松原市江北净水厂哈达山取水工程防洪影响评价分析

谭大伟，崔笑庚，雷宇明

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 基本概况

1.1 工程概况

松原市江北净水厂哈达山取水工程属于现有江北净水厂的配套工程，将作为江北净水厂二期扩建的原水。江北净水厂供水能力满足近期江北城区工业企业的用水需求，哈达山取水工程置换优质地下水以保证江北城区居民饮用水供应，工程的建设对江北城区工业发展和居民生活水平的提高均有重要意义。

取水工程包括取水管道、加压泵站、输水管道。取水管道采用2 根DN1 000 mm 钢塑复合管，自取水坝段接入处向北延伸约103.00 m，此段离哈达山水利枢纽土坝坝脚较近，为避免管道漏水对坝体冲刷，影响坝体稳定，此段设置钢筋混凝土管廊。管道经管廊敷设至堤脚外14.00 m 后，与坡脚近似平行布置，并利用哈达山扶余水头重力流输送至加压泵站。加压泵站设于社里乡富康村附近的自然高地处，包括加压泵房及配电间、加药间、管理用房。输水管线从加压泵站至净水厂采用2 根DN900 mm 钢塑（PE）复合管，与已建输水管线连接。

根据《松原市松花江本级河道管理范围划定》的河道管理范围线，将该工程布置与河道管理范围线进行套绘，输水管道、加压泵站均在河道管理范围线外，该工程只有取水管道位于河道管理范围内[1]，需要对其进行洪水影响评价。

1.2 河道基本情况

第二松花江流域位于吉林省中东部地区，发源于长白山天池，是松花江之南源。河流由东南流向西北，流域总面积为73 834.00 km2，流域平均宽度为97.8 km，干流河道长为825.4 km，河道平均比降为4%。第二松花江是吉林省最大的一条河流，流域面积占全省总面积的39%。第二松花江流域内水利工程化程度较高，共建有大、中、小各类型蓄水工程900 余座，塘坝3 600 余座，总蓄水量约为210×108m3。

1.3 哈达山水利枢纽

哈达山水利枢纽工程[2]位于第二松花江下游河段，距第二松花江与嫩江汇合口处约60.0 km，是第二松花江干流最后一级控制性工程。工程为Ⅰ等大（1）型工程，工程主要建筑物包括粘土均质坝、泄水建筑物、河床式电站、重力坝连接段、取水及门库段，为1级建筑物；次要建筑物包括土坝侧翼墙、电站导流墙、拦沙坎、开关站等，为3级建筑物。

2 河道演变分析

在天然状态下，该河道存在着汊道交替、凸岸淤长等自然过程，河道平面形态存在一定的变化。目前，该河段左岸建有堤防，右岸为自然高地和护岸，河势趋于稳定。取水管道建成后，不会改变河道自然状况，故不会对该河段的河道演变产生影响。

3 防洪评价计算

此次壅水分析计算采用MIKE 21 数值模型。MIKE 21 模型是丹麦水力学研究所DHI 开发的平面二维数学模型，该模型是在大量工程应用经验的基础上持续发展起来的，在河道平面二维自由表面数值模拟方面具有强大的功能[3]。

3.1 计算范围及条件

1）计算范围

二维模型纵向计算范围选取二松CS12 断面（滨江大道规划五桥下游5.6 km 处）至哈达山水利枢纽坝址上游约3.0 km处，模拟长度共计19.0 km；横向以第二松花江左岸现状堤防及护堤和右岸自然地形为边界。二维模型计算范围河道内的地形数据采用2003 年实测第二松花江纵、横大断面图。

2）网格剖分

计算网格主要采用三角网格，网格总数为10 803个，计算结点数为5 745 个，计算网格最大面积为3 000 m2。研究范围内规划的五桥桥墩及哈达山枢纽按不过水处理，引水管线所在研究范围的网格进行加密处理，网格最大面积为400 m2，计算时间步长为180 s，河道糙率根据各个断面实际情况进行分段选取。

