淤積對(duì)倒虹吸的危害及應(yīng)對(duì)措施

孫培學(xué)， 林 平

(1.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088；2.無(wú)錫市河道堤閘管理處，江蘇 無(wú)錫 214023)

1 工程概況

Yan Oya農(nóng)業(yè)灌溉工程的配套工程位于距斯里蘭卡首都科倫坡東北方向300 km左右的Anuradhapura和Trincomalee[1]，該工程主要由長(zhǎng)5.50 km的均質(zhì)土壩、常規(guī)溢洪道、自潰式溢洪道以及左右岸進(jìn)水口組成，總庫(kù)容2.14億m3[2]。配套建設(shè)的Yan Oya 左岸渠道工程接Yan Oya農(nóng)業(yè)灌溉工程的左岸進(jìn)水口，至原已有的Jayantiwew水庫(kù)，為下游左岸農(nóng)田及部分村莊提供灌溉和引用水源。工程設(shè)計(jì)流量8.00 m3/s，全長(zhǎng)18.80 km，主要由明渠、倒虹吸、箱涵、交通橋、水閘等建筑物等組成。工程渠首設(shè)計(jì)水位29.95 m，渠尾入庫(kù)設(shè)計(jì)水位25.50 m。

配套工程中主要建筑物倒虹吸，設(shè)計(jì)流量為7.00 m3/s，總長(zhǎng)4.83 km，可利用水頭差為4.45 m。根據(jù)經(jīng)濟(jì)斷面的判定，倒虹吸過(guò)流斷面采用1孔矩形，底部?jī)魧?.60 m，內(nèi)高2.35 m。因本灌溉渠道沿線地層主要為含細(xì)砂黏土、含泥質(zhì)砂夾層或透鏡體，極易形成淤積，可能影響倒虹吸建筑物的使用和工程設(shè)計(jì)效益的發(fā)揮，因此，進(jìn)行倒虹吸工程的技術(shù)研究非常必要。

2 淤積對(duì)倒虹吸的影響分析

2.1 淤積對(duì)過(guò)流能力的影響

倒虹吸的過(guò)流能力按照我國(guó)行業(yè)規(guī)范《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 482-2011)[3]中公式計(jì)算，即：

倒虹吸進(jìn)口設(shè)計(jì)水位為29.87 m，出口設(shè)計(jì)水位為27.46 m，設(shè)計(jì)水頭損失2.41 m，在保證進(jìn)口、出口水位等不變的情況下，通過(guò)上式計(jì)算，可得到倒虹吸淤泥厚度與過(guò)流能力間的關(guān)系，曲線如圖1所示。

圖1 淤積深度與過(guò)流能力間關(guān)系圖

從圖1中可以看出：

(1)在倒虹吸的上下游水位不變的前提下，淤積深度增加，其過(guò)流能力降低，兩者呈現(xiàn)反比例關(guān)系；

(2)倒虹吸的淤積深度增加至0.47 m時(shí)，其過(guò)流能力降低至5.60 m3/s。隨著淤積深度的繼續(xù)增加，在上下游水位不變的前提下，倒虹吸的過(guò)流能力繼續(xù)降低，小于設(shè)計(jì)流量5.60 m3/s，將影響下游的灌溉及供水需求。

2.2 淤積對(duì)倒虹吸上游水位的影響

同樣按照SL 482-2011[3]中公式計(jì)算，即：

倒虹吸設(shè)計(jì)流量為7.00 m3/s，下游設(shè)計(jì)水位為27.46 m。在保證其不變的條件下，計(jì)算可得到倒虹吸淤泥厚度與上游水位間的關(guān)系，曲線如圖2所示。

圖2 淤積深度與上游水位間關(guān)系圖

從圖2中可以看出：

(1)在倒虹吸的設(shè)計(jì)流量及下游水位不變的前提下，淤積深度增加，過(guò)流斷面面積減小，其上游水位雍高，兩者呈現(xiàn)正比例關(guān)系，且呈現(xiàn)明顯的非線性；

(2)倒虹吸的淤積深度增加至0.15 m時(shí)，其上游水位雍高至30.37 m。繼續(xù)淤積，其上游水位將超過(guò)其正常設(shè)計(jì)水位30.37 m，影響上游的渠道和渠系建筑物的運(yùn)行安全。

2.3 淤積對(duì)倒虹吸下游水位的影響

計(jì)算公式同上。倒虹吸設(shè)計(jì)流量7.00 m3/s，上游設(shè)計(jì)水位為29.87 m，在保證其不變的條件下，計(jì)算可得到倒虹吸淤泥厚度與下游水位間的關(guān)系，曲線如圖3所示。

