最大流速和持續時間來看，在潰口附近區域，250 m潰口方案潰的最大流速及歷時均小于180 m和140 m潰口方案；在工程沿線距離潰口稍遠區域，250 m潰口方案潰的最大流速稍大于180 m和140 m潰口方案，但其歷時小于180 m和140 m潰口方案。從最大流速分布范圍來看，250 m潰口方案的最大流速分布范圍最大。

④根據25種方案，確定了工程線路風險最大的2處區域（白河側流速1.3 m/s以上，唐河側流速1.5 m/s以上），分別為工程線路白河端長562 m、唐河端長608 m范圍。

四、物理模型試驗分析

1.模擬方案

數學模擬各方案疊加了唐河、白河同時發生200年一遇恒定洪峰流量洪水、堤防無限加高等多種極端不利因素，綜合考慮不同潰口寬度的最大流速、影響范圍及持續歷時，選取唐河、白河工程位置處180 m單一潰口方案進行物理模型試驗，得到白河、唐河潰口后沿管線影響范圍為562 m及608 m。

2.定床試驗及成果分析

為驗證唐河、白河潰堤后的水流流態及分布情況是否與數學模型一致，分析相應的流速影響范圍，同時確定合理的動床模型模擬范圍，記錄模型進口流量與相應水位的對應關系，需開展定床試驗。參考數學模型的工況，針對工程位置潰口，開展2%（50 年一遇）、1%（100 年一遇）、0.5%（200年一遇）3種洪水頻率下的定床模型試驗。

（1）一致性檢驗

考慮到物理模型范圍限制及潰堤洪水對夾河套的沖刷影響在潰堤初始時期2小時內最大，因此，選取潰堤初始時期2小時內的數學模型及定床模型試驗進行流速影響范圍對比。根據白河工程位置處潰口下3種頻率洪水的定床模擬結果可知，2%洪水頻率時，數學模型沿工程管軸線方向最大流速稍小于定床模型結果，而其影響范圍稍大于定床模型結果；1%和0.5%洪水頻率時，數學模型沿工程管軸線方向最大流速及其影響范圍均稍小于定床模型結果，但差別不大。根據唐河定床模擬結果可知，在3種頻率洪水下數學模型沿工程管軸線方向最大流速及其影響范圍均稍小于定床模型結果，但同樣差別不大。因此，對于唐河、白河工程位置處潰口沿工程管軸線方向的流速影響范圍均可作為確定動床模型試驗范圍的依據。

（2）沖刷深度及范圍

根據經驗公式，參考《架空送電線路大跨越工程勘測技術規程》（DLT 5049—2006），結合工程實際情況，計算得到白河、唐河潰堤后最大沖坑深度分別為10.6 m和19 m，沖刷范圍分別為潰口處沿工程管線300 m和464 m以內，最深點高程均低于工程底板位置。

3.動床試驗及成果分析

根據白河、唐河定床模型抗沖流速（1.3 m/s和 1.5 m/s）影響范圍包絡線，及影響范圍為沿管線方向650 m和630 m。選取白河、唐河動床模型試驗覆蓋范圍分別為700 m×320 m和700 m×400 m，分別開展2%和0.5%洪水頻率下無防護工程和初步設計階段防護方案下的動床模型試驗。

（1）無防護方案

在白河、唐河無防護方案下進行模擬分析，結果表明，在最不利情況下（洪水頻率0.5%），白河、唐河沿管線方向沖刷范圍分別為500 m和300 m，沿管線265 m和200 m，分別沖刷至工程底板高程，以65 m為沖坑底高程計算的最大沖坑寬度分別超過280 m和250 m。

（2）初步設計防護方案

初步設計管線防護方案如下：夾河套段PCCP倒虹吸3管同槽，從上至下依次為0.5m耕植土、1m厚格柵石籠、回填土、PCCP。根據初步設計方案，格柵石籠寬50m、厚1m，動床試驗中采用小碎石+瓜米石填充鋼絲網進行模擬，按照重力及幾何相似，鋼絲網石籠模型寬1.42 m、厚3 cm。

在以格柵石籠為防護措施的情況下，試驗后兩種頻率洪水均在工程兩側形成較為明顯的沖刷坑，距潰口較近位置由于格柵石籠下部及兩側泥沙被不均勻淘刷，格柵石籠前部塌落變形明顯。在最不利情況下（洪水頻率0.5%），白河、唐河分別在潰口位置后管線70 m和110 m范圍內，格柵石籠向下側及兩側塌落變形嚴重； 潰口后管線 70～140 m、110～200 m范圍內格柵石籠向下側塌落有所減緩，兩側仍有一定塌落。白河、唐河潰口后，格柵石籠分別在沿管線140 m和200 m以后基本穩定。同時，由于僅在工程軸線寬度50 m范圍內進行防護，在工程兩側形成新的沖刷坑，并且兩側的沖刷范圍大于軸線位置。

