院基寺水庫新設(shè)取水口工程運行對溢洪道影響研究

曲曉陽，肖 宜,2，王均星，張勇超，郭星銳

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430072)

0 引 言

近年來，經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市化水平不斷提高，國內(nèi)大型城市原有供水系統(tǒng)無法滿足城鎮(zhèn)化的發(fā)展需要，亟需調(diào)整城市供水格局，增設(shè)水源地。在大型水庫中新建引水線路必然會影響到原水工建筑的安全運行，而如何協(xié)調(diào)好新舊的水工建筑物的關(guān)系是工程建設(shè)中必須要考慮的，對這一問題國內(nèi)類似工程實例和論證較多，如陳位洪等人從設(shè)計和施工方面分析了西江引水工程跨堤箱涵對北江大堤的影響 ，對跨堤引水工程論證工作起到一定的參考作用；王梅霞等人針對陜西秦元熱電廠熱力管道穿越渭河堤防工程的幾種工程方案進行對比分析論證，使工程設(shè)計方案具有結(jié)構(gòu)安全性和技術(shù)可行性 ；涂國祥等人也對庫水位升降時溢洪道邊坡滲流流場的變化進行了研究 ，但是目前國內(nèi)對取水口與溢洪道相互影響的研究相對欠缺。隨著城市發(fā)展，新建引水工程與原溢洪道的沖突會越來越常見，若不針對設(shè)計方案進行影響分析，可能會導(dǎo)致滑坡、管涌等災(zāi)害危及水庫及水工建筑物的安全，本文將結(jié)合工程實例對此進行研究。

武漢市黃陂區(qū)前川城區(qū)擬實施引院入川工程，工程計劃將黃陂區(qū)院基寺水庫設(shè)為新水源地，形成灄水河和院基寺水庫雙水源供水格局，以提高武漢市城市供水安全性。其中新水源地院基寺水庫為大(二)型水庫，引水工程擬設(shè)取水口位置靠近水庫溢洪道，故需考慮取水口建成運行對溢洪道的影響。本文結(jié)合取水口工程的設(shè)計方案及相關(guān)規(guī)范，對工程建設(shè)前后溢洪道泄流能力變化和工程運行時溢洪道邊坡滲流穩(wěn)定兩方面進行安全論證。

1 工程概況

院基寺水庫位于武漢市黃陂區(qū)長軒嶺街院子村，是一座以灌溉為主，兼防洪、供水的中型水庫，是梅院泥灌區(qū)的重要組成部分，該庫于1960年3月建成。引院入川(水源)工程輸水管線從院基寺水庫沿溢洪河道及黃土公路輸送至前川城區(qū)的前川水廠，總長度約26.8 km。其中取水口擬建在院基寺水庫副壩西側(cè)的1號溢洪道東側(cè)凹灣處，位于1號溢洪道與2號溢洪道之間，距1號溢洪道約50 m。工程取水口具體布置如圖1所示。

圖1 取水口位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of water inlet location

2 地質(zhì)條件

取水管道穿越的巖體巖層分布有序，由上往下為殘坡積土、素填土、黏土、強風化片麻巖、中風化片麻巖、弱風化片麻巖，巖體以中風化和弱風化片麻巖為主。地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 取水管道施工區(qū)域地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile of water intake pipeline construction area

取水口處管道部分主要位于中風化片麻巖和弱風化片麻巖中，巖層穩(wěn)定密實，管道平均埋深約10 m。

3 取水工程運行對溢洪道影響分析

分析院基寺水庫取水口工程運行對溢洪道的影響，其一是取水口建設(shè)距溢洪道較近，需考慮取水口工作是否會影響溢洪道泄流能力 ，通過分析工程建設(shè)前后溢洪道泄流流場、流量變化來論證工程影響；其二是新建輸水管道之后，溢洪道附近山體的滲流場發(fā)生變化，山體中滲流出露、過大的水力坡降等會對附近的溢洪道邊坡乃至整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生重大的影響 ，需考慮工程運行時管道出現(xiàn)的極端工況(假設(shè)管道破裂大體積管水出漏)，選取不利斷面通過滲流計算確定滲流場中水頭的分布特點和關(guān)鍵部位的滲透水壓力及通過溢洪道邊坡的滲透流量，結(jié)合工程的實際地質(zhì)和水力條件，計算山體承受的水力坡降，與規(guī)范允許水力坡降進行對比來評價結(jié)構(gòu)的滲透穩(wěn)定。