圖3 淤積深度與下游水位間關(guān)系圖

從圖3中可以看出：

(1) 在倒虹吸的設(shè)計(jì)流量及上游水位不變的前提下，淤積深度增加，過(guò)流斷面面積減小，其下游水位降低，兩者呈現(xiàn)反比例關(guān)系，且呈現(xiàn)明顯的非線性；

(2) 倒虹吸的淤積深度增加至0.20 m時(shí)，其下游水位降低至27.27 m。繼續(xù)淤積，其下游水位將低于其設(shè)計(jì)水位27.27 m，影響下游的渠道運(yùn)行和整個(gè)工程效益的發(fā)揮。

3 設(shè)計(jì)解決淤積的影響

以上分析表明，倒虹吸的淤積對(duì)倒虹吸的運(yùn)行狀態(tài)以及所在的整個(gè)工程影響較大，對(duì)總體工程，既可能產(chǎn)生安全問(wèn)題，也可能影響工程效益的發(fā)揮，必須在工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)中采取措施予以解決。除加強(qiáng)工程管護(hù)之外，在渠道工程的設(shè)計(jì)中還需要完善一些工程措施。

3.1 上游草皮護(hù)坡

倒虹吸上游部分渠道主要以挖方為主，部分渠道存在深開(kāi)挖。渠道設(shè)計(jì)中，采用C20混凝土襯砌護(hù)坡護(hù)底，襯砌高度至正常設(shè)計(jì)水位以上0.50 m，再往上至原地面高程開(kāi)挖坡面采用草皮護(hù)坡，以防止沖刷形成水土流失，減小渠道水流的含砂量。渠道一側(cè)的交通道路為泥結(jié)石路面，路面反向設(shè)計(jì)坡，防止坡面雨水匯集渠道。同時(shí)，兩岸采用植樹(shù)固土等涵養(yǎng)措施，如圖4所示 。

圖4 倒虹吸上游渠道典型斷面圖

3.2 進(jìn)口及上游渠道設(shè)置沉砂池

在倒虹吸進(jìn)水口前設(shè)沉砂池，以使上游河床沖刷泥砂及水流中大顆粒泥砂淤積在沉砂池內(nèi)，減小進(jìn)入倒虹吸內(nèi)的泥砂量。沉砂池寬2.6 m，池長(zhǎng)12.0 m，深度0.5 m。要求對(duì)池內(nèi)淤積的泥砂定期清理。同時(shí)，在上游渠道中設(shè)置沉砂池兩座，池寬6.0 m，凈長(zhǎng)22.0 m，上下游漸變段10.0 m，池深1.0 m左右，詳細(xì)布置如圖5所示。

圖5 渠道沉砂池平面圖

3.3 設(shè)置沖砂及排砂建筑物

倒虹吸的泥砂淤積問(wèn)題應(yīng)該防治結(jié)合。利用距倒虹吸起點(diǎn)約3.32 km處的天然溝渠，在溝渠前約30.00 m處設(shè)置沖砂閘，如圖6所示。進(jìn)口高程與該處銜接的倒虹吸底高相同，為19.30 m，出口處設(shè)置消力池，池總長(zhǎng)15.00 m，寬3.00 m，深1.25 m，其后新開(kāi)挖約37.00 m平順銜接至原天然溝渠。

圖6 倒虹吸沖砂閘平面圖

4 結(jié)束語(yǔ)

(1) 倒虹吸的淤積深度增加，過(guò)流能力降低。淤積深度增至0.47 m時(shí)，過(guò)流能力降低至5.60 m3/s；進(jìn)一步淤積，過(guò)流能力將小于設(shè)計(jì)值。倒虹吸的淤積深度增加，進(jìn)口水位雍高，淤積深度增至0.15 m時(shí)，上游水位雍高至30.37 m，進(jìn)一步淤積，上游水位將超正常設(shè)計(jì)水位。倒虹吸的淤積深度增加，下游水位降低，深度增至0.20 m時(shí)，出口水位降低至27.27 m，進(jìn)一步淤積，下游水位將小于設(shè)計(jì)水位。

(2) 減小淤積對(duì)倒虹吸運(yùn)行的影響，可在倒虹吸上游的渠道設(shè)置沉砂池、上游渠道實(shí)施護(hù)襯，結(jié)合工程實(shí)際條件設(shè)置沖砂及排砂建筑物，以及定期排出倒虹吸內(nèi)的淤積泥砂等工程管護(hù)措施。