南水北調(diào)中線沙河(北)渠道倒虹吸行洪口門寬度的選定

王 軍

(河北省南運(yùn)河河務(wù)管理處,河北 滄州 061001)

1 流域概況

沙河(北)渠道是大清河南支潴龍河的一條支流,河道為寬淺式游蕩型河槽,總寬度約4600 m,主槽寬約1000 m(20年一遇治導(dǎo)線寬度為1000 m),河底高程一般為69.0 m,右岸灘地寬約850 m,高程為69.0～70.4 m,左岸灘地寬約1750 m,高程為69.0～70.5 m。河道右岸建有多條丁壩、順壩。河道縱坡約為1.1‰。河床上部為細(xì)砂、中砂及礫砂或壤土,下部為中粗砂。 20年一遇以下洪水時(shí),主要行洪范圍在 1000 m治導(dǎo)線內(nèi),20年一遇以上洪水時(shí),河道行洪范圍逐漸擴(kuò)大,左岸灘地全部行洪,右岸過水?dāng)嗝嫜又凌F路橋的導(dǎo)流堤。100年一遇以上洪水時(shí),將漫過右岸的鐵路橋?qū)Я鞯?沙河全部灘地過水,河道寬度達(dá)到 4600 m。交叉斷面上游附近左岸有赤支、岸城等村鎮(zhèn),右岸有木村、中同等村鎮(zhèn)。近年來持續(xù)干旱,加之上游有王快水庫的截流,使河道經(jīng)常斷流,灘地圍田現(xiàn)象較嚴(yán)重,治導(dǎo)線與左右岸堤防之間種有大量果樹以及其他經(jīng)濟(jì)作物。

2 口門寬度的確定原則

沙河(北)渠道倒虹吸是南水北調(diào)中線總干渠上的一座大型交叉建筑物,口門寬度的選定,不僅要符合安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的基本原則,而且與灘地渠道有關(guān),因此在選擇口門寬度時(shí),應(yīng)同時(shí)考慮灘地渠道的長(zhǎng)度。確定河道行洪口門寬度的一般原則：第一,建筑物修建后,其口門寬度不應(yīng)小于現(xiàn)狀河道主槽寬度,同時(shí)不宜小于河道中泓線的擺動(dòng)范圍;第二,建筑物修建后,其口門寬度不應(yīng)小于該河道治理規(guī)劃中確定的防洪標(biāo)準(zhǔn)和行洪河道的寬度,以免影響當(dāng)?shù)氐姆篮榕艥诚到y(tǒng)以及遠(yuǎn)景規(guī)劃目標(biāo);第三,在常遇洪水下,束窄后的河道口門行洪時(shí),不惡化上游的防洪條件;第四,充分考慮河道沖刷深度對(duì)建筑物布置及投資的影響。

3 口門寬度的選定

3.1 通過交叉斷面中泓位置分析初選口門寬度

沙河(北)渠道與總干渠交叉斷面下距京廣鐵路橋約 4.6 km,交叉斷面附近河段主流的分布與擺動(dòng)和鐵路橋的位置有著密切聯(lián)系。沙河屬寬淺式游蕩型河流,河道中泓線隨不同的洪水而擺動(dòng),但其擺動(dòng)也是有一定幅度的。在交叉斷面下游處建有京廣鐵路橋,其防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇,大橋全長(zhǎng)約為1900 m。雖然橋孔寬度為900 m(1956年汛后,沙(二)鐵路橋被封堵),但過水橋孔分別位于鐵路橋的兩側(cè),也就是說河道行洪時(shí)橋前的水面寬度約為1900 m。由此可以推斷河道中泓線擺動(dòng)范圍不會(huì)小于1900 m,同時(shí),由于該橋橋孔固定,橋墩防護(hù)較好,并設(shè)置有整治構(gòu)造物,從而大大限制了中泓線的擺動(dòng)范圍。該段主流近年來沒有發(fā)生較大的改道,與其有直接的關(guān)系。從對(duì) 20世紀(jì)七八十年代修建的丁壩、順壩的位置分析,左右岸壩間的最大距離約為2000 m,雖然壩的標(biāo)準(zhǔn)稍低,但可以認(rèn)為這個(gè)距離基本上控制了河道中泓線的擺動(dòng)范圍。綜上所述,2000 m的口門寬度能滿足中泓線的擺動(dòng)幅度,且略大于下游鐵路橋過水水面寬度。

