榆林市綏德、米脂、子洲三縣供水工程防洪安全評價要點淺析

李 妍，范 旻，劉 瑞

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 前言

榆林市綏德、米脂、子洲三縣供水工程可解決榆林市綏德、米脂、子洲三縣城的生活、第三產業用水以及沿線缺水鄉鎮生活供水。起點位于王圪堵水庫壩后電站出水口處，沿無定河敷設輸水管道，通過管道將水輸送至綏德、米脂和子洲，管道總長約154.04 km，由三縣公用工程和專線工程組成。三縣共用工程，輸水線路全長約114.4 km，大部分管段位于無定河灘（階）地，先后9 次橫穿無定河干流。專用工程線路總長約39.63 km，包括米脂專線、子洲專線及綏德專線。工程主要建筑物（調壓池、閥井等）均布置在設計洪水位以上。工程全線共有9 處倒虹穿越無定河干流，倒虹基礎巖性為強風化砂巖及一處砂礫石層。工程全線共有臨河管線12 段，合計長度8524.1 m，敷設地質巖層共三類，分別為粉細砂層、砂礫石層和強風化砂巖層。根據本工程的特點，結合河道演變分析成果，對管線的總體布置及選線方案進行防洪安全評價。以水文站、支流入匯口為節點，對工程區河道進行分段，復核相應河段倒虹和沿河敷設的管道為重點，進行沖刷深度分析計算，依據《洪水影響評價報告編制導則》（SL 520-2014），從多方面對工程防洪安全進行分析。

1 工程區河道演變趨勢分析

1.1 河道平面演變

根據工程區河段1976年航測圖和2019年實測圖河道主槽套匯，結合工程現場走訪調查，分析認為，受大洪水沖刷，局部河段主河槽向河道的凸岸有所擺動，總體河勢比較穩定。

1.2 河道縱向演變

工程區無定河干流有趙石窯和丁家溝兩個水文站，測站基本情況見表1，具體位置見圖1。

表1 工程區無定河干流水文站基本情況統計表

圖1 工程區水文站位置示意圖

上游河道縱向變化情況，采用趙石窯水文站資料分析，實測大斷面套繪圖見圖2。中下游河道縱向變化情況，采用丁家溝水文站資料分析，實測大斷面套繪圖見圖3。

圖2 趙石窯水文站歷年大斷面套繪圖

圖3 丁家溝水文站歷年大斷面套繪圖

通過對趙石窯水文站較大洪水發生年份實測大斷面資料套匯分析，可以看出，河道縱向沒有明顯變化，橫向擺動頻繁但演變幅度較小，河谷基本保持穩定。通過對丁家溝水文站較大洪水發生年份實測大斷面資料套匯分析，丁家溝水文站基本斷面沖淤基本平衡。

工程區無定河段上世紀末未建防洪設施，兩岸多為耕地。從20 世紀80年代后期，隨著城鎮化建設的步伐加快，河道兩岸堤防相繼修建。沿河修建的河堤，縮窄了原有河道，使其改變為渠槽化的約束性河道，對穩定主河道起到了控制作用。

綜上分析，工程區無定河河道演變及沖淤變化，主要受天然洪水和人為干預的影響。就河床總體趨勢來看，河床縱、橫向均基本保持穩定。項目河段已建的河堤工程，使河道總體趨勢被固定，主流擺動被控制在一定的范圍之內，斷面沖淤變化在河堤建成后的一兩次較大洪水后相對趨于穩定。

2 設計洪水復核分析計算

無定河干流王圪堵水庫壩址至丁家溝水文站段，共分為5段，分段情況見表2。

表2 工程區分段情況說明表

各段的設計洪水為王圪堵水庫下泄洪水與相應的區間天然洪水疊加。從工程安全角度考慮，王圪堵下泄洪水采用后期調洪演算結果，疊加計算時采用“峰+峰”計算。工程區內，無定河干流有趙石窯、丁家溝等2 個水文站，在確定無定河干流區間天然洪水時，采用水文比擬法計算，公式如下：

