北拒馬河南支河道總干渠倒虹吸上下游段水面線分析

王巖波

（河北供水有限責(zé)任公司，石家莊 050000）

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

北拒馬河南支河道總干渠倒虹吸工程位于涿州市趙家鋪村東， 是南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程總干渠上的主要輸水建筑物。建筑物全長815m。相應(yīng)口門寬度為600m。工程等別為Ⅰ等，主體建筑物為1級(jí)，設(shè)計(jì)流量60m3/s，加大流量70m3/s，防洪標(biāo)準(zhǔn)為河道100年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核，100年一遇洪峰流量3290m3/s，300 年一遇洪峰流量4520m3/s，建筑物地震設(shè)計(jì)烈度為7度。交叉斷面以上總流域面積4966km2， 渠線與北拒馬河南支水流方向呈67°交角［1］。

2012年“7·21”洪水過后，為保護(hù)倒虹吸管身的安全，實(shí)施了管身段應(yīng)急工程，應(yīng)急工程于2015年已實(shí)施完成，主要是對(duì)主槽段管身進(jìn)行了防護(hù)，防護(hù)范圍為：垂直水流440m，順?biāo)?4.8m，其中建筑物軸線上游31.45m，下游43.35m。 水平防護(hù)要求主槽段回填至高程60.1m，灘地段回填至高程62.1m。

擬建工程將結(jié)合2012年“7·21”洪水后防護(hù)，主要對(duì)倒虹吸進(jìn)、出導(dǎo)流堤下游及左、右岸灘地管身段進(jìn)行防護(hù)，以減少倒虹吸部位的河道沖刷，保護(hù)倒虹吸的安全，確保南水北調(diào)中線工程供水體系的正常運(yùn)行。

1.2 河道現(xiàn)狀

根據(jù)測(cè)量地形資料可知， 北拒馬河南支倒虹吸軸線上游115m和下游100m存在連續(xù)深坑。 其中北拒馬河南支倒虹吸上游形成一個(gè)連續(xù)長度約4.5km的深坑河段， 下游形成2個(gè)長度共約8.75km的深坑河段，共有3個(gè)大的深坑河段。其中倒虹吸上、下游河段河道縱斷如圖1。

圖1 北拒馬河南支倒虹吸上、下游河段河道縱斷圖

緊鄰北拒馬河南支倒虹吸上游第一個(gè)連續(xù)深坑上緣距離倒虹吸軸線115m， 樁號(hào)0+100～0+4600間約4.5km低洼河段，深坑寬約70～770m；河段河底高程由60.96～66.78m下降至38.33～62.66m， 河底縱坡由采砂前的0.13%增至0.4%，深坑最大深度達(dá)27m左右。

緊鄰北拒馬河南支倒虹吸下游第一個(gè)連續(xù)深坑上緣距離倒虹吸軸線約100m， 即樁號(hào)-（0+100），樁號(hào)-（0+100）～-（3+000） 間的2.87km低洼河段河底高程由47.86～56.96m下降至28.17～47.65m，河底縱坡由采砂前的0.43%驟增至1.07%， 沙坑最大深度達(dá)26m左右。

下游第二個(gè)連續(xù)深坑上緣位于北拒馬河南支倒虹吸軸線下游約3200m處，即樁號(hào)-（3+200），樁號(hào)-（3+200）～-（9+050）間的5.85km的低洼河段河底高程由22.33～46.08m下降至21～26.84m，深坑最大深度達(dá)30m左右。

現(xiàn)階段河道地形較2012年實(shí)測(cè)地形發(fā)生了變化，交叉斷面上下游深坑范圍進(jìn)一步加大，距倒虹吸更近，深度更深。

為了分析北拒馬河南支渠道倒虹吸處及上下游河道的現(xiàn)狀水面線情況，需對(duì)河道水面線進(jìn)行推算。本次計(jì)算了渠道倒虹吸處上下游河段的5～300年一遇洪水及小流量洪水100m3/s和200m3/s的洪水位。

2 計(jì)算方法及條件

2.1 計(jì)算方法

推求河段某個(gè)斷面處某一流量下的水位， 據(jù)此可連接出一條對(duì)應(yīng)于該流量的水面曲線［2］。 采用恒定非均勻流計(jì)算方法推算天然河道水面線，公式為［3］：

式中 n為河床糙率；ω為過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；R為過水?dāng)嗝嫠Π霃剑╩）。

倒虹吸位置上下游河段水位采用常規(guī)水力學(xué)恒定非均勻流水面線法推算。2021年9月對(duì)南水北調(diào)中線總干渠倒虹吸上、 下游共計(jì)7.5km的河段進(jìn)行了縱、橫面測(cè)量，其中上游3.5km，下游4.0km，共計(jì)實(shí)測(cè)橫斷面46個(gè)。

該河段現(xiàn)狀采砂較為嚴(yán)重， 水面線推算過程中的斷面數(shù)據(jù)采用2021年9月實(shí)測(cè)的河道縱、橫斷面資料。 為反映交叉斷面倒虹吸上、 下游的水位跌落情況，根據(jù)河道實(shí)際地形，現(xiàn)狀水面線從下游至上游分2段分別進(jìn)行推算。由于倒虹吸下游100m為坎上和坎下的分界，因此第一段為坎下范圍，即交叉斷面下游100m至倒虹吸下游第一個(gè)深坑群的末端； 第二段為坎上范圍，即交叉斷面上游3.5km至交叉斷面倒虹吸處下游100m處。

