北趙引黃二期工程倒虹擴(kuò)容設(shè)計(jì)方案比選

葉雄俊

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原030024）

運(yùn)城市北趙引黃灌區(qū)二期工程位于臨猗、萬榮、鹽湖、聞喜四縣（區(qū)）境內(nèi)，主要解決以上四縣（區(qū)）的峨嵋臺(tái)地旱地問題。該區(qū)域水資源缺乏，耕地?zé)o法灌溉，通過興建北趙引黃二期工程，可以充分利用北趙引黃工程現(xiàn)有的水利設(shè)施，有效地解決灌區(qū)干旱缺水問題，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

當(dāng)灌區(qū)擴(kuò)建所需的水量增加時(shí)，首先需要對(duì)原有輸水渠道及配套渠系建筑物重新進(jìn)行水力復(fù)核計(jì)算，分析改擴(kuò)建的必要性。本文主要計(jì)算分析干渠渠道建筑物倒虹吸的改擴(kuò)建方案。

1 工程概況

運(yùn)城市北趙引黃工程（為了便于區(qū)分將其簡稱為一期工程）位于山西省運(yùn)城市西北部的萬榮縣、臨猗縣和河津市境內(nèi)，主要建設(shè)內(nèi)容是在萬榮、臨猗兩縣的峨嵋臺(tái)地上新發(fā)展3.4萬hm2灌區(qū)（其中改善面積0.28萬hm2），設(shè)計(jì)流量15.06 m3/s。

灌區(qū)范圍為：南部與臨猗縣回龍和夾馬口北擴(kuò)兩灌區(qū)相接，北部與萬榮縣西范灌區(qū)相鄰，西至黃（汾）河階地，東達(dá)孤山東側(cè)。受益區(qū)域涉及萬榮和臨猗兩縣11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、122個(gè)行政村、18.03萬人。

一期工程的水源來自于山西省禹門口一級(jí)站改擴(kuò)建工程，通過清水復(fù)流北趙聯(lián)接段工程的渠道和汾河主河道將水送至汾河廟前進(jìn)水閘，引至廟前一級(jí)站前池。所涉及的灌區(qū)工程主要包括三級(jí)五站和干、支骨干渠道。三級(jí)五站為廟前一級(jí)站、謝村二級(jí)站、南干二級(jí)站、北干三級(jí)站和中干三級(jí)站。三級(jí)五站累計(jì)設(shè)計(jì)揚(yáng)程380.5 m，共安裝機(jī)組24臺(tái)，總裝機(jī)容量73 515 kW。灌區(qū)干渠總長98.834 km，其中總干渠長7.732 km，北干渠長15.613 km，中干渠長32.489 km，南干渠長30.66 km。南分干渠有3條，共長12.34 km。萬畝支渠有19條，共長105.34 km。

北趙引黃二期工程是在一期工程的基礎(chǔ)上，將灌區(qū)范圍向北、向東延伸，涉及臨猗、萬榮、鹽湖、聞喜四縣（區(qū)），分別從一期工程的中干渠、北干渠及南干渠取水，新發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉面積1.467萬hm2，其中臨猗0.155萬hm2、萬榮0.395萬hm2、鹽湖區(qū)0.483萬hm2、聞喜0.434萬hm2。同時(shí)，改善一期工程中的灌溉面積0.546萬hm2。受益區(qū)涉及四縣區(qū)十個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。包括臨猗縣北辛鄉(xiāng)，萬榮縣南張、萬泉、漢薛、皇甫4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，鹽湖區(qū)上郭、三路里、上王3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，聞喜縣郭家莊和神柏2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

為了新發(fā)展的1.467萬hm2農(nóng)業(yè)灌溉面積，需要擴(kuò)建一期工程中干渠渠道27.44 km及附屬建筑物，新建二期工程干渠37.07 km及附屬建筑物。

其中一期工程中干渠渠道有四座建筑物原設(shè)計(jì)為渡槽，后因工期原因改為倒虹，分別為焦家營倒虹、新寺莊倒虹、袁家莊倒虹和馬家莊倒虹。變更后中干渠渠道的過流能力已經(jīng)達(dá)不到原先設(shè)計(jì)流量，詳見水力計(jì)算分析。