3.1 溢洪道泄流能力變化分析

分析取水口工作期間對溢洪道正常泄流能力的影響，應(yīng)用Flow 3D軟件VOF模型和RNGk-ε紊流模型對選取的工況下溢洪道泄流情況進行模擬，溢洪道泄流水流屬于帶自由表面的水流流動，大型水工建筑物中水流的流動計算中對自由表面的數(shù)值模擬中VOF(Volume of F1uid)法的應(yīng)用十分普遍和有效 。通過對取水口建成前后溢洪道在正常泄洪時的流線、流速、流量等信息進行對比分析，評價取水口的建設(shè)對溢洪道泄洪能力的影響。計算選取的范圍為黃陂區(qū)前川城區(qū)北部院基寺水庫、1號溢洪道、2號溢洪道及長距離輸水管道等結(jié)構(gòu)，計算時采用笛卡爾坐標系，取Y方向為上下游方向(+Y為上游)；取X方向為左右岸方向(+X為左岸)；取Z方向為鉛直方向，其坐標值與工程中的海拔高度相對應(yīng)。計算體型由Civil 3D繪制完成，1號溢洪道堰頂高程為55.26 m，2號溢洪道堰頂高程為55.76 m，取水口端部管中高程46.20 m，斜率i=0.035 2。計算范圍和計算體型如圖3所示。

圖3 計算地形范圍及計算體型Fig.3 Calculate terrain range and shape

網(wǎng)格劃分設(shè)一個網(wǎng)格區(qū)塊，沿X方向，1號和2號溢洪道所在部位為主要研究部分，網(wǎng)格尺度進行適當加密，采用網(wǎng)格尺度為0.67 m，其余網(wǎng)格適當稀疏，采用網(wǎng)格尺度為1.00 m；沿水流向(Y方向)網(wǎng)格尺度為1.00 m；垂直向(Z方向)網(wǎng)格尺度為0.33 m。

邊界條件設(shè)置是上游為壓強邊界，通過給定水位和相應(yīng)靜水壓強實現(xiàn)，下游為自由出流，水面設(shè)置為自由水面，各結(jié)構(gòu)壁面設(shè)置為固壁邊界，對應(yīng)的曼寧糙率為0.014～0.018左右。

選取了兩個工況設(shè)計洪水位工況(z=58.52 m)和校核洪水位工況(z=60.20 m)，分別就工程建設(shè)前后水庫溢洪道流場、流量的變化進行數(shù)值模擬分析。

3.1.1 工程對水庫溢洪道流場的影響

(1)設(shè)計洪水位工況(z=58.52 m)。取水口建設(shè)前表面流場分布中整體水流沿兩側(cè)溢洪道自上游向下游下泄，1號溢洪道(流場分布圖左側(cè))進口前由于地形內(nèi)凹存在水流回旋，自上游50 m處流線逐漸由彎變直，進口處無橫向流速，進口流速在2.0 m/s左右，下泄流速范圍為4.8～19.5m/s；2號溢洪道(流場分布圖右側(cè))進口前水域面積寬廣，地形埡口與溢洪道進口處連接形成大的回旋水流，進口處流線由彎變直，流速為2.5 m/s左右，下泄流速范圍為6.5～19.2 m/s。

圖4 設(shè)計洪水工況取水口前后流速對比圖Fig.4 Designed flood condition’s comparison diagram of velocity before and after water intake construction

圖5 設(shè)計洪水工況取水口前后流場對比圖Fig.5 Designed flood condition’s comparison diagram of flow field before and after water intake construction

取水口建設(shè)后表面流場分布中1號溢洪道進口流速在1.8 m/s左右，下泄流速范圍為5.0～20.2 m/s；2號溢洪道進口流速為2.4 m/s左右，下泄流速范圍為6.8～19.2 m/s。假定取水管道采用自由出流的方式，無泵情況下管內(nèi)流速為7.2 m/s左右。

