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(1.鄂北地区水资源配置工程建设与管理局(筹),武汉　430071;2. 长江科学院 水利部江湖治理与防洪重点实验室, 武汉　430010)

1　研究背景

我国江河湖泊众多，堤防岸线长。绝大多数中小河流位于欠发达地区，堤防设计标准低，质量差。一遇洪水便险情不断，甚至发生溃堤或漫溢。特别是近年来气候变化导致暴雨频繁、集中、强度大，引起的突发性洪水及其导致的溃漫堤洪涝灾害越来越频繁，造成人员伤亡和严重的经济损失。此外，随着社会经济发展及大量基础设施的建设，如高铁、高速、输水、输电、输油线路不可避免地穿越许多中小河流及洪泛区。堤防溃口附近区域往往形成巨大的冲刷坑，会给这些基础设施的安全运行带来风险和隐患。溃漫堤洪水风险分析日益受到更多的关注和研究。

由于溃口水流结构复杂，缓流和急流同时存在，流场存在瞬变或间断流动区域，给溃堤洪水模拟特别是溃口冲刷问题研究带来了较大困难[1]。目前应用较多的主要有简化水力学公式等半理论半经验公式法[1-2]、物理模型试验[3-6]以及数学模拟[7-9]等。溃堤洪水冲刷影响计算多采用简化的经验公式法，物理模型试验主要体现在溃口模拟方面，溃决水流数学模拟主要体现在溃口附近水流及区域洪水演进方面，而对溃口附近冲刷及其对工程影响等方面的研究较少。溃堤洪水分析模型及算法尽管已有不少成果，但在溃漫堤洪水对工程线路的影响因素、范围及程度等方面的应用研究还有待进一步深入。

本文以唐白河夹河套倒虹吸工程为例，综合运用数学模拟和物理模型试验等多种手段研究夹河套区域溃漫堤洪水的影响范围及对工程区域的冲刷破坏程度。针对天然河道及夹河套区域溃漫堤水流特点，建立了唐白河河网一维及夹河套区域二维水动力耦合的溃漫堤模型，分析了不同洪水标准、不同溃口位置、不同溃口宽度、漫溢各方案对工程线路的影响，并选取最不利方案进行了溃漫堤洪水物理模型冲刷试验，分析了溃漫堤洪水可能造成的冲刷破坏程度和影响范围，进而为区域的洪水影响分析及工程线路防护范围及程度提供技术支撑。

2　工程概况

鄂北地区是湖北省人口耕地相对集中的地区，历来也是省内干旱缺水的地区，严重影响本地区粮食生产和城乡供水安全。近年湖北省提出了鄂北地区水资源配置工程方案，从丹江口水库清泉沟隧洞引水，穿越襄阳老河口市、襄州区、枣阳市，随州随县、曾都区、广水市，终到孝感市大悟县，向沿线城市及工业、唐东地区农业供水，以缓解鄂北地区水资源短缺的局面，输水线路全长269.67 km。该工程也是2015年我国部署开工建设的127项重大水利工程中投资规模最大的工程之一。

鄂北地区水资源配置工程线路穿越唐河、白河之间的夹河套地区，夹河套区域从上游至下游汇合处呈现上宽下窄的喇叭状地形，如图1所示，工程位置处唐河、白河之间，距离约为7 km。输水线路在布置时，以钢管管桥架空跨越白河、唐河，以倒虹吸沟埋PCCP管穿越夹河套地区，倒虹吸沟埋管段总长6.44 km。此段地势平坦，唐河、白河的堤防溃(漫)堤可能会对沟埋管道造成严重的冲刷，影响工程稳定性。为防止洪水冲刷管道，初步设计阶段拟在管道顶部回填区设置1.0 m厚、50 m宽、6.44 km长的格栅石笼防护工程，然后覆土至原地面，根据地面高程不同，回填厚度2.0～7.0 m。格栅石笼防护需大量石方，增加工程造价，也会对周边环境产生较大影响。

图1　工程位置

本文开展倒虹吸工程格栅石笼防护方案专题研究，采用一维和二维耦合的水动力学模型和物理模型，分析夹河套段不同设计洪水标准下溃漫堤对工程线路可能造成的冲刷影响范围及破坏程度，为工程优化设计提供参考，以期通过方案优化，节约格栅石笼工程量及工程成本，并减弱工程对周边环境的影响。

