沁北蓄滞洪区冲刷对引丹入城工程埋管的影响

赵正伟，胡德祥

（黄河勘测规划设计有限公司，郑州450003）

沁北蓄滞洪区冲刷对引丹入城工程埋管的影响

赵正伟，胡德祥

（黄河勘测规划设计有限公司，郑州450003）

沁河与支流丹河的夹角区域为沁北自然溢滞洪区，沁阳市引丹入城工程输水管线以埋管方式穿越沁河北岸天然蓄滞洪区。沁河上游流量过大时，河道内洪水从堤防缺口自然溢入蓄滞洪区，会对沁北滞洪区范围内的输水管线造成一定的冲刷影响。通过MIKE21水动力学模型对50年一遇洪水过程条件下沁河、丹河和沁北滞洪区范围内的洪水演进过程进行了模拟，结果表明，丹河口最先发生漫溢，其次是阳华缺口，最后是上游龙泉缺口，阳华缺口漫溢水流与另外2个缺口漫溢水流相连接，洪峰过后，洪水沿原缺口退回河道；输水管线沿线地面以下计算最大冲刷深度为2.53m。

沁北蓄滞洪区；输水管线；最大冲刷深度

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

1 工程概况

焦作沁阳市境内沁河与其支流丹河的夹角地为沁北自然溢滞洪区，面积41.2km2，有仙神河、安全河、逍遥河等河流流经滞洪区，分别在沁河左堤的龙泉、阳华2处堤防缺口处汇入沁河。沁阳市引丹入城工程利用丹西灌区灌溉弃水及庙岭坡水电站的发电弃水（进入友爱河），于友爱河上设置引水口，通过输水管线引水至沁阳市城区护城河和天鹅湖。工程引水规模1051万m3，输水方式采用有压重力流，管道采用DN800钢管，设计流量为0.7m3/s。输水工程由引水口、输水管线和穿越工程组成，工程起点为友爱河，终点为天鹅湖西北角，输水管线大体由北至南铺设，工程直线距离约11.3km，如图1所示。引丹入沁工程沁河穿越段入土点以南约700m以及入土点以北约1.5km的管线位于沁北滞洪区内，由于沁北蓄滞洪区为天然蓄滞洪区，当沁河上游来流过大时，洪水从阳华、龙泉龙眼自然溢入滞洪区，会对沁北滞洪区范围内的管线造成一定的冲刷影响。

通过MIKE21水动力学模型对50年一遇相应洪水过程条件下沁河、丹河和沁北蓄滞洪区的洪水演进过程进行模拟，根据水流管道沿线流速计算结果对冲刷深度进行计算，为引丹入城工程在沁北蓄滞洪区范围内的管线埋深提供依据。

图1 沁北自然溢滞洪区及引丹入城管线布置图

2 平面二维数学模型简介

2.1 数学模型算法

采用DHI-MIKE水动力学软件中MIKE21模块对沁北蓄滞洪区进行洪水演进模拟，水流连续性方程和运动方程作为控制方程，采用ADI逐行法进行时空上的积分，离散方程用追赶法求解。

2.2 计算范围与网格划分

二维模型计算范围包括沁河王曲险工至丹河口段，以及沁北自然溢滞洪区（沁河与支流丹河的夹角地）。其中沁北自然溢滞洪区面积41.2km2，有仙神河、安全河、逍遥河等河流流经，分别在沁河左堤的龙泉、阳华2处堤防缺口处汇入沁河。

分别将沁河、丹河、沁北自然溢滞洪区3个区域进行网格剖分，均采用三角形网格，沁河、丹河河道适当加密，计算网格分别控制在0.02km2和0.01km2以下；沁北自然溢滞洪区最大网格面积不超过0.1km2，网格布置如图2所示。