由于河道行洪口門寬度直接決定建筑物的長(zhǎng)度,其寬度的確定又與洪水及河床沖淤特性、交叉斷面上游防洪要求、河道防洪規(guī)劃、回水淹沒損失以及地形地質(zhì)條件等因素密切相關(guān),根據(jù)上述一般原則,綜合考慮各種因素,初步選定 1700 m,2000 m,2300 m三種不同口門寬度方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。

3.2 方案比較及確定

沙河(北)渠道與總干渠交叉處河寬約4600 m,3種口門方案的比較基礎(chǔ)均為4600 m的河道寬度。首先對(duì)不同行洪口門方案的壅水高度、壅水長(zhǎng)度及沖刷深度進(jìn)行計(jì)算,然后綜合分析灘地渠道、倒虹吸工程的工程量、投資以及對(duì)上下游的影響等各種因素,最終選定河道行洪口門的寬度。

3.2.1 水力計(jì)算成果分析

河道壅水特性采用了常規(guī)法、調(diào)蓄法和二維數(shù)學(xué)模型等多種計(jì)算方法,分別計(jì)算出不同行洪口門方案的壅水高度(見表1)、長(zhǎng)度及沖刷深度,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,壅水長(zhǎng)度及沖刷深度隨著口門的增大是依次遞減的。由表1可知,就20年一遇的常遇洪水而言河道的不同部位壅水高度是不同的,且左、右岸壅水高度均超過農(nóng)作物承受能力的極限值(0.3 m),因此這3種口門寬度在常遇洪水條件下,對(duì)上游的影響是基本相同的;而在 300年一遇洪水條件下,口門寬度從2000 m增加到 2300 m時(shí),壅水高度減少 0.08～0.26 m,基本不能降低河道防洪堤頂高程,建筑物長(zhǎng)度增加后,進(jìn)口段渠道的堤頂也不能降低?？陂T寬度從1700 m增加到 2000 m時(shí),壅水高度可減少 0.64～0.8 m,建筑物長(zhǎng)度增加后,進(jìn)口段渠道的堤頂高程可適當(dāng)降低。由此可知,在高標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí),口門寬度從1700 m增加到2000 m不僅起到降低防洪堤頂高程的作用,還縮短了進(jìn)口渠道的長(zhǎng)度,同時(shí)減少了渠道的工程量,并能顯著提高其防洪效果。

3.2.2 工程量及投資分析

沙河(北)渠道穿河工程主要包括倒虹吸主體建筑物、灘地渠道及河道防洪3部分,沙河(北)渠道與總干渠交叉處河寬約4600 m,行洪口門寬度與灘地渠道的長(zhǎng)度呈此消彼漲的關(guān)系。根據(jù)不同口門寬度的水力計(jì)算成果,確定灘地渠道的防洪堤堤頂高程、倒虹吸埋置深度等,據(jù)此對(duì)渠道和建筑物進(jìn)行布置,并計(jì)算出不同行洪口門寬度的穿河工程的工程量及投資?？陂T寬度為1700 m時(shí)穿河工程建筑物投資為27541.6萬元,口門寬度為2000 m時(shí)穿河工程建筑物投資為 28601.3萬元,口門寬度為 2300 m時(shí)穿河工程建筑物投資為31359.4萬元,由此可見,口門寬度從 1700 m增加到 2000 m時(shí),投資增加 3.85%,口門寬度從 2000 m增加到2300 m時(shí),投資增加9.64%;這表明在口門寬度為2000 m的基礎(chǔ)上縮小口門寬度,工程投資縮減并不明顯,而增加口門寬度,工程投資卻增長(zhǎng)很快。分析原因是由于1700 m口門寬度處于河道中泓線擺動(dòng)范圍內(nèi),為保證建筑物以及渠道的安全,不僅埋置深度大,而且護(hù)砌工程量也較大;同時(shí),1700 m口門方案由于壅高水位較大,渠道本身的堤頂以及導(dǎo)流堤頂高程也要相應(yīng)增加,從而造成工程量和投資的增加。口門加寬到 2300 m時(shí),在水頭相對(duì)不變的情況下,不僅管身長(zhǎng)度增加,而且過水?dāng)嗝嬉惨哟?從而引起倒虹吸工程量和投資的增加,而增加的這部分投資不足以抵消由于渠道長(zhǎng)度縮短以及沖刷深度減小所減少的投資,因而出現(xiàn)總體投資增加的現(xiàn)象,而且呈加速趨勢(shì)。