工程建設(shè)前后流場基本一致，兩溢洪道進口前流線走勢及方向無明顯變化，流速分布基本相同。

(2)校核洪水位工況(z=60.20 m)。在取水口建設(shè)前表面流場分布中，1號溢洪道進口前自上游60 m處流線逐漸由彎變直，進口流速在2.6 m/s左右，下泄流速范圍為5.5～21.5 m/s；2號溢洪道進口前上游繞過山頂?shù)乃髋c埡口處回流形成碰撞消能，流速減小，流速為2.7 m/s左右，下泄流速范圍為7.7～20.4 m/s。

圖6 校核洪水工況取水口前后流速對比圖Fig.6 Check flood condition’s comparison diagram of velocity before and after water intake construction

圖7 校核洪水工況取水口前后流場對比圖Fig.7 Check flood condition’s comparison diagram of flow field before and after water intake construction

取水口建設(shè)后表面流場分布情況為1號溢洪道進口流速在2.4 m/s左右，下泄流速范圍為6.5～21.3 m/s；2號溢洪道進口前上游繞過山頂?shù)乃髋c埡口處回流形成碰撞更為劇烈，進口流速為2.8 m/s左右，下泄流速范圍為7.9～20.5 m/s。假定取水管道采用自由出流的方式，無泵情況下管內(nèi)流速為7.0 m/s左右。

建管前后流場基本一致，兩溢洪道進口前流線走勢及方向無顯著變化，流速分布基本相同。

3.1.2 工程對溢洪道出流的影響

(1)設(shè)計洪水位工況(z=58.52 m)。以設(shè)計洪水位下取水口工程建設(shè)前后流量相對平穩(wěn)的30 min分析，由圖8、圖9可見流量趨勢相似，工程建設(shè)前1號溢洪道泄流流量平均值為245.56 m3/s，2號溢洪道為227.67 m3/s；工程建設(shè)后1號溢洪道泄流流量平均值為245.58 m3/s，2號溢洪道為227.86 m3/s。工程建設(shè)前后流量差小于0.1%，則取水管的建成對設(shè)計工況下溢洪道泄流能力影響極小，可不考慮。

圖8 設(shè)計洪水工況(z=58.52 m)建管前后1號溢洪道流量對比折線圖Fig.8 Designed flood condition’s comparison broken line diagram of flow of spillway no. 1 before and after water intake construction

圖9 設(shè)計洪水工況(z=58.52 m)建管前后2號溢洪道流量對比折線圖Fig.9 Designed flood condition’s comparison broken line diagram of flow of spillway no. 2 before and after water intake construction

(2)校核洪水位工況(z=60.20 m)。以校核洪水位下取水口工程建設(shè)前后流量相對平穩(wěn)的20 min分析，由圖10、圖11可見流量趨勢大致相似，工程建設(shè)前1號溢洪道泄流流量平均值為516.89 m3/s，2號溢洪道為490.22 m3/s；工程建設(shè)后泄流流量平均值1號溢洪道為511.61 m3/s，2號溢洪道為486.44 m3/s。工程建設(shè)前后流量差為1%，則取水口工程運行對校核工況下1、2號溢洪道泄流能力影響較小，可不考慮。

圖10 校核洪水工況(z=60.20 m)建管前后1號溢洪道流量對比折線圖Fig.10 Check flood condition’s comparison broken line diagram of flow of spillway no. 1 before and after water intake construction

圖11 校核洪水工況(z=60.20 m)建管前后2號溢洪道流量對比折線圖Fig.11 Check flood condition’s comparison broken line diagram of flow of spillway no. 2 before and after water intake construction

3.2 溢洪道邊坡滲流穩(wěn)定分析

采用Geo studio軟件SEEP/W模塊對取水管道完建后的溢洪道邊坡滲流情況建立斷面二維仿真模型 ，SEEP/W是第一款全面處理非飽和土體滲流問題的軟件，適用于邊坡滲流問題，用平面有限元計算分析法對工程完建后的山體斷面流場進行模擬計算，分析評價所選斷面的滲透穩(wěn)定性。假定管道運行時出現(xiàn)極端工況，管道破裂導(dǎo)致大體積管水出漏，根據(jù)取水口附近具體地形地質(zhì)條件，選取了B1- B1′、B2- B2′兩個斷面進行研究，具體位置如圖12所示。此外本工程位于水庫附近，降雨、排水等特殊情況可能造成地下水位的升降變化，所以對每個斷面選擇三種不同的下游水位(為表述方便，認為漏水處管道高程為斷面上游水位，溢洪道地下水位為下游水位)進行計算。

