南水北調(diào)中線沙窩溝河道倒虹吸水力設(shè)計(jì)及模型試驗(yàn)研究

韋亞琳

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

南水北調(diào)中線沙窩溝河道倒虹吸水力設(shè)計(jì)及模型試驗(yàn)研究

韋亞琳

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

沙窩溝河道倒虹吸是南水北調(diào)中線工程總干渠的一座大型左岸排洪建筑物。其水力設(shè)計(jì)是否合理，直接影響了總干渠的防洪安全。本文通過(guò)整體水工模型實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)倒虹吸的孔口尺寸以及進(jìn)出口水力學(xué)結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)為類似的南水北調(diào)排洪建筑物設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

左岸排洪建筑物 過(guò)流能力 流態(tài)

1 概況

沙窩溝流域地處太行山東麓河北省邢臺(tái)縣境內(nèi)。源于馬鞍山下的黃寺鄉(xiāng)，河道自西北流向東南，在與南水北調(diào)中線總干渠交叉點(diǎn)下游3km處匯入白馬河，全長(zhǎng)約14.5km?？偢汕徊鏀嗝嬉陨狭饔蛎娣e30km2，主河道平均縱坡5.2‰，河底寬度一般為15～20m，深度為2～3.5m。河道狹窄，源短流急，一般較大洪水將漫地行洪。

沙窩溝河道倒虹吸位于邢臺(tái)縣會(huì)寧鄉(xiāng)東良舍村西北約500m處，東距京廣鐵路、107國(guó)道約5km，是南水北調(diào)中線工程總干渠的一座大型河渠交叉建筑物。

2 工程布置

沙窩溝河道倒虹吸全長(zhǎng)301.6m，其中進(jìn)口防護(hù)段長(zhǎng)96.0m，管身段長(zhǎng)108m，出口防護(hù)段長(zhǎng)97.6m。

進(jìn)口防護(hù)段包括連接段和漸變段。進(jìn)口連接段長(zhǎng)35m，漿砌石結(jié)構(gòu)，梯形過(guò)水?dāng)嗝?，底?9.2m，底板高程81.5m，護(hù)坡頂高程84.5m，兩側(cè)邊坡1:2.0。漸變段長(zhǎng)61m。前36m為漿砌石斜坡段，后25米為鋼筋混凝土水平段。斜坡段底板高程由81.50m降至76.7m，護(hù)坡頂高程84.5m，縱坡1:7.5，底寬29.2m，兩側(cè)邊坡1:2.0。水平段底寬由29.2m漸變至20.4m，側(cè)收縮角10°，底板高程76.7m，兩側(cè)為扶壁式圓弧翼墻，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)25m，圓弧半徑15m，圓弧角80°，墻頂高程87.49m，墻高10.79m。

倒虹吸管身段為鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，水平投影長(zhǎng)108m。其中進(jìn)口斜管段長(zhǎng)39m，坡比1:5.28；水平段長(zhǎng)30m；出口斜管段長(zhǎng)39m,坡比1:5.28。管身孔口為3孔一聯(lián)，每孔過(guò)水?dāng)嗝鏋?m×6m（寬×高）。管身段進(jìn)、出口底高程均為76.7m，平管段底高程69.422m。

出口防護(hù)段包括漸變段和連接段。漸變段長(zhǎng)55m。前25m為鋼筋混凝土水平段，底板寬度由20.4m漸變至29.2m，擴(kuò)散角10°,底板高程76.7m。兩側(cè)為扶壁式圓弧翼墻，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)25m，圓弧半徑15m，圓弧角80°,墻頂高程86.16m，墻高9.46m。后30m為漿砌石斜坡段，底板高程由76.7m升至80.7m，縱坡1:7.5，底寬29.2m，兩側(cè)邊坡1:2.0。出口連接段軸線長(zhǎng)42.6m，漿砌石結(jié)構(gòu)，平面轉(zhuǎn)角12°，梯形過(guò)水?dāng)嗝妫讓?9.2m，底板高程80.7m，兩側(cè)邊坡1:2.0，護(hù)坡頂高程83.5m。末端設(shè)6m長(zhǎng)拋石防沖槽，槽深1.5m。沙窩溝河道倒虹吸結(jié)構(gòu)布置圖，見(jiàn)圖1。