2 水力計(jì)算分析

渡槽改倒虹的位置分別為焦家營倒虹、新寺莊倒虹、袁家莊倒虹和馬家莊倒虹，倒虹均采用鋼管，管內(nèi)徑為1.8 m，管道長度分別為114.8 m、389.6 m、136.52 m和219.5 m。

經(jīng)水力計(jì)算分析，通過對(duì)比倒虹現(xiàn)狀過流能力和通過設(shè)計(jì)流量時(shí)的水頭損失，確定倒虹擴(kuò)容改建的可行性和必要性。

1）倒虹吸水力學(xué)計(jì)算公式

倒虹吸過流能力計(jì)算采用《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL482-2011）附錄C中有關(guān)公式。倒虹吸管的總水頭損失計(jì)算公式為：

倒虹吸過流能力計(jì)算公式為：

式中：Q——倒虹吸管道流量，m3/s；

hj——倒虹吸管局部水頭總損失，m；

hf——倒虹吸管沿程阻力總水頭損失，m；

ξ——局部水頭損失系數(shù)；

C——管身計(jì)算段水流謝才系數(shù)；

R——管身計(jì)算段水流的水力半徑；

L——管身計(jì)算段管長，m；

μ——流量系數(shù)；

ω——倒虹吸管道出口橫斷面積，m2；

ω2——進(jìn)口漸變段末端的過水面積，m2；

g——重力加速度，m/s2；

ΔZ2——進(jìn)口漸變段末端斷面至管道出口斷面的水面落差，m；

v——倒虹吸管道斷面的平均流速，m/s；

2）倒虹現(xiàn)狀過流能力計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)狀，原來的渡槽進(jìn)出口渠道早已施工完成。為了維持現(xiàn)狀，在不產(chǎn)生壅水和額外加高渠道的前提下，每個(gè)倒虹的過流能力計(jì)算結(jié)果如表1。

3）倒虹設(shè)計(jì)流量下水頭損失計(jì)算

設(shè)計(jì)流量為5.28 m3/s時(shí)，各倒虹水頭損失見表2。

由表1和表2分析可知，現(xiàn)有焦家營倒虹、袁家莊倒虹和馬家莊倒虹均不能滿足設(shè)計(jì)流量要求，即當(dāng)來水為設(shè)計(jì)流量5.28 m3/s時(shí)，會(huì)出現(xiàn)進(jìn)口渠道水位上升，上升到一定高度，即滿足倒虹過流損失時(shí)，才能通過設(shè)計(jì)流量5.28 m3/s。

依據(jù)中干渠渠道的斷面，設(shè)計(jì)水深為1.76 m，設(shè)計(jì)渠深為2.4 m。在沒有經(jīng)過工程處理，通過設(shè)計(jì)流量時(shí)，焦家營倒虹、袁家莊倒虹和馬家莊倒虹這3座倒虹進(jìn)口渠道水深分別是2.33 m、2.31 m和2.48 m，已經(jīng)接近渠頂或超過渠頂。同時(shí)，因?yàn)樵仪f倒虹進(jìn)口渠道存在壅水和回水問題，而新寺莊倒虹由于與袁家莊倒虹距離很近，導(dǎo)致新寺莊倒虹進(jìn)出口渠道也出現(xiàn)壅水現(xiàn)象，從而可能導(dǎo)致工程事故；若按正常渠道水深運(yùn)行的話，倒虹的過流能力不能滿足一、二期工程流量要求，因此需要對(duì)渡槽改倒虹后產(chǎn)生的問題重新進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，既要滿足安全運(yùn)行的條件，也要滿足擴(kuò)建后的流量要求。

表1 倒虹現(xiàn)狀過流能力復(fù)核表

表2 倒虹設(shè)計(jì)流量下水頭損失表

3 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)倒虹擴(kuò)容改建，本次設(shè)計(jì)考慮三種方案，分別是渠道加高、增加倒虹管道和更換現(xiàn)有倒虹管道。

3.1 方案一：渠道加高方案

1）水力學(xué)計(jì)算

通過渠道水位銜接計(jì)算，水流通過倒虹時(shí)產(chǎn)生水頭損失。當(dāng)流量增加時(shí)，會(huì)在倒虹進(jìn)口形成壅水，上游渠道產(chǎn)生非均勻流，水位為M1壅水曲線。需要進(jìn)行非均勻流水面線計(jì)算，采用分段求和法，從渠道尾部向上游推算，計(jì)算公式見式4，倒虹設(shè)計(jì)流量水頭損失見表2。