4.試驗結果及分析

根據實驗后格柵石籠的破壞情況，唐河、白河潰口處沿管線200 m、140 m范圍內需加強防護。由于水流淘刷，格柵石籠向兩側塌陷，進而失穩失去對工程的保護作用。根據唐河、白河潰堤后無防護工程沖刷影響范圍及初步設計方案中工程兩側的沖刷影響范圍，除了對工程上部進行防護外，建議對唐河、白河潰口處300 m、650 m范圍內工程兩側進行防護，對潰口處630 m、650 m以外的防護工程適當優化。

五、結論及建議

1.結論

①數學模型計算結果表明，在其他條件相同的情況下，工程線路位置處潰口對工程線路的影響最大；洪水量級越大，對工程線路的影響越大；潰口寬度越大，潰口處最大流速減小、工程線路其他區域最大流速增大、最大流速等值線范圍增大、較大流速持續歷時減小。對各潰口方案分析，大流速主要分布在潰口附近區域，對工程線路影響較嚴重；對各漫流方案分析，較大流速主要分布在太湖渠附近，由于流速不大，對工程線路影響較小。數學模型結果最不利方案為唐河、白河200年一遇恒定洪峰流量條件下工程位置處單一潰口（180 m 寬潰口），此方案下，白河、唐河抗沖流速以上影響工程線路長度分別為562 m和608 m。

②定床物理模型試驗結果表明，隨著潰堤時外江水位升高，唐河、白河潰堤后最大流速及抗沖流速影響包絡范圍均逐漸增大；潰堤后流態及流場分布情況與數學模型計算結果基本一致，白河、唐河抗沖流速以上影響工程線路長度分別為650 m和630 m，最大沖坑深度分別為10.6 m和19 m，沖刷范圍分別為潰口處沿管軸線方向300 m和464 m。

③動床物理模型試驗結果表明，發生200年一遇洪水時對工程沖刷影響最大。在無防護工程情況下，唐河、白河的沖刷坑最大深度分別為13 m和9.5 m，潰堤洪水沿管線沖刷影響范圍分別約為300 m和500 m，沖刷至工程底板高程的范圍分別約為200 m和265 m。在初步設計防護方案下，水流在工程兩側形成新的沖刷坑，靠唐河側，潰口管線110 m范圍內，格柵石籠有較明顯變形，在靠近潰口處塌落變形最大，沿管線100～200 m范圍內石籠高程略有下降，200 m以外基本穩定；靠白河側，潰口管線140 m范圍內，格柵石籠塌落變形較大，靠近潰口處越明顯，140 m以外基本穩定。

2.建議

①加強唐河、白河工程潰口處沿管線200 m和140 m范圍內管線的防護力度。

②對唐河、白河工程潰口處沿管線300 m和500 m范圍內管線側面進行防護。

③對白河工程潰口處的堤防及沿堤防兩側一定范圍內進行加固防護，必要時可進行堤防局部加高，防止工程位置處堤防潰決或漫溢對管線的沖刷影響。

[1]國家防汛抗旱總指揮部辦公室.洪水風險圖編制導則（試行）[S].2005.

[2]架空送電線路大跨越工程勘測技術規程（DLT 5049—2006）[S].2006.

Research on protection of inverted siphon in Jiahetao Area between Tang River and Bai River in Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Provin

Li Qian,Chen Nuo

Inverted siphon project in Jiahetao Area was part of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province.it was supposed to be constructed applying PCCP in the area between Tang River and Bai River,and spanning the two rivers with pipeline bridge.Flooding of the rivers could exert significant scouring effects on the project.At the preliminary design phase,geogrid gabions were designed covering the PCCP to protect it from scouring.In order to further optimize the design and reduce the investment cost,research on protection of Inverted siphon project in Jiahetao Area was conducted.Mathematical and physical models were built and simulated with various floods,dyke breach on different sites,and different protection measures of PCCP,so as to find out how seriously the damage of flood can cause.By analyzing the modeling results,recommendations were given to optimize the protection measures of this project.

Prestressed Concrete Cylinder Pipe;inverted siphon;modelling flood effect;engineering protection

TV68+TV672.5

B

1000-1123（2017）22-0023-05

2017-10-11

李淺，工程師。

責任編輯 韋鳳年