3　研究方法

本文参考国内外水文水动力学等已有成果及经验，采用多种综合技术手段研究溃漫堤洪水的影响范围及冲刷破坏程度。结合鄂北地区水资源配置工程唐白河夹河套段水文、地形、地质及水工建筑等资料，建立夹河套段溃漫堤数学及物理模型，分析不同设计洪水标准下溃漫堤洪水的影响范围和冲刷破坏程度，为夹河套倒虹吸工程防护方案设计优化提供支撑和依据。具体研究方案如下：

(1)根据河道特性及上下游水文站点等确定计算范围，开展研究区域的基础地理信息、水文及涉水工程等基础资料的收集和整理，确定各计算方案的边界条件。

(2)采用目前应用最为广泛的MIKE系列软件建立一、二维非恒定流耦合数学模型，通过率定和验证，开展各方案的洪水分析计算；根据洪水分析计算结果，将夹河套地区不同量级洪水条件下各溃口最大流速分布、洪水历时分布范围叠加得到可能的最大冲刷影响范围。模型及计算方案具体见文献[9-10]，选取白河新店铺、唐河郭滩站至唐白河董坡站及夹河套区域为计算范围，建立唐河、白河一维河网及夹河套区域二维非恒定水动力学耦合模型，如图2所示。考虑不同洪水方案、不同溃口位置及溃口尺寸的最不利组合，分析计算夹河套区域洪水流速最大影响范围，并据此确定物理模型试验范围。

图2　一、二维耦合模型示意图

(3)根据数学模型最不利工况(工程位置处BH2和TH2溃口，0.5%频率设计洪水)的洪水影响范围确定物理模型模拟范围，针对溃堤洪水对夹河套地区的冲刷影响分别开展多种工况下唐河、白河单一溃堤定床和动床局部物理模型试验。物理模型采用正态模型，根据数学模型计算结果并综合考虑场地、防护工程规模等可能限制因素，选定模型比尺如表1所示。唐河侧、白河侧溃口位置附近分别以黏土、沙壤土为主，模型选沙方面分别采用黄沙、塑料合成沙进行模拟。

表1　溃堤模型比尺汇总

(a)白河溃堤模型(b)唐河溃堤模型图3 物理模型平面布置Fig.3 Plane layout of physical models

模型量测系统主要包括表面流场系统、电磁流速仪、自动水位计、水位测针、自动测淤仪等，分别用来观测模型表面流场、流速变化过程、水位变化、流速分布、河床地形等。考虑到溃坝过程中流速变化较快，采用移动式表面流场系统进行测量，移动式表面流场测量范围0.001～50m/s，测量精度最高可达mm级。模型试验中通过调整进口流量控制外江水位保持不变，分别在进水口布设3个水位观测站，进行水位监测。模型总平面布置图见图3，模型试验场地照片见图4。其中：白河模型模拟原型范围约为1.2km×1.2km；唐河模型模拟原型范围约为1.0km×1.4km。此外，根据初步设计方案中格栅石笼宽度50m，厚度1m，采用小碎石+瓜米石填充钢丝网进行模拟，按照重力及几何相似进行模拟，钢丝网石笼模型宽度1.42m，厚度约3cm，钢丝网石笼单元间采用扎丝进行连接，格栅石笼模拟见图5。

图4　模型试验场地照片

图5　格栅石笼模拟

针对工程沿线白河BH2溃口、唐河TH2溃口，分别开展了2.0%,1.0%,0.5%频率设计洪水3种工况下的定床和动床模型试验。采用定床模型进行同一洪水条件下的水流验证试验，采用动床模型进行工程防护前后的溃堤洪水冲刷模型试验。物理模型试验方案见文献[10]。

(4)最后综合数学模型、物理模型试验成果对工程防护范围进行论证，并提出优化建议。

4　研究结果与分析

4.1　数学模型计算成果分析

数学模型计算方案及成果见文献[9-10]。分别比较了唐河和白河的0.5%，1%，2%，5%频率设计洪水条件、不同溃口位置、不同溃口宽度(140，180，250m)，以及唐河和白河同时溃口或单一溃口、漫流方案等25种组合方案。选择溃堤可能性最大、溃口后对工程威胁严重和管理部门关注的位置作为计算拟定的溃口位置(见图2)。