式中：Q設、Q參分別為設計斷面和參證站洪峰流量；F設、F參分別為設計斷面和參證站流域面積；n 為指數，本次采用2/3。

經分析，選用趙石窯水文站1973年～2016年實測洪水系列，丁家溝水文站1959年～2016年實測洪水系列，加上歷史洪水調查成果，組成不連序系列進行頻率分析，采用P-Ⅲ型曲線，用矩法初估參數，目估適線。經合理性分析，推薦設計成果見表3。

表3 參證站設計洪水成果表

王圪堵水庫—趙石窯水文站段以趙石窯站為參證站，趙石窯水文站——丁家溝水文站段以丁家溝站為參證站。設計洪水復核計算成果見表4。分析認為，該工程設計成果滿足相關設計規范要求。

表4 工程設計洪水復核計算成果表 單位：m3/s

3 管道埋深評價

管道沿線穿越地層主要為第四系松散堆積層和三疊系強風化砂巖層。其中第四系松散堆積層包含粉細砂層和砂礫石層，三疊系強風化砂巖層包括上統瓦窯堡組強風化砂巖和上統胡家村組強風化砂巖。工程全線共有9 處倒虹穿越無定河干流，倒虹基礎巖性為強風化砂巖及一處砂礫石層。工程全線共有臨河段12 段合計長度8524.1 m，臨河管線均敷設于三大地質巖層中，分別為粉細砂層、砂礫石層和強風化砂巖層。

穿河倒虹斷面河槽部分最大沖刷深度采用《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30-2015）提出的64-2 簡化式和64-1 修正式進行計算。臨河管線斷面順河沖刷深度根據《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）規定的公式進行沖刷深度計算。

3.1 穿河管線埋深評價

參考《公路工程水文勘測設計規范》（JTGC 30-2015），埋設于巖石河床的構筑物，應考慮巖石的可能沖刷，沖刷深度根據巖石的堅硬程度、膠結物類別、風化程度、節理、裂隙、節理發育情況等，按本規范附錄D 分析確定。本次倒虹穿越的三疊系強風化砂巖層巖性主要為灰黃、灰白色厚層狀中細粒砂巖夾煤線、中細粒長石砂巖與砂質泥巖、泥巖、粉砂巖互層，屬于Ⅱ類軟質巖中的Ⅱ2 較軟巖，沖刷深度推薦按0.4 m～1.25 m 取值。

砂礫石層敷設的穿河倒虹斷面僅一處，該斷面校核洪水工況下河槽部分最大沖刷深度采用《公路工程水文勘測設計規范》（JTGC30-2015）提出的64-2 簡化式和64-1 修正式進行計算，公式如下：

非粘性土河床河槽部分64-2 簡化式：

式中：hp為一般沖刷后最大水深，m；Qp為設計流量，取該斷面校核洪水（P=2%）洪峰流量為4054 m3/s；Q2為橋下河槽部分通過的設計流量，當河槽能擴寬至全橋時取用Qp，取Qp值，m3/s；Qc為天然狀態下河槽部分設計流量，取Qp值，m3/s；Qt1為天然狀態下河灘部分設計流量，取0；Bc為天然狀態下河槽寬度，根據斷面測量數據，取256.61m；Bcg為橋長范圍內河槽寬度，當河槽能擴寬至全橋時取用橋孔總長度，取Bcg值，m；Bz為造床流量下的河槽寬度，對復式河床可取平灘水位時河槽寬度，造床流量取每兩年發生一次的洪峰流量作為造床流量，得該倒虹斷面造床流量為334 m3/s，根據斷面水位流量關系曲線及斷面數據查得，取65.68 m；λ 為設計水位下，在Bcg寬度范圍內，橋墩阻水總面積與過水面積的比值，取0；μ 為橋墩水流側向壓縮系數，取1；hcm為河槽最大水深，斷面校核洪水（P=2%）下，取7.14 m；Ad為單寬流量集中系數，取1.22；Hz為造床流量下的河槽平均水深，對復式河床取平灘水位時河槽平均水深，取65.68 m。