圖1 沙窩溝河道倒虹吸結(jié)構(gòu)布置圖

3 水力設(shè)計(jì)

3.1 孔口尺寸確定

根據(jù)《南水北調(diào)中線一期工程總干渠初步設(shè)計(jì)河道倒虹吸技術(shù)規(guī)定》，倒虹吸的孔口尺寸根據(jù)確定的上游水位設(shè)計(jì)壅高值和設(shè)計(jì)洪水過(guò)程、上游天然水位～流量關(guān)系曲線等，通過(guò)總水頭損失計(jì)算、調(diào)洪演算確定。經(jīng)比較，擬定孔口尺寸為3×6m×6m（孔數(shù)×寬×高）進(jìn)行水力計(jì)算。計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 沙窩溝河道倒虹吸水力計(jì)算成果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本段總干渠堤頂高程按300年一遇調(diào)洪水位加高0.5m，定為87.49m，滿足總干渠左堤的防洪要求。故選定孔口尺寸為3×6m×6m（孔數(shù)×寬×高）是合適的。

3.2 消能防沖設(shè)計(jì)

倒虹吸建成后改變了天然河道的水流狀態(tài)，使倒虹吸上、下游形成一定的水位差，水流集中在主河槽處，流速加大，使河床沖刷作用加劇。100年一遇洪水下泄393m3/s，相應(yīng)管內(nèi)流速為3.71m/s。300年一遇洪水下泄量為504m3/ s，相應(yīng)管內(nèi)流速4.76m/s。消能防沖計(jì)算均采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）中公式。經(jīng)計(jì)算，不需設(shè)消力池。為了減少下游河床沖刷，平順出口水流，在倒虹吸出口處設(shè)漿砌石防護(hù)。海漫計(jì)算長(zhǎng)度為64.2m，為保證倒虹吸出口與下游銜接平順，綜合工程斜坡段及出口彎道布置，下游防護(hù)長(zhǎng)度為91.6m，滿足要求。海漫末端附近為土質(zhì)河床，經(jīng)對(duì)沖刷情況進(jìn)行分析，計(jì)算沖刷深度1.46m，在海漫末端設(shè)1.5m深拋石防沖槽。

4 整體水工模型實(shí)驗(yàn)研究

倒虹吸不同布置形式會(huì)對(duì)整個(gè)工程水流性態(tài)造成不同影響。針對(duì)有可能出現(xiàn)的水力學(xué)問(wèn)題，對(duì)倒虹吸進(jìn)行了整體水工模型試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)建筑物體型、結(jié)構(gòu)尺寸及進(jìn)出口防護(hù)布置進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

4.1 研究的主要內(nèi)容

沙窩溝倒虹吸呈低水頭大流量特點(diǎn)，水工模型試驗(yàn)將對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)研究：

（1）了解各種可能的工況下上游水位的壅高值和壅水長(zhǎng)度。

（2）進(jìn)口漸變段有一個(gè)坡度為1:7.5的漿砌石斜坡段。觀測(cè)各種流量和水位條件下，水流經(jīng)過(guò)斜坡下泄后，在坡腳處是否會(huì)出現(xiàn)水躍。

（3）通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步量測(cè)各部位局部損失的大小，從而驗(yàn)證倒虹吸的設(shè)計(jì)過(guò)流能力準(zhǔn)確與否。

（4）倒虹吸的過(guò)流范圍為從重現(xiàn)期為5年到300年一遇的洪水，流量變幅較大。水流流態(tài)的變化，包括水流的流速分布、管身段的水流脈動(dòng)壓力、水流是否會(huì)出現(xiàn)“挾氣”或“淤氣”現(xiàn)象等也是實(shí)驗(yàn)關(guān)注的主要問(wèn)題。