3）边界条件

上游入流边界断面位于哈达山水利枢纽坝址上游约3.0 km 处，下游出流断面位于CS12 断面。上、下游边界计算条件采用《松花江干流治理工程可行性研究报告》中100，50 年一遇洪水成果，其结果与《松花江流域防洪规划》（国函［2008］14 号）一致，如表1 所示。

表1 二维模型上下游边界计算条件

4）模型的糙率选取

考虑该工程大断面实际情况，分段选取此次研究范围内二维模型综合糙率，规划五桥及哈达山枢纽按未建成考虑，选取结果见表2。

表2 糙率选取表

二维模型糙率率定根据《松花江流域防洪规划》中的50 年一遇（P=2%）水面线规划成果进行率定，结果如表3 所示。

表3 河道糙率率定结果表m

由表3 可以看出，50 年一遇的洪水二维模型模拟结果与防洪规划水面线计算成果基本一致，偏差均在0.10 m 以内，因此，可以认为模型选用的糙率是合理的，可以作为取水管道壅水计算的依据。

3.2 雍水分析计算

1）水面线计算

对取水管道建成后的河道洪水进行二维模拟计算，P=2%及P=1%的二维水面线结果见表4。

表4 二维模型河道水面线计算成果表m

由表4 可知，与现状河道比较，取水管道建成后，发生50，100 年一遇洪水时，不会壅高第二松花江洪水位，不占用河道正常行洪断面，对河道正常行洪没有影响。

2）流速计算

该工程建成后，发生50年一遇洪水时，取水管道所在断面最大流速为0.34 m/s，平均流速为0.08 m/s；发生100 年一遇洪水时，最大流速为0.40 m/s，且集中在靠近坝下游导墙一侧，平均流速为0.09 m/s，断面整体流速较小。

3.3 冲刷计算

由于取水管道位于河道内，故需要对取水管道所在断面CS17 进行冲刷计算。

1）根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》，冲刷深度计算公式：

式中：hS为冲深，m，从水面算起；H0为冲刷处水深，m，以近似设计水位代替；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；Uc为泥沙启动流速，m/s；n为糙率，取1/4；η为水流流速不均匀系数，取1。

对于砂质河床，泥沙起动流速采用张瑞瑾[4]公式：

式中：H0为行近水流水深，m；d50为床沙中值粒径，m；γs为泥沙的容重，取17.7 kN/m3；γ为水的容重，取9.8 kN/m3。

该段河道100年一遇洪水流量为7 500.00 m3/s，冲刷计算结果：设计水位为139.50 m，水深为2.42 m，启动流速为0.31 m/s，最大流速为0.40 m/s，冲深为0.20 m。

2）由于取水管道位于河道滩地处，该处河床土质表层为非粘土，冲刷深度根据JDC C30—2015《公路工程水文勘测设计规范》按下式计算：

式中：Q1为河滩部分通过的设计流量，m3/s；μ为水流侧向压缩系数，取1；htm为河滩的最大水深，取2.42 m；htq为河滩的平均水深，取1.71 m；Bt为河滩部分过水净宽，取1 450.00 m；VH1为河滩水深1.00 m 时非粘性土不冲流速，取0.35 m/s。

该工程取水管道建成后，发生100 年一遇洪水时，取水管道所在断面最大冲深为0.80 m，集中在坝下游导墙一侧，而取水管道地下埋深大于1.80 m，符合最大冲刷深度要求。

3.4 哈达山水利枢纽坝体稳定性复核

3.4.1 渗透稳定计算

1）计算条件及工况

坝体的渗透系数为2.92×10-5cm/s，坝基砂层渗透系数为7.48×10-3～2.38×10-2cm/s。计算方案采用二维有限元法，计算程序采用Autobank7.7版，计算剖面选择0+506.00 剖面。计算水位上游为正常蓄水位，下游为5 台机发电水位，分管廊施工期及完建期两种工况。