非粘性土河床河槽部分64-1 修正式:

式中：Bcj為河槽部分橋孔過水凈寬，當橋下河槽能擴寬至全橋時，即為全橋橋孔過水凈寬，本次取256.61 m；hcq為橋下河槽平均水深，斷面校核洪水（P=2%）下，取值4.34 m；E 為與汛期含沙量有關的系數，根據規范，當歷年汛期月最大含沙量平均值大于10 kg/m3時，E 取0.86，本工程區內丁家溝水文站多年平均含沙量為46.8 kg/m3，因此E 取為河槽泥沙平均粒徑，根據地基土顆分試驗成果，平均粒徑取31.64 mm。

將斷面相關參數帶入64-2 簡化式、64-1 修正式計算，比較以上兩公式的計算成果，64-2 簡化式計算的沖刷深度較大，為保證工程安全，采用64-2 簡化式計算的沖刷深度，即校核洪水（P=2%）工況下，洪峰流量為4054 m3/s，對應水位為862.94 m，對應河槽最大水深為7.14 m，一般沖刷后的最大水深為8.85 m，可求得河床深泓點以下最大沖深為1.71 m。根據倒虹縱斷面設計成果，該倒虹穿河斷面河槽深泓點處管頂最小埋深為4.97 m，大于校核洪水工況下斷面深泓點沖刷深計算值1.71 m，分析認為該倒虹埋設深度滿足沖刷安全要求。

穿河倒虹埋深合理性分析見表5。

表5 穿河倒虹埋深合理性分析表

3.2 臨河管線埋深評價

其中強風化砂巖層參考《公路工程水文勘測設計規范》（JTGC 30-2015），沖刷深度取0.80 m。

選取粉細砂層、砂礫石層敷設的穿河管線最小埋深斷面為代表斷面，根據《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）規定的公式計算其管線校核洪水工況下順河沖刷深度。公式如下：

式中：H0為行進水流水深，m；d50為床沙的中值粒徑，本工程粉細砂層、砂礫石層的中值粒徑分別為14.385 mm、0.176 mm；hs為局部沖刷深度，m；Ucp為近岸垂線平均流速，本次取行進流速U 值，m/s；Uc為泥沙起動流速，對于黏性與砂質河床可采用張瑞瑾公式計算，m/s；U 為行進流速，m/s；n 為與防護岸坡在平面上的形狀有關，一般取n=1/4～1/6，本次計算取1/4；η 為水流流速分配不均勻系數，根據水流流向與岸坡交角α 角查表，本次計算取1。

計算成果見表6。

表6 臨河管線校核洪水工況下代表斷面順河沖刷深度計算成果表

計算得出，粉細砂層代表斷面校核洪水（P=2%）工況下，洪峰流量為1035 m3/s，對應水位為941.90 m，計算得最小安全埋深為1.96 m。砂礫石層代表斷面校核洪水（P=2%）工況下，洪峰流量為4054 m3/s，對應水位為862.94 m，計算得最小安全埋深1.11 m。結合本工程設計報告分析認為，本工程臨河管線埋設深度滿足沖刷要求及相關規范要求，有利于工程安全。

4 結語

榆林市綏德、米脂、子洲三縣供水工程防洪安全評價的要點為工程區河道演變趨勢分析、設計洪水復核分析計算以及管道埋深評價。對長距離且多次穿越河流或臨近河流敷設的輸水管線進行防洪安全評價時，可根據敷設地層地質特性及工程設計選取代表斷面進行分析計算，評價其管線設計是否滿足工程防洪安全需求。