院基寺水库新设取水口工程运行对溢洪道影响研究

曲晓阳，肖 宜,2，王均星，张勇超，郭星锐

(1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.水资源安全保障湖北省协同创新中心，武汉 430072)

0 引 言

近年来，经济发展迅速，城市化水平不断提高，国内大型城市原有供水系统无法满足城镇化的发展需要，亟需调整城市供水格局，增设水源地。在大型水库中新建引水线路必然会影响到原水工建筑的安全运行，而如何协调好新旧的水工建筑物的关系是工程建设中必须要考虑的，对这一问题国内类似工程实例和论证较多，如陈位洪等人从设计和施工方面分析了西江引水工程跨堤箱涵对北江大堤的影响 ，对跨堤引水工程论证工作起到一定的参考作用；王梅霞等人针对陕西秦元热电厂热力管道穿越渭河堤防工程的几种工程方案进行对比分析论证，使工程设计方案具有结构安全性和技术可行性 ；涂国祥等人也对库水位升降时溢洪道边坡渗流流场的变化进行了研究 ，但是目前国内对取水口与溢洪道相互影响的研究相对欠缺。随着城市发展，新建引水工程与原溢洪道的冲突会越来越常见，若不针对设计方案进行影响分析，可能会导致滑坡、管涌等灾害危及水库及水工建筑物的安全，本文将结合工程实例对此进行研究。

武汉市黄陂区前川城区拟实施引院入川工程，工程计划将黄陂区院基寺水库设为新水源地，形成滠水河和院基寺水库双水源供水格局，以提高武汉市城市供水安全性。其中新水源地院基寺水库为大(二)型水库，引水工程拟设取水口位置靠近水库溢洪道，故需考虑取水口建成运行对溢洪道的影响。本文结合取水口工程的设计方案及相关规范，对工程建设前后溢洪道泄流能力变化和工程运行时溢洪道边坡渗流稳定两方面进行安全论证。

1 工程概况

院基寺水库位于武汉市黄陂区长轩岭街院子村，是一座以灌溉为主，兼防洪、供水的中型水库，是梅院泥灌区的重要组成部分，该库于1960年3月建成。引院入川(水源)工程输水管线从院基寺水库沿溢洪河道及黄土公路输送至前川城区的前川水厂，总长度约26.8 km。其中取水口拟建在院基寺水库副坝西侧的1号溢洪道东侧凹湾处，位于1号溢洪道与2号溢洪道之间，距1号溢洪道约50 m。工程取水口具体布置如图1所示。

图1 取水口位置示意图Fig.1 Schematic diagram of water inlet location

2 地质条件

取水管道穿越的岩体岩层分布有序，由上往下为残坡积土、素填土、黏土、强风化片麻岩、中风化片麻岩、弱风化片麻岩，岩体以中风化和弱风化片麻岩为主。地质剖面如图2所示。

图2 取水管道施工区域地质剖面图Fig.2 Geological profile of water intake pipeline construction area

取水口处管道部分主要位于中风化片麻岩和弱风化片麻岩中，岩层稳定密实，管道平均埋深约10 m。

3 取水工程运行对溢洪道影响分析

分析院基寺水库取水口工程运行对溢洪道的影响，其一是取水口建设距溢洪道较近，需考虑取水口工作是否会影响溢洪道泄流能力 ，通过分析工程建设前后溢洪道泄流流场、流量变化来论证工程影响；其二是新建输水管道之后，溢洪道附近山体的渗流场发生变化，山体中渗流出露、过大的水力坡降等会对附近的溢洪道边坡乃至整体结构的安全稳定产生重大的影响 ，需考虑工程运行时管道出现的极端工况(假设管道破裂大体积管水出漏)，选取不利断面通过渗流计算确定渗流场中水头的分布特点和关键部位的渗透水压力及通过溢洪道边坡的渗透流量，结合工程的实际地质和水力条件，计算山体承受的水力坡降，与规范允许水力坡降进行对比来评价结构的渗透稳定。

3.1 溢洪道泄流能力变化分析

分析取水口工作期间对溢洪道正常泄流能力的影响，应用Flow 3D软件VOF模型和RNGk-ε紊流模型对选取的工况下溢洪道泄流情况进行模拟，溢洪道泄流水流属于带自由表面的水流流动，大型水工建筑物中水流的流动计算中对自由表面的数值模拟中VOF(Volume of F1uid)法的应用十分普遍和有效 。通过对取水口建成前后溢洪道在正常泄洪时的流线、流速、流量等信息进行对比分析，评价取水口的建设对溢洪道泄洪能力的影响。计算选取的范围为黄陂区前川城区北部院基寺水库、1号溢洪道、2号溢洪道及长距离输水管道等结构，计算时采用笛卡尔坐标系，取Y方向为上下游方向(+Y为上游)；取X方向为左右岸方向(+X为左岸)；取Z方向为铅直方向，其坐标值与工程中的海拔高度相对应。计算体型由Civil 3D绘制完成，1号溢洪道堰顶高程为55.26 m，2号溢洪道堰顶高程为55.76 m，取水口端部管中高程46.20 m，斜率i=0.035 2。计算范围和计算体型如图3所示。