（5）工程修建后，河道水流受工程影響將發(fā)生改變，其上、下游以及倒虹吸工程附近的河床都有可能進(jìn)行調(diào)整，需研究尾水渠末端及下游河道的沖刷情況。

（6）進(jìn)、出水口擴(kuò)散角，進(jìn)口段坡度，翼墻型式等工程布置直接影響到水流條件，研究對(duì)各部位的布置進(jìn)行優(yōu)化，改善水流條件。

4.2 模型比尺及模型設(shè)計(jì)

模型按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)工程參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)室的條件，模型采用幾何比尺為1:20的正態(tài)水工模型，模擬范圍包括進(jìn)口防護(hù)段、管身段、出口防護(hù)段以及部分下游河道。建筑物模

型由有機(jī)玻璃和PVC材料制作。

4.3 試驗(yàn)方案

模型孔口尺寸采用3×6m×6m（孔數(shù)×寬×高），對(duì)進(jìn)口不同結(jié)構(gòu)布置形式進(jìn)行了方案比較。

方案一：根據(jù)原設(shè)計(jì)方案的布置，倒虹吸進(jìn)口洪水位高于地面，倒虹吸進(jìn)口兩側(cè)翼墻高程為87.49m，平面呈八字墻加80°圓弧翼墻，以保證進(jìn)口單側(cè)進(jìn)水。

方案二：方案一的基礎(chǔ)上，把進(jìn)口翼墻高程降低到84.5m（平地面），翼墻平面布置不變，使上游洪水位高于翼墻，進(jìn)口呈三面進(jìn)水狀態(tài)。

方案三：方案二的基礎(chǔ)上，將翼墻平面布置改為大的八字墻，軸線長(zhǎng)度為61m，范圍為進(jìn)口斜坡段和水平漸變段。墻頂高程為84.5m，進(jìn)口三面進(jìn)水。

方案四：方案二的基礎(chǔ)上，在翼墻頂端和管身進(jìn)口連接處分別加50cm和100cm高消渦梁。墻頂高程為84.5m，進(jìn)口三面進(jìn)水。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）倒虹吸進(jìn)出口水流流態(tài)

方案一不同重現(xiàn)期洪水情況下倒虹吸進(jìn)出口水流流態(tài)見(jiàn)表2。

方案二在遇高標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，由于進(jìn)口翼墻頂高程降低，洪水位高于進(jìn)口翼墻后，進(jìn)口附近水流受邊界影響較大，水流翻滾劇烈。

方案三當(dāng)水位低于翼墻頂高程時(shí)，水流受到大八字形翼墻的約束，水流比較平順；當(dāng)流量加大并且水位高于翼墻頂部后，水流現(xiàn)象類似于方案二。

考慮到方案二在遭遇高標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)倒虹吸進(jìn)口呈三面進(jìn)水狀態(tài)，水流翻滾劇烈，沖刷總干渠坡腳。為平順?biāo)?，在方案二的基礎(chǔ)上，增加了方案四。在翼墻和管身進(jìn)口連接處頂端加50cm高八字形的消渦梁和100cm高八字形的消渦梁。從試驗(yàn)結(jié)果看，100cm高的梁能起到一定的消渦作用，但效果并不明顯，不能完全消除水流對(duì)管身進(jìn)口頂部總干渠外坡的沖刷。

表2 方案一不同重現(xiàn)期洪水進(jìn)出口水流流態(tài)表

（2）倒虹吸全程及上下游河道測(cè)壓管水頭線

根據(jù)量測(cè)得倒虹吸全程及上下游天然河床測(cè)壓管水頭線的變化看出：五年一遇洪水時(shí)，上游來(lái)水流量最小，其上游水面線的位置也要高于底板，接近倒虹吸進(jìn)口頂高程，盡管洞口的水流淹沒(méi)水深較小，但來(lái)流量也小，在進(jìn)口1:7.5的漿砌石斜坡段坡腳處沒(méi)有觀察到發(fā)生水躍現(xiàn)象，亦沒(méi)有出現(xiàn)跌水現(xiàn)象。其余洪水流量條件下倒虹吸沿程均沒(méi)有出現(xiàn)跌水或水躍現(xiàn)象，每個(gè)底坡變坡部位均沒(méi)有出現(xiàn)水流脫體或分離現(xiàn)象。

