七里莊西溝防洪工程對總干渠的影響

馬靜輝

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

1 工程概況

七里莊西溝排水倒虹吸下游防洪工程為南水北調(diào)京石段防洪影響處理工程（保定市段）項目之一。

七里莊西溝為兩溝合一型河溝，溝溝合并前主溝50年一遇洪水洪峰流量47m3/s，倒虹吸工程建成后50年一遇洪水洪峰流量53m3/s。海漫段底高程56.0m，溝底地面高程56～57m，河溝兩側(cè)地面高程61.5m。倒虹吸下游40m為北易水灌渠，渠頂高程61.6～62.0m，渠底高程60.8m?？偢汕笥业添敻叱叹鶠?4.24m。

北易水灌渠本段基本與總干渠平行，七里莊西溝穿易水干渠交叉建筑物為單孔1.1m×1.3m（寬×高）漿砌石拱涵結(jié)構(gòu)。

為保證洪水順利下泄，按50年一遇洪水標準重建穿北易水灌渠涵洞。涵洞采用2孔一聯(lián)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單孔斷面尺寸2.5m×2.5m，長20m。北易水灌渠涵洞軸線兩側(cè)各10m范圍采用0.3m厚漿砌石防護。涵洞進出口各20m范圍河道，采用0.3m厚漿砌石進行全斷面襯砌。

2 防洪工程不實施原因

七里莊西溝排水倒虹吸下游防洪工程是擴建穿北易水灌渠涵洞，當發(fā)生50年一遇洪水標準時，保證洪水順利下泄，保護北易水灌渠的安全。防洪工程實施時，地方反映北易水灌渠現(xiàn)已無灌溉功能，現(xiàn)狀處于基本廢棄狀態(tài)，因此建議取消防洪工程。

為保障南水北調(diào)總干渠安全，在防洪工程不實施的情況下，按現(xiàn)狀條件對倒虹吸進出口水位重新進行驗算、復核。

3 倒虹吸進出口水位復核

3.1 倒虹吸出口水位復核

為分析七里莊西溝防洪影響工程對七里莊西溝行洪及南水北調(diào)中線總干渠安全造成影響，根據(jù)區(qū)域地形等相關(guān)條件，采用二維水動力DHI MIKE21模型進行計算，模擬現(xiàn)狀條件下七里莊西溝的行洪過程。

3.1.1 二維模型建立

本次建立模型范圍主要為七里莊西溝、七里莊溝附近地區(qū)，邊界由南水北調(diào)中線總干渠、高易鐵路、供電公司宅基、七里莊村南側(cè)田間路等組成。南部以高易鐵路為界，西起七里莊西溝以西250m，東至易縣供電公司以南，長度1200m；北部以南水北調(diào)中線總干渠為界，西起七里莊西溝以西250m，東至易縣供電公司，長度1000m；西部以田間路為界，長度200m；東部以易縣供電公司和九江石材廠房基為界，長400m。模型范圍總面積0.3km2。

3.1.2 地形剖分及糙率采用

3.1.2.1 地形剖分

對模擬區(qū)域進行非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格高程代表網(wǎng)格范圍的地形平均高程，而方程解則是網(wǎng)格中心的特征值。三角形網(wǎng)格邊長不超過25m，最大網(wǎng)格面積不超過200m2；模型區(qū)域共剖分了4747個網(wǎng)格單元。

3.1.2.2 糙率

結(jié)合實際并參照以往相關(guān)設(shè)計文件采用糙率情況，河槽糙率取0.025，農(nóng)田、道路糙率取0.05。

3.1.3 內(nèi)部邊界條件

計算區(qū)域內(nèi)高出地面的堤防及村莊房屋等對洪水起到阻擋作用，在計算區(qū)內(nèi)部形成阻水邊界。模型中堤防圍埝按兩種類型處理，一是可潰決堤防，當擋水位與堤頂相平時，堤防自動潰決；二是非潰決堤防，當水位高于堤頂時，洪水漫流。