2）计算成果

正常蓄水位工况下，防渗墙顶部附近渗透比降最大为1.590，坝体下游坝坡出逸比降为0.230，均小于粘土的允许渗透比降3.000～5.000。

3.4.2 土坝坝坡抗滑稳定计算

1）计算条件及工况

计算方案采用二维有限元法，计算程序采用Autobank7.7 版，计算剖面选择0+506.00 剖面。土坝坝坡稳定正常运用条件：计算水位为正常蓄水位，上游水位为140.50 m，下游水位为135.34 m，允许安全系数1.5。

2）计算成果

坝坡抗滑稳定计算结果：管廊施工期和完建期的最小安全系数分别为1.70 和2.11，均大于允许最小安全系数1.50，因此粘土均质坝坡满足抗滑稳定要求。

4 防洪综合评价

1）工程建设与现有水利规划的关系及影响分析。该工程取水管道是吉林省政府批复的《松原市城市总体规划（2011—2030 年）》中确定的规划区基础设施工程，即哈达山北岸规划布局净水厂1处，给水水源取自哈达山水利枢纽。根据《松花江流域防洪规划》《松花江流域综合规划（2012—2030 年）》和《松花江干流治理工程可行性研究报告》，第二松花江防洪体系是堤库结合的防洪工程体系。第二松花江丰满水库以下河道防洪标准为50 年一遇，其中，松原市城市防洪标准为100 年一遇。经壅水计算，取水管道建成后，不壅高第二松花江50 年和100 年一遇洪水位，不占用河道正常行洪断面，不会对护岸造成不利的影响，取水管道建设符合上述规划和可行性报告。

2）项目建设对河道泄洪能力的影响分析。取水管道建设后，发生100 年及50 年一遇洪水时，不壅高洪水位。拟建管道埋设于地下，不占用行洪断面，工程实施不改变第二松花江水位和流速，对河道行洪安全没有影响。取水管道施工不设置围堰，不会产生阻水作用，顶管施工位置位于自然高地处，且不在河道管理范围线内，故认为取水管道施工方案对行洪安全无影响，施工期洪水对取水管道施工也无影响。

3）项目建设对河势稳定的影响分析。目前，该河段左岸建有堤防、右岸为自然高地和护岸，河势趋于稳定，取水管道建成后不会改变河道自然状况，不会对该河段的河势稳定产生影响。

4）项目建设对其他水利工程及设施的影响分析。哈达山水利枢纽工程采用管廊的形式穿越坝下弃料压重部分，避免管道漏水对坝体冲刷产生影响。经计算复核，管廊施工期及完建期哈达山水利枢纽大坝坝体在渗透稳定、坝坡抗滑稳定方面均满足安全要求，工程建设对哈达山水利枢纽的安全运行基本无影响。扶余水文站位于取水管道下游约23.6 km 处，工程对水文站无影响。

5）洪水对项目本身的影响分析。根据流速、冲刷计算结果分析，洪水对取水管道无影响。

6）工程建设对防汛抢险的影响分析。取水管道位于哈达山水利枢纽坝下河道滩地处，根据现场查勘，取水管道建设范围内无防汛通讯设施、汛期临时水尺及防汛抢险堆料场等，取水管为地下埋管，不占用防汛抢险通道，不影响防汛抢险车辆通行。

5 结语

通过对松原市江北净水厂哈达山取水工程的防洪影响评价分析，该工程建设后对河道行洪、河势稳定和现有防洪工程与设施影响不大，计算成果合理且符合实际情况，可作为工程建设完成后河道管理的依据。建议在施工期，应加强施工现场管理，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，应及时恢复河道原貌；严格控制施工工期，务必在主汛期前完成取水管道主体施工；运行期应优化闸阀调度，尽量避免管道震动。