南水北調(diào)倒虹吸工程局部沖刷試驗及防沖方案比選

□趙秀鳳 □朱智偉 □李文亮

（1河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院；2河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司）

1 工程概況

某渠道倒虹吸是南水北調(diào)中線工程總干渠的河渠交叉建筑物。倒虹吸上下游渠段過水?dāng)嗝娌捎锰菪?，渠底?4.50 m，內(nèi)、外邊坡均為1:2，堤頂寬5 m。渠道倒虹吸主要建筑物自進口至出口依次為進口漸變段、進口檢修閘、倒虹吸管身段、出口控制閘、出口漸變段等。工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計，300 a一遇洪水校核。倒虹吸頂部高程124.40 m，上部回填砂礫石厚度3.60 m，回填料表層為0.50 m厚的漿砌塊石防護，頂面高程128.50 m，口門寬92.20 m。交叉斷面右岸（南岸）設(shè)有防護堤，上游防護堤長165 m，下游防護堤長135 m，堤頂高程均為132.35 m。倒虹吸上游北支引渠長307 m，渠底寬度2 m，邊坡坡度1:1.50。

倒虹吸與河流交叉斷面處天然河道100 a一遇洪峰流量948 m3/s，對應(yīng)洪水位131.31 m，300 a一遇洪峰流量1180 m3/s，對應(yīng)洪水位131.74 m。河流與總干渠交叉處分為南、北兩支，總干渠于兩支匯合處上游約1 km處通過。

2 模型試驗設(shè)計

2.1 確定模型比尺

動床河工模型試驗的模型設(shè)計應(yīng)滿足幾何形態(tài)、水流運動和泥沙運動相似條件。根據(jù)相應(yīng)相似準(zhǔn)則及所選用的模型沙計算得模型比尺值如表1。

表1 模型比尺匯總表

2.2 試驗量測方法

分別按照河流遭遇20 a一遇洪水、100 a一遇洪水和300 a一遇洪水洪峰流量進行清水沖刷試驗。根據(jù)《河工模型試驗規(guī)程》（SL99-2012），模型局部沖刷試驗時間定為2 h，故每級洪水流量均按恒定流沖刷2 h（相當(dāng)于原型沖刷15.50 h），不考慮上游砂卵石的補給。模型地形按照原始河道地形進行鋪設(shè)，先施放20 a一遇洪水約2 h后，停水對地形進行量測，然后再進行下一級流量試驗，每級流量均沖刷2 h。

3 設(shè)計方案局部沖刷模型試驗成果

穿河修建倒虹吸后，分別對20 a一遇洪水、100 a一遇洪水、300 a一遇洪水時河道沖刷地形進行了量測，倒虹吸附近不同部位沖刷深度見表2（沖刷深度是指沖刷后河床高程與原始河床高程的差值）。

由表2可知，河流遭遇20 a一遇洪水時，引水渠出口局部最大沖刷深度4.94 m，遭遇300 a一遇洪水時，引水渠出口局部最大沖刷深度6.74 m，且沖坑距倒虹吸較近有可能危及倒虹吸的安全，建議對引水渠出口進行防護。由于北支引水渠出流集中，并且擠壓南支主流，加重了倒虹吸上游防護堤及倒虹吸右側(cè)裹頭的沖刷，在遭遇各級設(shè)計洪水時，沖刷均較深。在遭遇20 a一遇洪水時上游護坡坡腳處沖刷深度達到7.54 m，右側(cè)裹頭坡腳處沖刷深度也達到6.18 m。且隨著洪水流量的增大，其沖刷深度進一步增大。因此，從工程的安全角度考慮，需要對上游護坡坡腳和倒虹吸右側(cè)裹頭坡腳進行防護。倒虹吸下游防護堤在20 a一遇和100 a一遇洪水時，僅防護堤裹頭頭部靠流，在300 a一遇洪水時水流直沖防護堤，防護堤周圍淘刷較深，防護堤布置型式需要進一步優(yōu)化。

