临河管线工程洪水影响分析

徐志国，杨帆，邓显羽

（1.水利部松辽水利委员会，吉林 长春 130021；2.吉林松辽水利水电开发有限责任公司，吉林 长春 130021；3.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 工程及所在河道基本情况

吉林市江北污水处理厂入第二松花江排污口工程位于龙潭区秀水大桥下游1.19 km 处的第二松花江右岸滩地上，所处位置的堤防堤顶高程为186.84 m，宽为8.00 m,迎水侧护坡坡比为1∶2.5，马道宽4.00 m；工程所处位置的河道宽330.00 m，水深约为9.00 m，滩地宽约31.00 m，工程上游20.40 km 处设有吉林水文站。根据《松花江流域防洪规划报告》[1]，工程所处河段堤防设计防洪标准为100 年一遇；参照GB 50014—2021《室外排水设计标准》[2]“厂区地形不应受洪涝灾害影响，防洪标准不应低于城镇防洪标准”，结合GB 50201—2014《防洪标准》[3]相关规定，工程设计防洪标准为100 年一遇。工程由尾水管线、八字排污口、河道上下游护砌工程组成。尾水管线采用顶管方案穿越右岸堤防，顶管段总长度为137.00 m，套管选用DN2 000 钢筋混凝土管，管内设置DN1 400 钢塑复合管，采用C20 混凝土填充套管内空隙。管线的管顶距离迎水侧、背水侧堤脚埋深分别为7.20和13.34 m；顶管入土点与堤防背水侧堤脚的距离为53.00 m，出土点与堤防迎水侧堤脚的距离为61.20 m。工作井采用7.00 m×4.00 m 的矩形钢筋混凝土结构，井深14.56 m，工作井在施工完成后作为管道阀门井。出土点位于管线末端，该处设置一座钢筋混凝土结构形式八字排污口，底板长6.00 m，宽2.00～4.00 m，厚0.50 m，底板下齿槽深0.60 m，下设0.10 m的素混凝土垫层，边墙厚0.50 m。在八字排污口上游20.00 m、下游46.00 m、顶部至高程178.00 m 范围内，采用格宾石笼方式护砌，宽度为20.00～28.00 m，坡比为1∶2.5，厚0.30 m。

2 河道演变

2.1 来水来沙特性

第二松花江吉林市区段平均流量为406.00 m3/s，最小流量为116.00 m3/s，来水主要由丰满放流、温德河、牛亡牛河和区间来水组成，以丰满放流为主。根据吉林水文站的实测资料，平均含沙量为0.056 kg/m3，年平均输沙率为20.83 kg/s，年最大输沙率为190.00 kg/s，拟建管道穿越处河道泥沙推移质中值粒径d50=28.00 mm。

2.2 河道特征分析

河道特征分析主要包括河相关系系数、河床纵向可动性指标和河床横向关系系数。

2.2.1 河相关系系数

河相关系系数计算公式：

式中：ζ为河相关系系数，蜿蜒型、过渡型、游荡型河道的ζ取值分别为2.23～4.45，8.60～12.40，19.00～32.00；B为河宽，m；h为平均水深，m。

2.2.2 河床纵向可动性指标

采用洛赫京系数Φh作为河床纵向稳定性系数，其计算公式：

式中：γs为泥沙容重，N/m3；γ为水的容重，N/m3；d为床沙中值粒径，mm；R为水力半径，m；J为水面比降，%。

Φh越小，泥沙运动越强，河床的可动性越强，河床愈易变形，河床纵断面稳定性差。河床纵向稳定性指标：蜿蜒段的Φh值一般大于0.80，过渡段的Φh值一般在0.32 左右，不稳定的游荡型河段的Φh值一般在0.24 左右。河流中泥沙运动的强度与河流的纵向稳定性指标Φh的对应关系见表1。