图3 计算地形范围及计算体型Fig.3 Calculate terrain range and shape

网格划分设一个网格区块，沿X方向，1号和2号溢洪道所在部位为主要研究部分，网格尺度进行适当加密，采用网格尺度为0.67 m，其余网格适当稀疏，采用网格尺度为1.00 m；沿水流向(Y方向)网格尺度为1.00 m；垂直向(Z方向)网格尺度为0.33 m。

边界条件设置是上游为压强边界，通过给定水位和相应静水压强实现，下游为自由出流，水面设置为自由水面，各结构壁面设置为固壁边界，对应的曼宁糙率为0.014～0.018左右。

选取了两个工况设计洪水位工况(z=58.52 m)和校核洪水位工况(z=60.20 m)，分别就工程建设前后水库溢洪道流场、流量的变化进行数值模拟分析。

3.1.1 工程对水库溢洪道流场的影响

(1)设计洪水位工况(z=58.52 m)。取水口建设前表面流场分布中整体水流沿两侧溢洪道自上游向下游下泄，1号溢洪道(流场分布图左侧)进口前由于地形内凹存在水流回旋，自上游50 m处流线逐渐由弯变直，进口处无横向流速，进口流速在2.0 m/s左右，下泄流速范围为4.8～19.5m/s；2号溢洪道(流场分布图右侧)进口前水域面积宽广，地形垭口与溢洪道进口处连接形成大的回旋水流，进口处流线由弯变直，流速为2.5 m/s左右，下泄流速范围为6.5～19.2 m/s。

图4 设计洪水工况取水口前后流速对比图Fig.4 Designed flood condition’s comparison diagram of velocity before and after water intake construction

图5 设计洪水工况取水口前后流场对比图Fig.5 Designed flood condition’s comparison diagram of flow field before and after water intake construction

取水口建设后表面流场分布中1号溢洪道进口流速在1.8 m/s左右，下泄流速范围为5.0～20.2 m/s；2号溢洪道进口流速为2.4 m/s左右，下泄流速范围为6.8～19.2 m/s。假定取水管道采用自由出流的方式，无泵情况下管内流速为7.2 m/s左右。

工程建设前后流场基本一致，两溢洪道进口前流线走势及方向无明显变化，流速分布基本相同。

(2)校核洪水位工况(z=60.20 m)。在取水口建设前表面流场分布中，1号溢洪道进口前自上游60 m处流线逐渐由弯变直，进口流速在2.6 m/s左右，下泄流速范围为5.5～21.5 m/s；2号溢洪道进口前上游绕过山顶的水流与垭口处回流形成碰撞消能，流速减小，流速为2.7 m/s左右，下泄流速范围为7.7～20.4 m/s。

图6 校核洪水工况取水口前后流速对比图Fig.6 Check flood condition’s comparison diagram of velocity before and after water intake construction

图7 校核洪水工况取水口前后流场对比图Fig.7 Check flood condition’s comparison diagram of flow field before and after water intake construction

取水口建设后表面流场分布情况为1号溢洪道进口流速在2.4 m/s左右，下泄流速范围为6.5～21.3 m/s；2号溢洪道进口前上游绕过山顶的水流与垭口处回流形成碰撞更为剧烈，进口流速为2.8 m/s左右，下泄流速范围为7.9～20.5 m/s。假定取水管道采用自由出流的方式，无泵情况下管内流速为7.0 m/s左右。

建管前后流场基本一致，两溢洪道进口前流线走势及方向无显著变化，流速分布基本相同。

3.1.2 工程对溢洪道出流的影响

(1)设计洪水位工况(z=58.52 m)。以设计洪水位下取水口工程建设前后流量相对平稳的30 min分析，由图8、图9可见流量趋势相似，工程建设前1号溢洪道泄流流量平均值为245.56 m3/s，2号溢洪道为227.67 m3/s；工程建设后1号溢洪道泄流流量平均值为245.58 m3/s，2号溢洪道为227.86 m3/s。工程建设前后流量差小于0.1%，则取水管的建成对设计工况下溢洪道泄流能力影响极小，可不考虑。

图8 设计洪水工况(z=58.52 m)建管前后1号溢洪道流量对比折线图Fig.8 Designed flood condition’s comparison broken line diagram of flow of spillway no. 1 before and after water intake construction