（3）沿程流速分布

從用旋漿流速儀測(cè)得的沿程底部流速和水流表面流速的分布情況看，流速分布比較均勻。當(dāng)洪水流量小于20年一遇的流量時(shí)，其水流被限制在原河道內(nèi)流動(dòng)，水流流態(tài)平順，也不會(huì)出現(xiàn)回流現(xiàn)象。但當(dāng)洪水流量大于50年一遇的流量后，上游水位高于84.5m，水流出現(xiàn)漫灘，亦無(wú)回流影響。

（4）倒虹吸的水流脈動(dòng)情況

試驗(yàn)中采用了128Hz和256Hz兩個(gè)采樣頻

率，分別從進(jìn)口水平段中央、管身中部以及出口水平段中央三個(gè)位置測(cè)得水流脈動(dòng)壓力頻譜。各點(diǎn)的脈動(dòng)壓力均方差值相差不大，說(shuō)明所選取的采樣頻率是合適的。各點(diǎn)水流脈動(dòng)的頻率多集中在0～0.2Hz范圍內(nèi)，說(shuō)明倒虹吸涵洞及進(jìn)水口前和出水口后的水流脈動(dòng)頻率均為低頻的振動(dòng)。

（5）模型試驗(yàn)結(jié)論

①?gòu)乃膫€(gè)方案的水流流態(tài)比較來(lái)看，各方案的水流流態(tài)略有差別，方案三的水流流態(tài)較方案二要好一些，但混凝土工程量較大，故就沙窩溝倒虹吸進(jìn)口流態(tài)而言，綜合工程量與水流條件考慮，采用方案一。

②在不同洪水重現(xiàn)期流量情況下，在倒虹吸沿線及上下游河道均沒(méi)有水躍或跌水現(xiàn)象。

③在不同重現(xiàn)期洪水標(biāo)準(zhǔn)下，倒虹吸沿程流道中，推薦方案沒(méi)有出現(xiàn)“挾氣”或“淤氣”現(xiàn)象。

④從各方案沿程底部流速和水流表面流速的分布情況看，流速分布比較均勻，各孔流道間的流量分配也比較均勻。

⑤倒虹吸涵洞及進(jìn)水口前和出水口后的水流脈動(dòng)頻率均為低頻的振動(dòng)。

⑥試驗(yàn)分別對(duì)50年一遇洪水流量334m3/s、 100年一遇洪水流量446m3/s和300年一遇洪水流量599m3/s三個(gè)洪水過(guò)程進(jìn)行了模擬。在經(jīng)歷一個(gè)洪水過(guò)程后，沖刷比較嚴(yán)重的部位在襯砌過(guò)的河床與原河床的接合部位后一段，最深處高程為79.3m，沖刷深度為1.4m，與計(jì)算結(jié)果基本一致。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)整體水工模型試驗(yàn)，對(duì)南水北調(diào)中線總干渠建成后沙窩溝河道倒虹吸在各種頻率洪水下的泄流能力、水力特性及下游沖刷情況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，倒虹吸孔口尺寸以及進(jìn)出口水力學(xué)結(jié)構(gòu)布置合理，水流平穩(wěn)而順暢。試驗(yàn)研究成果確保了沙窩溝倒虹吸的泄洪安全，同時(shí)為類似工程的水力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局.南水北調(diào)中線一期工程總干渠初步設(shè)計(jì)河道倒虹吸技術(shù)規(guī)定[R],2007.1.

2 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室.水力計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利電力出版社,2006.

3 水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程 [S].(SL155-95).北京：中國(guó)水利電力出版社,1995.

4 水利水電科學(xué)研究院,等編.水工模型試驗(yàn) [M].北京：水力電力出版社,1985.12.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.010

TV68

B

1672-2469(2014)12-0027-04

韋亞琳（1971年—），女，教授級(jí)高級(jí)工程師。