式中：Q——流量，m3/s；

g——重力加速度，m/s；

α——?jiǎng)幽苄拚禂?shù)；

Δs——兩個(gè)的間距，m；

n——渠道糙率，n=0.015；

hp——各斷面的水深，m；

Ap——各斷面的過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

Rp——各斷面的水力半徑，m；

Jp——各斷面的水力坡度；

i——渠道的水力坡度和底坡。

計(jì)算結(jié)果見表3，表中只反映4座倒虹前有影響的渠道。

2）渠道加高設(shè)計(jì)

一期工程中干渠渠道為弧底梯形斷面，受影響的渠段底弧半徑為1.3 m，圓心角90°，內(nèi)邊坡系數(shù)為1∶1，渠深1.9 m。由于擴(kuò)建流量增加及渡槽改倒虹后引起的水位壅高，需對(duì)有影響的渠道進(jìn)行加高。

渠道加高在考慮不產(chǎn)生新的永久占地和盡量減小對(duì)巡渠路寬度的影響情況下，采用在渠頂現(xiàn)澆L型C25鋼筋混凝土擋墻，墻背后回填水泥土，擋墻頂寬0.3 m，擋墻高度根據(jù)雍水影響范圍及雍水高度確定，擋墻底寬1.0 m，底板厚0.3 m。深挖方渠段墻后水泥土回填至渠頂開挖坡腳，填方段渠道水泥土回填至原渠道坡腳，如圖1所示。

3.2 方案二：增加倒虹管道或更換現(xiàn)有倒虹管道方案

在不改變原有的倒虹管道情況下，再增加一條倒虹管道以增加過流能力，同時(shí)在倒虹的進(jìn)出口分別設(shè)置進(jìn)口閘和出口閘以方便運(yùn)行管理。

經(jīng)復(fù)核計(jì)算，保持原有一根倒虹管道不變，另外再增加一根1.8 m的倒虹管，過流能力和水頭損失見表4。

3.3 方案三：更換現(xiàn)有倒虹管道方案

為滿足過流能力要求，現(xiàn)拆除原有的倒虹管道，改為一條更大直徑的管道。倒虹水力計(jì)算結(jié)果見表5。

表3 渠道加高計(jì)算成果表

圖1 加高渠道斷面圖

表4 增加管道后倒虹過流能力復(fù)核表

表5 更換管道后倒虹過流能力復(fù)核表

4 方案比選

以上三種方案在技術(shù)上均可以實(shí)現(xiàn)，優(yōu)缺點(diǎn)如下：

方案一，渠道加高方案，其優(yōu)點(diǎn)是施工簡單，不存在技術(shù)難度，投資（2 393萬元）較高。其缺點(diǎn)：1）倒虹壅水造成現(xiàn)有2號(hào)和4號(hào)隧洞內(nèi)水深超過混凝土襯砌的直墻段（直墻高2.0 m）進(jìn)入到磚拱支護(hù)段，原有磚拱需拆除換為混凝土初砌。2）倒虹壅水后造成渠道流速減小，加速泥沙淤積。3）增加原有的高填方段渠道運(yùn)行安全隱患。

方案二，其優(yōu)點(diǎn)是投資（614萬元）少，便于管理運(yùn)行，大流量時(shí)雙管運(yùn)行，小流量時(shí)單管運(yùn)行；增加倒虹其缺點(diǎn)是需要重新對(duì)倒虹進(jìn)出口進(jìn)行改造，新管道施工時(shí)需要新增加占地。

方案三，更換倒虹管道方案的優(yōu)點(diǎn)是不增加新的占地；其缺點(diǎn)是投資（8 318萬元）太大，且小流量運(yùn)行時(shí)由于流速低，容易引起泥沙淤積，管理運(yùn)行不便。

根據(jù)以上計(jì)算分析和優(yōu)缺點(diǎn)比較，方案二投資成本最少，且在工程運(yùn)行管理方面具有優(yōu)勢，故本次推薦方案二：增加倒虹管道。

5 結(jié)論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，灌區(qū)擴(kuò)建在近幾年較為常見。如何能夠做到既滿足擴(kuò)建工程技術(shù)上可行，又能節(jié)省資金，需要從多角度分析討論。本文為灌區(qū)擴(kuò)建倒虹工程提供了一個(gè)設(shè)計(jì)思路，提供了較為詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)分析，給以后類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)。