图9 设计洪水工况(z=58.52 m)建管前后2号溢洪道流量对比折线图Fig.9 Designed flood condition’s comparison broken line diagram of flow of spillway no. 2 before and after water intake construction

(2)校核洪水位工况(z=60.20 m)。以校核洪水位下取水口工程建设前后流量相对平稳的20 min分析，由图10、图11可见流量趋势大致相似，工程建设前1号溢洪道泄流流量平均值为516.89 m3/s，2号溢洪道为490.22 m3/s；工程建设后泄流流量平均值1号溢洪道为511.61 m3/s，2号溢洪道为486.44 m3/s。工程建设前后流量差为1%，则取水口工程运行对校核工况下1、2号溢洪道泄流能力影响较小，可不考虑。

图10 校核洪水工况(z=60.20 m)建管前后1号溢洪道流量对比折线图Fig.10 Check flood condition’s comparison broken line diagram of flow of spillway no. 1 before and after water intake construction

图11 校核洪水工况(z=60.20 m)建管前后2号溢洪道流量对比折线图Fig.11 Check flood condition’s comparison broken line diagram of flow of spillway no. 2 before and after water intake construction

3.2 溢洪道边坡渗流稳定分析

采用Geo studio软件SEEP/W模块对取水管道完建后的溢洪道边坡渗流情况建立断面二维仿真模型 ，SEEP/W是第一款全面处理非饱和土体渗流问题的软件，适用于边坡渗流问题，用平面有限元计算分析法对工程完建后的山体断面流场进行模拟计算，分析评价所选断面的渗透稳定性。假定管道运行时出现极端工况，管道破裂导致大体积管水出漏，根据取水口附近具体地形地质条件，选取了B1- B1′、B2- B2′两个断面进行研究，具体位置如图12所示。此外本工程位于水库附近，降雨、排水等特殊情况可能造成地下水位的升降变化，所以对每个断面选择三种不同的下游水位(为表述方便，认为漏水处管道高程为断面上游水位，溢洪道地下水位为下游水位)进行计算。

图12 溢洪道边坡渗流分析断面Fig.12 Seepage analysis section of spillway slope

B1- B1′、B2- B2′断面，每个断面上游侧水位取该桩号处输水管道高程，下游侧水位取溢洪道地下3、5、7 m 三种情况。

B1- B1′断面对应管道底部高程为45.15 m，此外根据地勘资料，溢洪道侧高程为47.6 m。第一类边界条件设为，渗入边界水位为45.15 m，渗出边界水位分别为44.6、42.6、40.6 m 3种情况。

B2- B2′断面对应管道底部高程为44.75 m，第一类边界条件设为，渗入边界水位为44.75 m，渗出边界水位分别为45.25 m(高于渗入边界水位，可省略其计算)、43.25、41.25 m。

渗流计算工况如表1。

表1 计算工况汇总Tab.1 Summary of calculation conditions

将山体简化为均质材料进行计算。各岩层的渗透系数及凝聚力、内摩擦角等材料参数根据场地岩土原位测试等试验结果综合建议值选取。各土层的允许水力坡降取值如表2所示。

表2 土层允许水力坡降Tab.2 The soil allowable hydraulic gradient

3.2.1 B1- B1′断面

B1- B1′断面整体模型如图13所示。二维模型管道处钻孔编号为ZK5，溢洪道侧钻孔编号为BZK3。模型以从管道侧指向溢洪道侧为X轴正方向，以距ZK5号孔水平距离为X坐标，以竖直向上方向为Y轴正方向，以高程作为Y坐标。二维模型水平长103.2 m，其中孔号ZK5至BZK3之间为主要研究区域，其水平距离为73.2 m，从两点分别向外扩展15 m进行建模，地质分层随地层走势相应延伸。二维模型左侧高31 m，右侧高17.6 m，即模型取高程为30 m以上区域，涵盖该断面所有地质信息。

图13 B1- B1′断面整体模型(单位：m)Fig.13 Integral model of B1- B1′ section

渗流基本微分方程的边界条件有三类：已知水头边界条件、已知流量边界条件、混合边界条件。本工程中已知资料符合其中的第一类边界条件，已知水头边界条件，即H=H0。

B1- B1′断面渗流计算边界条件可以表述为：

(1)工况1：地下水位为地面以下3 m深，渗入边界水位H1=45.15 m，渗出边界水位H2=44.6 m。

(2)工况2：地下水位为地面以下5 m深，渗入边界水位H1=45.15 m，渗出边界水位H2=42.6 m。

(3)工况3：地下水位为地面以下7 m深，渗入边界水位H1=45.15 m，渗出边界水位H2=40.6 m。

模型建立完毕进行单元网格划分，设置单元网格间距为1m，施加渗流计算边界条件。经过计算得到模型渗流情况如图14所示。图中箭头方向代表渗流方向，箭头大小代表流速大小。不同颜色区域的分界线为等势线。