表2 修建倒虹吸后不同部位沖刷坑最深點統(tǒng)計表（單位：m）

4 防沖優(yōu)化方案成果及比選

4.1 優(yōu)化方案一及模型試驗成果

4.1.1 優(yōu)化方案一布置

根據(jù)倒虹吸原設(shè)計方案試驗結(jié)果，對北支引水渠的位置及過流斷面、上游防護堤和下游防護堤位置及高度做了相應(yīng)調(diào)整及優(yōu)化；引水渠進口修建堵堤，堤頂高程134 m，北支引水渠渠身由折線型調(diào)整為直線型，渠底寬度由2 m增加到4.50 m，渠道內(nèi)坡1:1.50。上游右岸防護堤位置左移30～50 m，接近主河槽，其長度加長11 m，堤頂高程抬高0.50 m。下游右岸防護堤由折線型調(diào)整為直線型，位置左移20～30 m，長度縮短22 m，堤頂高程抬高0.50 m。

4.1.2 優(yōu)化方案一模型試驗成果

根據(jù)模型試驗結(jié)果，采用上述優(yōu)化方案后倒虹吸局部沖刷深度試驗成果見表3。優(yōu)化方案一試驗結(jié)果表明，在各級設(shè)計洪水條件下，倒虹吸附近沖刷較為嚴重，其部位主要集中在上游防護堤坡腳、右側(cè)裹頭上游坡腳以及引水渠出口附近。各級洪水時，引水渠出口段沖刷較深，由于引水渠出口水流擠壓南支洪水，加重了倒虹吸上游防護堤坡腳和右側(cè)裹頭上游坡腳的沖刷，同時南支洪水又直沖引水渠出口段，危及引水渠出口工程安全。如在20 a洪水時，倒虹吸上游防護堤坡腳和右側(cè)裹頭上游坡腳最大沖刷深度8.76 m，引水渠出口局部沖深5.66 m，因此，需要對倒虹吸上游防護堤坡腳、右側(cè)裹頭上游坡腳以及引水渠出口進行防護處理。

表3 優(yōu)化方案一倒虹吸附近不同部位沖刷深度統(tǒng)計（單位：m）

4.2 優(yōu)化方案二及模型試驗成果

4.2.1 優(yōu)化方案二布置

根據(jù)河道地形資料，在倒虹吸上游600～700 m河道北支最窄河道位置建一道堵堤，將北支洪水阻截并導(dǎo)入南支，堵堤長度150 m，堵堤高6 m。

4.2.2 優(yōu)化方案二模型試驗成果

優(yōu)化方案二模型試驗結(jié)果表明，各級設(shè)計洪水時，最大沖刷深度明顯減小。如300 a一遇洪水時，在原引水渠出流處沖刷最大深度約由修改一方案的9.08 m減小至6.12 m。在倒虹吸下游85m斷面，沖刷最深點位置左移，在300年一遇洪水時最大沖刷深度略有減少約為3.90 m。沖刷深度統(tǒng)計見表4。

表4 修改二方案倒虹吸附近不同部位沖刷深度統(tǒng)計表（單位：m）

在各級流量下，倒虹吸附近沖刷較為嚴重的部位仍然集中在上游防護堤與右側(cè)裹頭交匯處，優(yōu)化方案二沖刷深度較優(yōu)化方案一有所減小。北支在上游堵截后，洪水全部由南支下泄，河勢趨直，河道和倒虹吸口門斷面水流分布均勻。同時不存在總干渠順坡行洪的危害和引渠出口的淘刷防護。

5 結(jié)論

通過對兩種優(yōu)化方案的模型試驗成果對比分析可知，無論從倒虹吸工程上下游水流流態(tài)，還是從易出險并危及工程安全的部位（如總干渠順坡行洪的邊坡、引水渠出口、上游防護堤坡腳和右側(cè)裹頭坡腳等處）最大沖刷深度，優(yōu)化方案二比方案一較優(yōu)，雖然該方案北支河道上游堵堤長度較長，但節(jié)省了北支引水渠的開挖和防護，并避免了總干渠外坡行洪的隱患。原設(shè)計方案引水渠出流雖然也進行了轉(zhuǎn)向，但其出流與南支主流有一定的夾角，擠壓南支主流，同時南支主流沖擊引水渠出口。因此，根據(jù)模型成果，推薦采用優(yōu)化方案二，以確保南水北調(diào)總干渠的安全運行。