新民市供水工程穿越养息牧河防洪影响评价分析

孟怀宇，乔国龙

（1.辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁沈阳 110166；2.辽宁西北供水有限责任公司，辽宁沈阳 110000）

1 项目背景及概况

新民市供水工程是辽宁省重点输水二期工程的重要组成部分，起始点为彰武配水站，经26.13 km直径DN1100的输水管道输送至调流阀站，调流阀站经管道输送至接管点。工程于彰武配水站至调流阀站段穿越养息牧河，穿越长度为567.52 m，穿越方式为直接开挖，穿越部位管底高程为52.52 m，管材为1×DN1100球墨铸铁管。主河槽穿越位置河底高程在57.75 m左右，设计管道中心埋置高程为53.104 m，最小覆土厚度大于2.7 m。

为保证穿越养息牧河管线设计方案的经济、安全、合理，尽可能减少对现有防洪工程和地区防洪的影响，满足河道防洪的要求，根据相关要求，对拟建穿越工程进行防洪评价。

2 技术路线

通过水文分析，计算穿越工程所在河段各频率洪峰流量，并分析洪水特性。采用河道一维恒定流数学模型，计算穿越工程所在河段的规划设计水位及工程建设后的水位，比较工程建设后对规划设计水位的影响，并结合地勘资料计算河道最大冲刷深度。利用各相关工程规划设计资料、现状河流资料及防洪工程资料，分析项目建设对河势、河道防洪工程、防汛抢险以及其它工程的影响。根据有关法律、法规、规范，结合各类防洪规划的需求，依据相关的分析计算，提出洪水影响评价意见。

3 河道演变

3.1 横断面套绘分析

养息牧河现状有小荒地站，位于新民市供水工程穿越河段下游约28 km处。考虑到小荒地站距离管线穿越位置较远，河道特性差别较大，因此其分析成果仅能作为参考。小荒地站有实测资料以来，1969，1975，1991年发生洪水较大，洪峰流量分别为1 292，962，720 m3/s。由于 1969年水文站未测量河道大横断，无法进行套绘分析。因此此次选取1975年实测资料进行横断面套绘分析。1975年洪水与30年一遇洪水相差不多。套绘成果见图1。

图1 小荒地站1975年汛前、汛后大横断套绘图

从图1可以看出，1975年汛前、汛后大横断未发生较大变化，滩地局部发生了冲刷，最大冲刷深度约为0.8 m。

3.2 平面套绘分析

根据已有资料，此段现有1980，2008及2009年实测1∶10 000平面图，此次对其以上3年地形图进行套绘，分析新民市供水工程穿越养息牧河所在河段河道平面演变特性。

从1980年、2008年和2009年的实测套绘图可以看出：1）新民市供水工程所在河段为“几”字形河湾处，该处河道在1980年至2009年间河道演变较为剧烈，且存在裁弯取直的危险。为了防止河势的自然演变威胁管线自身的安全，应适当扩大管线按主槽穿越考虑的范围。2）穿河段左岸起点位于“几”字形河湾湾顶外约50 m处，超出了现状自然演变的范围。该处湾顶有向下游蠕移的趋势，湾顶将会逐渐远离管线。3）穿河段右岸终点位于彰武台门桥引桥控制范围内，受引桥及公路的控制，进一步向右岸摆动的可能性较小。因此，管线在穿越范围内全部按照主槽穿越考虑是较为安全的。

4 防洪评价计算

4.1 水文分析计算

4.1.1 设计洪水

管线穿越养息牧河位置在彰武台门，以上集水面积1 150 km2。管线穿河处下游建有小荒地水文站，控制面积1 783 km2，实测洪水资料为1954—2013年共60年，对连续系列按矩法进行频率计算，线型采用P-Ⅲ型曲线，洪峰Cs=2.5Cv，经验点据与理论曲线拟合较好。

管线穿越养息牧河处，设计洪水由小荒地水文站设计洪水成果采用面积比的2/3次方计算，设计洪峰成果见表1，频率图见图2。

表1 小荒地水文站及管线穿河处设计洪峰流量成果表m3/s

4.1.2 成果合理性分析

图2 小荒地水文站设计洪峰频率曲线图

点绘辽宁中西部地区辽河右侧支流各站100年一遇设计洪峰与面积相关关系，见图3，秀水河公主屯站、养息牧河小荒地站和柳河彰武站由于流域内地势较为平坦、沙地较多，暴雨入渗大，洪水形成平缓，故洪峰模数较小，点据居于下方。总体看，设计洪峰流量与面积关系符合地区洪水形成规律。