图14 B1- B1′断面模型渗流整体分布图(单位：m)Fig.14 Overall seepage distribution diagram of B1-B1′ section model

3.2.2 B2- B2′断面

B2- B2′断面整体模型如图15所示。二维模型管道处钻孔编号为ZK6，溢洪道侧钻孔编号为BZK6。模型以从管道侧指向溢洪道侧为X轴正方向，以距ZK6号孔水平距离为X坐标，以竖直向上方向为Y轴正方向，以高程作为Y坐标。二维模型水平长87.9 m，其中孔号ZK6至BZK6之间为主要研究区域，其水平距离为57.9 m，从两点分别向外扩展15 m进行建模，地质分层随地层走势相应延伸。二维模型左侧高29.65 m，右侧高18.25 m。

图15 B2- B2′断面整体模型(单位：m)Fig.15 Integral model of B2- B2′ section

B2- B2′断面渗流计算边界条件可以表述为：

(1)工况4：地下水位为地面下5 m深，渗入边界水位H1=44.75 m，渗出边界水位H2=43.25 m。

(2)工况5：地下水位为地面下7 m深，渗入边界水位H1=44.75 m，渗出边界水位H2=41.25 m。

经过计算得到模型渗流情况如图16所示。

分析各工况下的渗流，在渗入点及渗出点水力坡降值达到极大值。将两个断面水力坡降计算结果汇总如表3所示。

图16 B2- B2′断面模型渗流整体分布图(单位：m)Fig.16 Overall seepage distribution diagram of B2-B2′ section model

断面工况表层表层水力坡降极大值所在岩层左侧左侧水力坡降极大值所在岩层右侧右侧水力坡降极大值所在岩层B1- B1′工况10.008 7残坡积土0.026 7中风化片麻岩0.008 4强风化片麻岩工况20.029 1残坡积土0.118 3中风化片麻岩0.116 8中风化片麻岩工况30.073 3残坡积土0.206 3中风化片麻岩0.209 3中风化片麻岩B2- B2′工况40.021 8黏土0.136 6微风化片麻岩0.076 2中风化片麻岩工况50.051 2黏土0.314 7微风化片麻岩0.189 5中风化片麻岩

分析各工况渗流情况，可知在研究区域内绝大部分水力坡降很小，只在渗入和渗出边界处达到最大值，如表3所示。断面最大水力坡降值所在区域除工况1为强风化片麻岩层外，其余均在中风化片麻岩层。岩体允许水力坡降一般较大，参考砾石允许水力坡降一般为0.6～1.0，片麻岩允许水力坡降远大于砾石，因此可以认为本工程片麻岩层中不会发生渗透破坏。此外，一般情况下，渗流破坏基本发生在表层岩体部位，在本工程中计算得到表层岩体最大水力坡降分别为0.073 3、0.051 2，而残坡积土和黏土允许水力坡降为0.45和0.5，表层土体水力坡降小于土体允许水力坡降，不利断面不会发生渗透破坏。因此，即使运行过程中管道连接处发生漏水现象，山体中不会发生渗流出露，并且水力坡降较小，不会对附近的溢洪道及整体结构的安全稳定产生重大的影响。

4 结 语

本文主要研究水库新增取水建筑对原溢洪道影响，结合院基寺水库取水口工程中取水口建设临近溢洪道的工程现状，选取工程建设前后溢洪道泄流能力变化和溢洪道边坡渗流稳定两个方面进行了研究。

(1)对溢洪道泄流能力变化研究。考虑到工程取水工作时对溢洪道泄流会产生影响，利用Flow 3D软件建模分析，论证结果是取水管的建成对水库溢洪道的流场影响可以忽略不计；设计工况和校核工况建管前后流量差均小于1%，流量曲线走势相近，即取水管的建成对水库溢洪道的泄流能力影响基本可以忽略不计。

(2)对溢洪道边坡渗流稳定研究。考虑到取水口工作时出现的极端工况(管道破裂)导致的取水管道破裂出现大体积漏水，进而影响到溢洪道边坡结构和渗流稳定，用Geo studio软件建模分析，选取断面B1- B1′、B2- B2′，其最大水力坡降分别为0.209 3、0.314 7，最大值发生在中风化片麻岩层和微风化片麻岩层，水力坡降相对较小，在规范允许范围内，不会对附近的溢洪道及整体结构的安全稳定产生重大的影响，工程的建设对溢洪道边坡渗流稳定影响较小。

综上，本文的研究成果对院基寺水库新设水库取水口对原溢洪道影响的安全论证工作具有一定的指导意义，对类似工程具有参考价值。