綜合分析各種因素,口門寬度為 2000 m的方案在投資上雖然比口門寬度為 1700 m方案略大,但在工程安全性上卻具有明顯的優(yōu)越性;而與口門寬度為2300 m方案相比,在防洪安全和工程安全上基本相同的情況下,工程投資卻相對(duì)較小,因此本工程選取口門寬度為2000 m。

表1 水力計(jì)算成果

4 對(duì)河道上下游的影響

根據(jù)2000 m行洪口門方案,對(duì)穿河工程進(jìn)行總體布置后,大部分灘地將被渠道阻斷,改變了原河道的行洪斷面,必然對(duì)上、下游造成一定的影響。

從工程布置上來看,河道行洪口門寬度大于 20年一遇洪水的河道治導(dǎo)線,在常遇洪水下,建筑物建成后,不會(huì)降低河道的現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn),因此對(duì)河道上下游的不利影響較小。當(dāng)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí),比如300年一遇洪水,洪水位超出右岸鐵路橋?qū)Я鞯痰姆篮闃?biāo)準(zhǔn),將會(huì)對(duì)右岸河灘地上的同義莊和小趙村帶來影響。

沙河現(xiàn)狀主河道歷經(jīng)歷史上幾次大洪水的考驗(yàn),雖然中泓線位置有向右岸偏移的趨勢(shì),但擺動(dòng)范圍保持在2000 m以內(nèi),與行洪口門的寬度相一致,所以對(duì)建筑物防洪安全不會(huì)構(gòu)成威脅。相反,由于倒虹吸左右岸導(dǎo)流堤的防護(hù)作用,可以有效地阻止中泓線更大幅度的擺動(dòng),特別是向右岸偏移的趨勢(shì),常遇洪水下,對(duì)下游附近的小趙村、鳳鳴村等起到了很好的保護(hù)作用。

建筑物軸線位置距離下游京廣鐵路橋約 4.6 km,雖然距離較近,但常遇洪水下不會(huì)對(duì)鐵路橋造成不利的影響。而100年一遇以上洪水時(shí),雖然已經(jīng)超過鐵路橋的防洪標(biāo)準(zhǔn),但由于本工程的存在,口門上游河槽起到了調(diào)蓄作用,反而對(duì)下游橋梁、河道的行洪安全起到一定程度的改善作用。

5 結(jié)束語

沙河(北)渠道倒虹吸上距郜河匯入點(diǎn)5.4 km,下距京廣鐵路橋4.6 km,河流流態(tài)較為復(fù)雜,且為寬淺式沙質(zhì)河床,河道穩(wěn)定性差。對(duì)于布置建筑物后對(duì)河勢(shì)的影響等內(nèi)容的分析論證,還需模型試驗(yàn)的驗(yàn)證以及試驗(yàn)結(jié)論支持。下階段將根據(jù)河工模型試驗(yàn)的結(jié)果,驗(yàn)證河道天然條件下的自然演變情況以及布置建筑物后的河勢(shì)變化,同時(shí)也將驗(yàn)證河道的沖淤變化、不同行洪口門寬度對(duì)上下游的影響、不同型式和尺寸的治導(dǎo)建筑物對(duì)交叉斷面附近流態(tài)的影響等內(nèi)容,對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,使工程設(shè)計(jì)更加合理。

[1]SL 252-2000.水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn) [S].

[2]余際可,羅尚生.倒虹吸管 [M].北京：水利電力出版社,1993.

[3]李煒.水利計(jì)算手冊(cè) [M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2006.