2.3 洪水条件组合

设计洪水地区组成为花园口、三花间、武陟同频率，武陟以上采用1982年作为典型年同倍比放大，三花间其他区间相应。五龙口和山路平分别为沁河和丹河的流量控制站。按上述洪水地区组成放大得到50年一遇相应洪水过程线，按照河口村水库防洪运用方式，进行洪水调节计算，得到河口村水库影响后各河流的洪水过程线。出口计算条件采用丹河口断面水位流量关系成果插值得出的水位过程。

2.4 参数率定

采用1982年实测洪水对模型进行参数率定和验证，沁河流量为4240m3/s，率定河道主槽糙率0.022～0.024，滩地糙率0.035～0.038。沁河实测大断面CS5～CS11水位与计算水位差值在0.05m以内，说明糙率取值是合理的，模型可用于方案计算。

3 成果分析

3.1 洪水演进过程分析

沁河河道堤防在路村险工至孔村险工河段左岸为龙泉缺口，在水南关险工至丹河口之间左岸有2处缺口：阳华缺口和丹河口缺口，丹河口右岸无堤防，存在漫溢风险。如图3所示，丹河口靠近下游，洪峰到达时该处最先漫溢，随后水流由缺口向沁北滞洪区漫流，并向沁河沿岸上游漫延，随着沁河洪水进一步发展，阳华缺口也发生洪水漫溢，与丹河口缺口漫出水流相连接，沿着沁河和丹河夹角方向向沁北滞洪区演进，随着沁河流量加大，龙泉缺口也发生漫流，向西偏北方向漫流，与另外2个缺口漫溢水流相连接，沁北滞洪区大面积过流。洪峰过后，沁河流量逐渐减小，沁北滞洪区水流逐渐沿原缺口退去，整个洪水过程沁北滞洪区过流以沁河漫流为主。

图2 网格布置图

图3 72h水位流速分布图

图4 地形及沿管线较大流速位置图

表1 沿管线较大冲刷深度

3.2 冲刷分析

根据模型计算结果，沁河洪水在阳华缺口处向沁北滞洪区漫溢过程中，管道沿线最大流速0.492m/s。根据管道沿线最大流速统计分析，在洪水淹没范围内选取各区域流速最大的点1、点2、点3和点4为沿管线观测点（见图4），最大流速分别为0.434m/s、0.492m/s、0.232m/s和0.147m/s。

根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2002）非黏性土河滩部分一般冲刷公式计算，点1、点2、点3和点4冲刷后最大水深分别为3.20m、2.90m、2.49m和1.96m。流速最大值出现时，点1、点2、点3、点4的水深分别为0.98m、0.37m、0.66m和1.31m，因此，地面以下冲刷深度分别为2.22m、2.53m、1.83m和0.65m。设计管线沿线最大冲刷深度为2.53m（见表1）。

4 结论

沁北蓄滞洪区地形复杂，通过MIKE21水动力学模型对50年一遇洪水过程条件下沁河、丹河和沁北滞洪区范围内的洪水演进过程进行了模拟，由计算结果分析，丹河口最先发生漫溢，其次是阳华缺口，上游龙泉缺口最后漫溢，3个缺口漫溢水流相连接，洪峰过后，洪水沿原缺口退回河道。

引丹入城工程沿管线走向范围内，50年一遇设计洪水位121.94m以下淹没范围内沿管线最大冲刷深度为2.53m，而引丹入城工程沁北滞洪区内122m高程以下设计管线埋深为3m，埋深满足要求。

【1】周丽艳,陈松伟,梁艳洁.沁河下游河道水沙变化及冲淤特性[J].人民黄河,2014,36(1):39-41.

【2】周丽艳,陈翠霞,梁艳洁.沁河下游河势变化分析[J].人民黄河,2014,36(10):36-41.

【3】岳仁意,宋靖邦.沁河下游防洪形势及对策研究[J].泥沙研究,1998,20(10):10-11.

【4】郭选英,林秀芝,马迎平，等.沁河下游河道冲淤规律分析[J].人民黄河,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

赵正伟（1984～），男，河南信阳人，工程师，从事水利工程规划设计研究。