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；輸水管線沿線地面以下計(jì)算最大沖刷深度為2.53m。

沁北蓄滯洪區(qū)；輸水管線；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)入友愛河），于友愛河上設(shè)置引水口，通過(guò)輸水管線引水至沁陽(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、輸水管線和穿越工程組成，工程起點(diǎn)為友愛河，終點(diǎn)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(diǎn)以南約700m以及入土點(diǎn)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(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(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，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。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以內(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(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，管道沿線最大流速0.492m/s。根據(jù)管道沿線最大流速統(tǒng)計(jì)分析，在洪水淹沒范圍內(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為沿管線觀測(cè)點(diǎn)（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(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(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走向范圍內(nèi)，50年一遇設(shè)計(jì)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(jì)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(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。