数学模型计算结果表明:工程位置处溃堤对工程线路的影响最大；洪水量级越大，对工程线路的影响越大；溃口宽度增加，大多呈现出溃口处最大流速减小、工程线路其他区域最大流速增大、最大流速等值线范围增大、较大流速持续历时减小的特点。各溃口方案的大流速均主要分布在溃口附近区域。对各漫溢方案，较大流速主要分布在太湖渠附近，但由于流速不大，对工程线路影响较小。综合比较不同方案计算结果，分别选择唐河、白河0.5%频率设计洪水条件下工程位置处单一溃口180m方案和漫溢方案作为最不利方案，综合各计算方案最大流速包络范围，如图6所示。工程线路白河侧抗冲流速1.3m/s和唐河侧抗冲流速1.5m/s以上长度分别约562，608m，应重点关注。其计算边界条件和影响范围可为物模试验条件和范围的确定提供依据。

图6　工程沿线洪水影响范围

4.2　物理模型试验成果对比分析

4.2.1定床模型试验结果分析

采用定床模型试验对比分析了同一洪水条件下的抗冲流速范围，结果如表2所示。由表2可以看出，夹河套唐河、白河侧沿管轴线方向的影响范围分别为630m和650m。从沿管轴线方向的范围和最大流速来看，均与数学模型计算成果基本一致。

表2　最不利情况下定床模型与数学模型的 流速影响范围比较

4.2.2动床模型试验结果分析

开展了多种工况下唐河、白河溃堤动床模型试验。唐河、白河溃堤动床模型分别采用黄沙、塑料合成沙进行了无防护、有防护方案条件下的动床冲刷试验。最不利工况(洪水频率0.5%)计算结果如表3所示。

表3　最不利工况动床模型试验结果

图7　白河、唐河溃口处冲刷坑形态

白河、唐河溃口处冲刷坑形态如图7所示。无防护工程动床模型唐河、白河沿管线附近冲刷坑范围分别为300，500 m，冲刷坑平面近似椭圆形，范围小于数学模型流速影响范围。有防护方案模型试验结果表明，由于初步设计格栅石笼防护宽度偏小,仅50 m，溃口附近区域工程两侧均形成较为明显的冲刷坑，且溃堤洪水对石笼工程两侧的冲刷强度均大于其轴线方向。距溃口较近位置由于下部及两侧泥沙被不均匀淘刷，石笼前部均塌落变形明显，唐河侧、白河侧距离溃口沿轴线方向的距离分别约200 m和110～140 m。除此之外的其他石笼区段基本稳定。

4.3　防护范围分析

根据数学模型、动床模型无防护和有防护方案试验结果，最终确定夹河套地区的防护范围。格栅石笼防护方案中拟定溃口位于工程轴线位置，若溃口恰位于工程上、下游较近范围内，溃堤对格栅石笼两侧的冲刷是最不利的。可按照无防护工程冲刷坑的最大冲刷范围结果确定出工程两侧需防护范围,包括加强防护、适当防护以及简单防护范围。由表4和图8所示可知:唐河、白河溃口外沿管轴线0～200 m,0～140 m范围内格栅石笼冲刷变形严重，两侧存在着冲刷坑，需要对管线及其两侧进行加强防护，唐河侧、白河侧管线两侧防护宽度分别为500,560 m(单侧范围分别为250,280 m)。

表4　工程沿线冲刷防护范围

图8　工程防护范围

对于沿管线唐河侧200～300 m、白河侧140～500 m范围，有防护时格栅石笼及管线均较稳定，无防护时该区域在冲刷坑范围内，为安全起见，也需要对管线进行加强防护。对于沿管线唐河侧300～630 m、白河侧500～650 m范围，动床模型试验结果基本不受冲刷影响，但位于定床模型试验测得的抗冲流速范围内，为安全起见也需要进行适当的防护。除以上范围之外的其他管线段，基本不受溃堤洪水冲刷影响，可以简单防护或者削减防护。

5　结　语

本文采用数学模型和物理模型相结合的方法，对鄂北地区水资源配置工程夹河套段(PCCP) 倒虹吸防护工程应用方案进行了充分论证，并提出了优化设计建议，主要结论为：

(1)数学模型计算成果表明溃堤洪水大流速主要分布在溃口附近区域，溃口位于工程线路附近时对工程的冲刷影响较严重；其余区域流速不大，对工程线路影响较小。

(2)综合物理定床模型、动床模型试验结果，根据格栅石笼的冲刷变形程度及范围、冲刷坑范围及抗冲流速影响范围，确定了工程沿线不同等级的防护范围，为优化工程防护方案设计提供参考。