表1 河流的纵向稳定性及其判别指标Φh 的对应关系表

2.2.3 河床横向关系系数

河床横向关系系数Φb采用阿尔图宁公式计算：

式中：Q为造床流量，m3/s；B为河宽，m。

2.2.4 河道特征分析计算成果

分析河段选择吉林水文站断面作为代表断面，河相关系系数及河床纵、横向稳定系数计算成果见表2。

表2 河相关系系数及河床稳定系数计算成果表

由表2 可知，此次分析河段已经接近过渡型河道的指标，纵向基本稳定，横向欠稳定。

2.3 河道近期演变分析

套汇2000，2010，2015，2017 年吉林站河道实测大断面，分析河道近期横向变化。由于2010 年发生大洪水，2000 年汛前至2010 年汛前河道横断面左、右岸发生了明显冲刷；2010 年汛前至2015年汛前河道横断面左、右岸局部发生了淤积；2015年汛前至2017 年汛前河道横断面变化不大。

2.4 河道演变趋势预测

项目评价范围内河段河道属于纵向基本稳定、横向欠稳定的过渡型河道，大水条件下河道局部会发生冲刷、淤积现象，但在现状堤防的约束下，横向河势基本稳定。工程建成后对该河段河道演变影响较小。

3 防洪评价分析计算

3.1 设计洪水

根据《松花江流域防洪规划报告》，采用吉林站100 年一遇设计洪水，洪峰流量为8 300 m3/s。

3.2 壅水和行洪能力分析计算

利用Delft-3D软件二维数学模型进行计算，模拟二维和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移及床底地貌，以及各个过程之间的相互作用。计算范围内，河道地形采用2022 年实测河道1∶1 000 地形图，整体设置最大三角形网格面积为50.00 m2，对排水口附近网格进行局部加密，排水口及外围护砌区域设置最大面积为2.00 m2，起推水位采用珲乌高速桥断面水位185.23 m 作为控制边界。经计算，100 年一遇洪水条件下，排污口建设前、后河道水面线未发生变化，所在断面的阻水比为0.09%，工程建设对河道行洪安全产生影响较小。

3.3 冲刷淤积计算与河势影响分析

水流冲刷岸坡的冲刷深度参考GB 50286—2013《堤防工程设计规范》[4]中顺坝冲刷深度计算，冲刷深度可按下列公式计算：

式中：Uc为泥沙启动流速，m/s；H0为冲刷处的水深，m；d50为床沙的中值粒径，m；γs为泥沙的容重，kN/m3；γ为水的容重，kN/m3；hs为局部冲刷深度，m；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；n与防护岸坡在平面上的形状有关，取1/4～1/6；η为水流流速不均匀系数，取1。

冲刷深度及计算参数成果见表3。由表3 可知，工程建成后，发生100 年一遇设计洪水时，岸坡冲刷深度为0.90 m。考虑管线排水冲刷河道及河道高水位时水流对排污口工程附近的冲刷影响，对八字墙上、下游各20.00～46.00 m 范围内河道岸坡进行护砌，宽度为20.00～28.00 m。

表3 冲刷深度及计算参数成果表（100 年一遇）

3.4 渗透稳定分析

工程以顶管方式穿越堤防，堤身主要由粉质黏土和杂填土组成，堤基主要由中砂、圆砾组合而成，穿越管道管顶距离迎水侧堤脚最小深度为7.20 m，距离堤顶最小深度为13.35 m，穿越堤基圆砾层。采用Autobank 软件渗流分析模块中有限元法进行计算，计算断面为管道穿堤断面，堤防渗流计算成果见表4。由表4 可知，工程实施后，堤身与堤基的渗流比降均小于堤身、堤基容许的渗流比降，不会发生渗透破坏。

4 结语

综上所述，排水管线工程建设对第二松花江河道的流速、流态未产生明显变化，对河势稳定、防汛抢险等基本无影响，有关分析方法与成果可为开展类似工程及河道管理部门提供一定的依据和参考。建议施工期加强施工现场管理，设置安全警示标识，消除安全隐患，不得在行洪区内堆放阻碍行洪的物资和施工弃渣，确保河道行洪安全，施工完成后，及时恢复河道原貌；建议建设单位严格落实河道防洪要求，并服从防汛抗旱指挥部门的统一调度指挥；建议建设单位保证排放水体的水质达标，避免河道污染。