復雜邊界條件下穿河倒虹吸行洪口門寬度方案比選

□楊鋒

復雜邊界條件下穿河倒虹吸行洪口門寬度方案比選

□楊鋒

山前沖積扇河道往往河床游蕩，沖溝分散，沙洲密布，流路散亂，邊界條件十分復雜，如何合理確定穿河倒虹吸的行洪口門寬度，是工程成敗的關(guān)鍵。本文以南水北調(diào)中線工程總干渠南沙河倒虹吸為例，比選行洪口門寬度方案，供類似工程參考。

行洪口門；數(shù)學模型；物理模型

南沙河倒虹吸工程位于河北省沙河市高店村東北2km處的南沙河上，工程由南段倒虹吸、中間明渠、北段倒虹吸組成，全長4335m，其中南、北段倒虹吸管長分別為1070m和870m。倒虹吸為1級建筑物，設計流量230m3/s，加大流量250m3/s，防洪標準為100年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核。

1.河道形態(tài)

倒虹吸軸線上下游16km的河段范圍內(nèi)，上游段長約3km，處于山區(qū)向丘陵平原地帶的過渡帶，河道平均寬度2000m左右。中游河段長7～8km，處于丘陵向平原的過渡帶，河道擴展平均寬度4.0km左右，河床內(nèi)開始出現(xiàn)江心洲，洲長約6km，最寬處2～2.5km，洲面平均高程高于兩側(cè)河床1.5～2m，江心洲的存在使河道分成南北兩汊。下游河段長約5～6km，河寬由4km減至京廣鐵路橋處1km左右，此段河道寬淺多沙，灘槽高差較小，主槽不明顯，斷面不規(guī)整，沙洲基本消失。

2.行洪口門寬度確定

南水北調(diào)中線總干渠與南沙河交叉斷面處，河道被江心洲一分為二，分為南、北兩汊河道。工程所在河段的水流流勢流態(tài)復雜，同時受兩汊河道分流比、沖刷、雍水等因素的影響，口門寬度確定的難度大大增加。為確定合理的口門寬度，本工程先后采用常規(guī)水力學計算、二維水沙數(shù)學模型試驗和動床物理模型試驗等多種方法進行分析。由于常規(guī)水力學計算方法存在較大的局限性，故選用二維水沙數(shù)學模型和動床物理模型試驗成果分析交叉斷面行洪口門寬度的合理性。經(jīng)比較，數(shù)模與物模成果較為接近。受計算機容量限制，數(shù)模剖分網(wǎng)格不能過小，難以準確反映局部細微地形，有一定的概化成分，而物模則能較準確反映某一點的地形變化，經(jīng)綜合比較分析，工程設計采用物理模型計算成果。

根據(jù)“96·8”洪水過后實測洪痕結(jié)果，南沙河洪水過水斷面寬為：南汊寬1400m，其中深槽寬700m，淺灘寬700m；北汊寬1140m，其中深槽寬700m，淺灘寬440m；江心洲水面寬1150m。擬定了4個行洪口布置方案，方案1～方案4的南汊口門寬度分別為1000m、1200m、1200m和800m，北汊口門寬度分別問800m、800m、1000m和1000m。試驗成果見表1。

以上各方案的沖刷深度及壅水高度均隨行洪口門寬度的增大而逐漸降低。對于行洪口門總寬度相同的方案1和方案4，因兩方案在南、北汊河道布置的口門寬度各不相同，引起的沖刷深度和水位壅高值也有所差別，但從整個交叉斷面綜合比較，二者基本相同。方案4在南汊水位壅高值為1.52m，較方案1增加0.21m。從南沙河地形分析，其基本形態(tài)為北高南低，由于北岸為天然高坎，壅水對其防洪影響甚微，而南岸為低洼地帶，壅水對南岸防洪的影響較為敏感，從防洪安全角度考慮，方案1較為合適。

方案2是在方案1的基礎上南汊行洪口門增加200m，與方案1比較，其沖刷和壅水條件均沒有明顯的改善，方案2不合理。

方案3是在方案1的基礎上南、北汊行洪口門各增加200m，相對于方案1，其沖刷深度可降低0.81～1.04m，壅水高度可減少0.27～0.41m，對口門的行洪條件較為有利。為確定口門寬度的最優(yōu)方案，需對方案1和方案3進行綜合比較。

表1 模型試驗行洪口門布置方案

方案3口門寬度較方案1增加400m,需要加長倒虹吸管400m,相應地中間明渠長度縮短400m，綜合考慮堤防加固影響，方案3的增加投資為4885萬元。

綜合以上分析，方案1優(yōu)于方案3，故本工程的口門方案確定為方案1，即南汊河道1000m，北汊河道800m。

3.結(jié)語

在寬淺河道，特別是山前扇形的寬淺河道的水流流勢等邊界條件復雜，常規(guī)計算方法無法準確考慮多種邊界條件的影響，往往需要借助模型試驗加以分析。

由江心洲分割為兩汊河道的行洪口門寬度確定，關(guān)鍵點之一是合理確定兩汊河道的分流比值，其值的合理與否直接影響工程布置、工程安全及工程的經(jīng)濟性?！?/p>

2016-05-06

楊鋒，男，侗族，河北省水利水電第二勘測設計研究院，正高級工程師。