可以看出，洪峰流量基本呈面积比的2/3次方的指数关系，因此由小荒地站的设计洪峰流量，按面积比的2/3次方的方法推求管线穿越河流地点的设计洪峰流量是合理的。

图3 各站1%频率设计洪峰流量与集水面积关系图

4.2 壅水分析计算

由于管线施工均在非汛期进行，汛期将拆除河道内所有施工围堰等阻水建筑，且管线设计穿河部分全程埋设，施工后恢复天然河道状态，只要管线设计埋深大于洪水冲刷深，洪水期管线不会因洪水淘刷而裸露进一步阻碍河道行洪，其建设对上游河道的壅水就可以不予考虑，下面的水力计算主要为冲刷计算提供依据。

4.2.1 计算范围

此次水面线计算范围为上营子至养息牧门，河道全长12.32 km，共布置横断面10条。

4.2.2 设计洪水

新民市供水工程穿越养息牧河位置所在河段规划防洪标准为10年一遇（P=5%）。管线设计防洪标准为30年（P=3.33%），校核防洪标准为100年（P=1%）。因此设计洪水包括P=5%，3.33%，1%等3个频率，其不同频率设计洪水成果分别为626，741，1 097 m3/s。

4.2.3 地形资料

此次计算断面采用2015年实测的横断面成果，平面图采用2008年1∶10 000电子地形图及2009年航拍图。

4.2.4 起点水位

此次计算的起点选用YX1断面，20年一遇、30年一遇、100年一遇起点水位采用曼宁公式计算，成果见表3。

表3 高速桥不同频率水位～流量关系成果表

4.2.5 糙率选取

经现场勘查，结合2009年航拍图，管线穿越段河道位于弯道段，河床主要由粉细砂组成，滩地多为耕地，间有林地。根据《水力计算手册》，主槽糙率选定为0.025～0.029，滩地糙率选定位0.05～0.07。

4.2.6 计算频率

根据《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则》（试行）中关于涉河建筑物防洪评价计算应该包括计算频率的规定：“建设项目防洪影响的计算条件一般应分别采用所在河段的现状防洪、排涝标准或规划标准，建设项目本身的设计（校核）标准以及历史上最大洪水”。新民市供水工程管线设计防洪标准为30年（P=3.33%），校核防洪标准为100年（P=1%）。由于管线穿越河道防洪标准为20年一遇。故本次水力计算选取频率为P=5%、P=3.33%、P=1%。

4.2.7 计算方法

此次防洪评价水面线采用能量方程式进行计算，其中桥壅水计算采用鲍氏公式，一般断面间用能量方程式推算。

能量方程式：

式中：Z1，Z2分别为下、上游断面的水位，m；hf，hj分别为上下断面间的沿程、局部水头损失，m；u1，u2分别为下、上游断面的流速，m/s。

式中：△Z——桥壅水高度，m；ξ——系数（与水流进入桥孔的阻力有关）；V——有冲刷情况时，桥下平均流速，m/s；V1——天然条件下桥位处平均流速，m/s；P——与桥孔冲刷有关的系数；W过、W阻——桥的过水和阻水断面面积，m2；Vs——桥下设计洪水流速，m/s。

4.2.8 计算结果

水面线计算成果见表4。

表4 水面线计算成果表m

4.3 冲刷计算

管线所在位置冲刷计算采用GB 50286-2013《堤防工程设计规范》中公式：

式中：hS——局部冲刷深度，m；H0——冲刷处的水深，m；Ucp——近岸垂线平均流速，m/s；n——与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=1/4～1/6；η——水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查表采用。

计算结果冲刷计算成果见表5。根据表5中的成果，结合河势演变套绘图及地勘纵剖面图，确定新民市供水工程穿越养息牧河部分的范围及冲止高程线。

表5 冲刷计算成果表

5 结论

1）与现有防洪标准、有关技术要求和管理要求的适应性分析

新民市供水工程穿越养息牧河河道防洪标准为20年一遇。新民市供水工程设计防洪标准为30年一遇，校核防洪标准为100年一遇，防护措施均按照100年一遇考虑，高于所在河段的防洪标准。由于管道为隐蔽工程，只要埋深满足河道正常运用情况下最大累计冲刷深度，就能保证管道安全，进而保证不影响防洪工程的安全。从计算冲刷结果看，主管线埋深均在最大冲刷深度之下，埋深满足冲刷要求。因此，新民市供水工程符合防洪标准、有关技术要求和管理要求。

2）对行洪安全及河势稳定的影响分析

新民市供水工程为隐蔽工程，且管顶埋深均在100年最大累计冲刷深度以下，管线被冲出进而阻碍行洪的可能性较小。因此，对河道行洪安全造成的影响较小。管道建成后，在一定程度上限制了河道的下切演变，但是不会引起河势的大幅度调整，河道的冲淤变化仍以自然演变为主，对管线附近的河道演变及河势发展影响较小。