圖12 溢洪道邊坡滲流分析斷面Fig.12 Seepage analysis section of spillway slope

B1- B1′、B2- B2′斷面，每個斷面上游側(cè)水位取該樁號處輸水管道高程，下游側(cè)水位取溢洪道地下3、5、7 m 三種情況。

B1- B1′斷面對應(yīng)管道底部高程為45.15 m，此外根據(jù)地勘資料，溢洪道側(cè)高程為47.6 m。第一類邊界條件設(shè)為，滲入邊界水位為45.15 m，滲出邊界水位分別為44.6、42.6、40.6 m 3種情況。

B2- B2′斷面對應(yīng)管道底部高程為44.75 m，第一類邊界條件設(shè)為，滲入邊界水位為44.75 m，滲出邊界水位分別為45.25 m(高于滲入邊界水位，可省略其計算)、43.25、41.25 m。

滲流計算工況如表1。

表1 計算工況匯總Tab.1 Summary of calculation conditions

將山體簡化為均質(zhì)材料進行計算。各巖層的滲透系數(shù)及凝聚力、內(nèi)摩擦角等材料參數(shù)根據(jù)場地巖土原位測試等試驗結(jié)果綜合建議值選取。各土層的允許水力坡降取值如表2所示。

表2 土層允許水力坡降Tab.2 The soil allowable hydraulic gradient

3.2.1 B1- B1′斷面

B1- B1′斷面整體模型如圖13所示。二維模型管道處鉆孔編號為ZK5，溢洪道側(cè)鉆孔編號為BZK3。模型以從管道側(cè)指向溢洪道側(cè)為X軸正方向，以距ZK5號孔水平距離為X坐標，以豎直向上方向為Y軸正方向，以高程作為Y坐標。二維模型水平長103.2 m，其中孔號ZK5至BZK3之間為主要研究區(qū)域，其水平距離為73.2 m，從兩點分別向外擴展15 m進行建模，地質(zhì)分層隨地層走勢相應(yīng)延伸。二維模型左側(cè)高31 m，右側(cè)高17.6 m，即模型取高程為30 m以上區(qū)域，涵蓋該斷面所有地質(zhì)信息。

圖13 B1- B1′斷面整體模型(單位：m)Fig.13 Integral model of B1- B1′ section

滲流基本微分方程的邊界條件有三類：已知水頭邊界條件、已知流量邊界條件、混合邊界條件。本工程中已知資料符合其中的第一類邊界條件，已知水頭邊界條件，即H=H0。

B1- B1′斷面滲流計算邊界條件可以表述為：

(1)工況1：地下水位為地面以下3 m深，滲入邊界水位H1=45.15 m，滲出邊界水位H2=44.6 m。

(2)工況2：地下水位為地面以下5 m深，滲入邊界水位H1=45.15 m，滲出邊界水位H2=42.6 m。

(3)工況3：地下水位為地面以下7 m深，滲入邊界水位H1=45.15 m，滲出邊界水位H2=40.6 m。

模型建立完畢進行單元網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元網(wǎng)格間距為1m，施加滲流計算邊界條件。經(jīng)過計算得到模型滲流情況如圖14所示。圖中箭頭方向代表滲流方向，箭頭大小代表流速大小。不同顏色區(qū)域的分界線為等勢線。

圖14 B1- B1′斷面模型滲流整體分布圖(單位：m)Fig.14 Overall seepage distribution diagram of B1-B1′ section model

3.2.2 B2- B2′斷面

B2- B2′斷面整體模型如圖15所示。二維模型管道處鉆孔編號為ZK6，溢洪道側(cè)鉆孔編號為BZK6。模型以從管道側(cè)指向溢洪道側(cè)為X軸正方向，以距ZK6號孔水平距離為X坐標，以豎直向上方向為Y軸正方向，以高程作為Y坐標。二維模型水平長87.9 m，其中孔號ZK6至BZK6之間為主要研究區(qū)域，其水平距離為57.9 m，從兩點分別向外擴展15 m進行建模，地質(zhì)分層隨地層走勢相應(yīng)延伸。二維模型左側(cè)高29.65 m，右側(cè)高18.25 m。