本次模擬中設(shè)置北易水灌渠堤防兩處，分別位于北易水灌渠兩岸，均屬于非潰決堤防。

3.1.4 計算成果

通過分析計算，七里莊西溝洪水受北易水灌渠堤防頂托作用，漫出河槽向東南方向演進，一部分洪水漫過廢棄的高易鐵路下泄，一部分繼續(xù)向東通過七里莊溝鐵路橋下泄。七里莊西溝排水倒虹吸出口50年一遇設(shè)計水位61.56m，200年一遇設(shè)計水位61.70m。

3.2 倒虹吸進口水位復核

3.2.1 計算方法

倒虹吸進口水位，采用SL482—2011《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計規(guī)范》附錄C公式，根據(jù)出口水位進行計算。

倒虹吸管過流能力采用SL482—2011《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計規(guī)范》公式計算。

式中 Q為管道的泄流量；μ為流量系數(shù)；ω為管道出口的橫斷面積；ΔZ2為進口漸變段末端斷面至管道出口斷面的水面落差；g為重力加速度；ω2為進口漸變段末端的過水面積；Ci為管身計算段水流的舍齊系數(shù)；Ri為管身計算段水流的水力半徑；R為斷面水力半徑；Li為管身計算段水流的管長；ωi為管身計算段水流的橫斷面積；n為邊壁糙率；v為管道的斷面平均流速；v2為進口漸變段末斷面的平均流速；ξi為某一局部水頭損失系數(shù)。

3.2.2 進口水位復核

根據(jù)倒虹吸出口水位及結(jié)構(gòu)尺寸，計算倒虹吸進口50年一遇設(shè)計洪水位62.67m，200年一遇校核洪水位63.79m。

4 總干渠左右堤堤頂高程復核

為防止河道洪水漫溢進入渠道，總干渠防洪標準與相鄰排水建筑物的洪水標準相同。七里莊西溝流域面積2.55km2，小于20km2，屬于小河溝渠段，左排及總干渠渠道按50年一遇洪水設(shè)計，200年一遇洪水校核。

小型河溝范圍內(nèi)的總干渠渠道防洪堤頂高程應(yīng)滿足以下要求，則：

式中 Z設(shè)為渠堤外設(shè)計洪水位，即50年一遇洪水位；Z校為渠堤外校核洪水位，即200年一遇洪水位。

根據(jù)倒虹吸進出口50年一遇設(shè)計水位和200年一遇校核水位計算結(jié)果，按照小型河溝范圍內(nèi)的渠道防洪堤堤頂高程確定原則，設(shè)計水位加1m，校核水位加0.5m，取兩者較大者。

根據(jù)計算，七里莊西溝排水倒虹吸左堤堤頂高程64.29m，右堤堤頂高程62.56m，此處總干渠左右堤頂高程均為64.24m。

5 結(jié)語

（1）取消七里莊西溝排水倒虹吸下游防洪工程后，考慮現(xiàn)狀條件下七里莊西溝的行洪過程，北易水灌渠底部單孔1.1m×1.3m涵洞行洪通暢，總干渠右堤滿足安全加高要求，左堤200年一遇設(shè)計水位63.79m，加上安全超高0.5m后64.29m，僅僅與現(xiàn)狀堤頂高程64.24m高出5cm，洪水不漫堤，基本對總干渠安全影響不大。

（2）采用二維水動力DHI MIKE21模型進行計算時，內(nèi)部邊界條件計算區(qū)域內(nèi)，模擬中設(shè)置北易水灌渠堤防屬于非潰決堤防。北易水灌渠堤防高程由西往東逐漸降低，由62.0m逐漸降到61.0m，由于此區(qū)域內(nèi)200年一遇洪水位為61.7m，北易水灌渠堤防為土質(zhì)結(jié)構(gòu)，洪水漫頂過流后，灌渠堤防會逐漸產(chǎn)生潰決，隨著潰決加大，倒虹吸出口水位降低，滿足防洪超高要求。