水面線采用美國“HEC-RAS5.0.3”計(jì)算軟件，計(jì)算北拒馬河南支渠道倒虹吸工程上下游河道范圍內(nèi)的現(xiàn)狀水面線。

2.2 計(jì)算條件

2.2.1 設(shè)計(jì)流量

北拒馬河南支設(shè)計(jì)洪峰流量有初步設(shè)計(jì)階段已批復(fù)成果和2017年《大清河流域設(shè)計(jì)洪水復(fù)核報(bào)告》洪水成果。 對(duì)比張坊站初設(shè)階段的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)洪水成果，2017年批復(fù)的《大清河流域設(shè)計(jì)洪水復(fù)核報(bào)告》中，50～300年的高標(biāo)準(zhǔn)洪水成果與初步設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)洪水成果基本一致，3～20年一遇的中低標(biāo)準(zhǔn)洪水較初步設(shè)計(jì)階段成果減小13%～43%， 張坊站不同標(biāo)準(zhǔn)洪水成果對(duì)比如表1。南水北調(diào)中線總干渠與北拒馬河南支交叉建筑物為1級(jí)建筑物， 按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核。

表1 張坊站設(shè)計(jì)洪峰流量成果對(duì)比

考慮到工程設(shè)計(jì)洪水的安全性、 連續(xù)性和一致性，防護(hù)工程不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪水成果推薦采用《南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程（石家莊至北拒馬河段）初步設(shè)計(jì)報(bào)告》（2004年7月）成果。北拒馬河南支采用洪峰流量如表2。

表2 北拒馬河南支設(shè)計(jì)洪水成果

2.2.2 河道糙率選取

糙率是反映河流阻力的綜合性參數(shù)， 也是衡量河流能量損失大小的一個(gè)特征量， 根據(jù)水流和河槽狀況而變化。隨著河槽邊壁粗糙程度不同，灘地植被的差異及河槽形態(tài)的變化，糙率也在變化。

2012年8月本院完成《拒馬河淶源縣豐樂村～冀京界段治導(dǎo)線規(guī)劃》，該報(bào)告根據(jù)拒馬河2012年“7·21”洪水過程和實(shí)測(cè)斷面紅痕水位對(duì)拒馬河河道糙率進(jìn)行了率定，確定拒馬河綜合糙率為0.04。 2012年“7·21”洪水過程，拒馬河洪水標(biāo)準(zhǔn)在紫荊關(guān)附近相當(dāng)于20年一遇， 淶水縣店上至白澗段介于10～20年一遇，白澗以下河段不足10年一遇。 由于2012年實(shí)測(cè)拒馬河洪水標(biāo)準(zhǔn)偏低，率定糙率成果偏大，且本段河道在拒馬河下游，邊界條件與拒馬河不一致，所以本次復(fù)核未采用2012年拒馬河率定糙率成果。 根據(jù)河道現(xiàn)狀和地質(zhì)資料，本次糙率分灘槽進(jìn)行選取，主槽糙率20年防洪標(biāo)準(zhǔn)以下采用0.03，50年防洪標(biāo)準(zhǔn)以上取0.025，灘地糙率取0.07。

2.2.3 起推水位

本河段無實(shí)測(cè)水位～流量關(guān)系資料，施測(cè)河段內(nèi)無控制性工程。 第一段交叉斷面下游100m至倒虹吸下游第一個(gè)深坑群的末端， 起推斷面采用倒虹吸下游第一個(gè)深坑群的末端即涿淶路處斷面， 實(shí)測(cè)斷面樁號(hào)-（3+000）處，由于涿淶路與下游深坑坑底高差較大，因此起推斷面的水位采用堰上水頭（即臨界水深）。 第二段范圍為交叉斷面上游3.5km至交叉斷面倒虹吸下游100m處，起推斷面采用倒虹吸下游100m處斷面，即實(shí)測(cè)斷面樁號(hào)-（0+100）處，由于倒虹吸下游100m與下游第一個(gè)深坑坑底高差較大，起推斷面處水位采用堰上水頭 （即臨界水深）進(jìn)行計(jì)算。

3 水面線結(jié)果

根據(jù)前述的計(jì)算方法和條件，以樁號(hào)-（0+100）為界，河道坎上、坎下兩段河段分別自下游向上游推求水面線， 在計(jì)算軟件中輸入包括斷面數(shù)據(jù)、 糙率、 流量等指標(biāo)。 本文選取倒虹吸上下游各500m范圍內(nèi)的洪水位計(jì)算結(jié)果， 不同標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 北拒馬河南支河道總干渠倒虹吸上下游河段水面線結(jié)果 單位：m

4 結(jié)語

北拒馬河南支交叉斷面倒虹吸上游115m和下游100m存在連續(xù)深坑，與倒虹吸之間形成跌坎。進(jìn)行水位分析時(shí)，交叉斷面坎上河道流態(tài)為緩流，在重力作用下，靠近跌坎斷面，水流流速增加，流線彎曲，水流流態(tài)由恒定流向急變流轉(zhuǎn)變［4］，水面線從坎上水深跌至坎下，形成跌水。本次分段采用恒定非均勻流計(jì)算方法，解決了坎上和坎下水位跌落的問題。倒虹吸交叉斷面及上下游水位如表3。 倒虹吸樁號(hào)-（0+100）～-（0+200）處，跌坎上下河底高程相差14.62m，各標(biāo)準(zhǔn)水位差為5.42～11.02m。 各標(biāo)準(zhǔn)跌坎處水位差如表4。

表4 拒馬河南支交叉斷面跌坎處水位差 單位：m

由表4看出，坎上和坎下的水位差從低標(biāo)準(zhǔn)至高標(biāo)準(zhǔn)水位差逐漸減小，因此要特別關(guān)注中、低標(biāo)準(zhǔn)洪水跌落對(duì)工程的影響。 跌水伴隨著大量勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化，具有能量大和沖刷劇烈等特征［5］。 因此，要采取一定的防護(hù)措施，消除跌水影響，保護(hù)倒虹吸的安全運(yùn)行。