圖15 B2- B2′斷面整體模型(單位：m)Fig.15 Integral model of B2- B2′ section

B2- B2′斷面滲流計算邊界條件可以表述為：

(1)工況4：地下水位為地面下5 m深，滲入邊界水位H1=44.75 m，滲出邊界水位H2=43.25 m。

(2)工況5：地下水位為地面下7 m深，滲入邊界水位H1=44.75 m，滲出邊界水位H2=41.25 m。

經(jīng)過計算得到模型滲流情況如圖16所示。

分析各工況下的滲流，在滲入點及滲出點水力坡降值達到極大值。將兩個斷面水力坡降計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖16 B2- B2′斷面模型滲流整體分布圖(單位：m)Fig.16 Overall seepage distribution diagram of B2-B2′ section model

斷面工況表層表層水力坡降極大值所在巖層左側(cè)左側(cè)水力坡降極大值所在巖層右側(cè)右側(cè)水力坡降極大值所在巖層B1- B1′工況10.008 7殘坡積土0.026 7中風化片麻巖0.008 4強風化片麻巖工況20.029 1殘坡積土0.118 3中風化片麻巖0.116 8中風化片麻巖工況30.073 3殘坡積土0.206 3中風化片麻巖0.209 3中風化片麻巖B2- B2′工況40.021 8黏土0.136 6微風化片麻巖0.076 2中風化片麻巖工況50.051 2黏土0.314 7微風化片麻巖0.189 5中風化片麻巖

分析各工況滲流情況，可知在研究區(qū)域內(nèi)絕大部分水力坡降很小，只在滲入和滲出邊界處達到最大值，如表3所示。斷面最大水力坡降值所在區(qū)域除工況1為強風化片麻巖層外，其余均在中風化片麻巖層。巖體允許水力坡降一般較大，參考礫石允許水力坡降一般為0.6～1.0，片麻巖允許水力坡降遠大于礫石，因此可以認為本工程片麻巖層中不會發(fā)生滲透破壞。此外，一般情況下，滲流破壞基本發(fā)生在表層巖體部位，在本工程中計算得到表層巖體最大水力坡降分別為0.073 3、0.051 2，而殘坡積土和黏土允許水力坡降為0.45和0.5，表層土體水力坡降小于土體允許水力坡降，不利斷面不會發(fā)生滲透破壞。因此，即使運行過程中管道連接處發(fā)生漏水現(xiàn)象，山體中不會發(fā)生滲流出露，并且水力坡降較小，不會對附近的溢洪道及整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生重大的影響。

4 結(jié) 語

本文主要研究水庫新增取水建筑對原溢洪道影響，結(jié)合院基寺水庫取水口工程中取水口建設(shè)臨近溢洪道的工程現(xiàn)狀，選取工程建設(shè)前后溢洪道泄流能力變化和溢洪道邊坡滲流穩(wěn)定兩個方面進行了研究。

(1)對溢洪道泄流能力變化研究。考慮到工程取水工作時對溢洪道泄流會產(chǎn)生影響，利用Flow 3D軟件建模分析，論證結(jié)果是取水管的建成對水庫溢洪道的流場影響可以忽略不計；設(shè)計工況和校核工況建管前后流量差均小于1%，流量曲線走勢相近，即取水管的建成對水庫溢洪道的泄流能力影響基本可以忽略不計。

(2)對溢洪道邊坡滲流穩(wěn)定研究。考慮到取水口工作時出現(xiàn)的極端工況(管道破裂)導(dǎo)致的取水管道破裂出現(xiàn)大體積漏水，進而影響到溢洪道邊坡結(jié)構(gòu)和滲流穩(wěn)定，用Geo studio軟件建模分析，選取斷面B1- B1′、B2- B2′，其最大水力坡降分別為0.209 3、0.314 7，最大值發(fā)生在中風化片麻巖層和微風化片麻巖層，水力坡降相對較小，在規(guī)范允許范圍內(nèi)，不會對附近的溢洪道及整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生重大的影響，工程的建設(shè)對溢洪道邊坡滲流穩(wěn)定影響較小。

綜上，本文的研究成果對院基寺水庫新設(shè)水庫取水口對原溢洪道影響的安全論證工作具有一定的指導(dǎo)意義，對類似工程具有參考價值。