滄河渠道倒虹吸工程行洪口門寬度試驗(yàn)研究

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簡(jiǎn)介： 在寬淺式河道上修建穿河倒虹吸工程，行洪口門寬度是影響建筑物投資和安全的決定因素。結(jié)合滄河渠道倒虹的工程情況，在數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)上，運(yùn)用河工模型試驗(yàn)，對(duì)穿河工程附近河道的壅水和沖刷進(jìn)行研究，推薦了670m口門寬度方案。對(duì)同類工程設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。
關(guān)鍵字：倒虹吸 行洪口門 壅水 河床沖刷 河工模型試驗(yàn)

　　Abstract:When the inverted siphon project is constructed on the wide-shallow channel,the width of the opening for flood discharge is the determinative factor to affect the investment and safety of the structure concerned.Base on the site condition for the construction of Canghe River inverted siphon project,the effects of the riverbed backwater and erosion are described through the using of hydraulic model after mathematics model, and then alternative plan with the opening width of 670m is recommended ,which provide the similar project design with an important reference value。

　　Key words: inverted siphon; flood discharge opening; backwater; erosion; hydraulic model

　　1 工程概況

　　滄河渠道倒虹吸工程位于河南省衛(wèi)輝市安都鄉(xiāng)馬林莊北約300m處，是南水北調(diào)中線工程總干渠穿越滄河的重要交叉建筑物。初設(shè)建筑物總長(zhǎng)852m，渠道設(shè)計(jì)流量250m3/s，加大流量300m3/s，渠道縱坡1/28000。倒虹吸的主體工程為1級(jí)建筑物，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計(jì)，300年一遇校核。

　　滄河是衛(wèi)河左側(cè)一條山丘區(qū)河流，坡降為7.06‰，屬山前沖積卵石河段，工程區(qū)河床表層主要為透水性較強(qiáng)的卵石層，中值粒徑D50=3.7cm。河床寬淺，河段尚順直，現(xiàn)狀河床高程95.0~96.0m；兩岸階地寬闊，高程98.0m~99.0m左右，由河心灘將滄河分為南北兩支，灘槽糙率0.07。工程附近河段右岸有2.0km長(zhǎng)堤防，已達(dá)20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，左岸無堤。河渠交叉斷面處設(shè)計(jì)洪峰流量2780m3/s，相應(yīng)水位99.64m；校核洪峰流量3470m3/s，相應(yīng)水位100.02m。工程交叉斷面處河道約930m寬，交叉斷面上游有人為沙洲存在。

　　2 研究問題及研究方法

　　在寬淺式河道上修建穿河倒虹吸工程，行洪口門寬度是影響工程投資和安全的決定性因素，因此，研究和確定合理行洪口門寬度，不僅可以驗(yàn)證穿河渠道倒虹吸工程設(shè)計(jì)的合理性、防洪的安全性，為設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，而且可以對(duì)其它渠道倒虹吸工程的設(shè)計(jì)起借鑒作用?？陂T寬度的縮窄是在無堤防的左岸進(jìn)行的，先期進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分別模擬了口門寬度為800m、670m、530m和原河道的水流情況，在此基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)學(xué)模型推薦口門寬度800m和670m方案又進(jìn)行了深入的河工模型試驗(yàn)對(duì)比研究。

　　3 模型試驗(yàn)成果

　　3.1 模型概述

　　模型依據(jù)水流運(yùn)動(dòng)重力相似準(zhǔn)則和阻力相似準(zhǔn)則及床沙沖刷相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]，為了不影響導(dǎo)流堤附近水流運(yùn)動(dòng)的空間結(jié)構(gòu)，采用幾何比尺為100的正態(tài)模型[2]，并由此確定其它相應(yīng)比尺。根據(jù)張瑞瑾泥沙起動(dòng)公式和岡恰洛夫推移質(zhì)輸沙率公式分別確定了模型沙比尺和沖淤時(shí)間比尺[1][3]，同時(shí)考慮滿足原模型紊流相似以及模型水深>1.5cm的要求。鑒于作用在同一周界上的阻力單元具有線性相加的原理[4]，試驗(yàn)中通過分別模擬河道床面阻力和河道形態(tài)阻力，從而達(dá)到綜合阻力相似[5]。模型范圍取穿河工程軸線上下游各1500m，寬度1500m。

　　3.2 不同口門寬度對(duì)河勢(shì)的影響

　　原河道施放洪水過程時(shí)，在穿河工程軸線上游約1200m處隨河道的展寬，洪水分為南北兩支流，流經(jīng)展寬段人工沙洲區(qū)，并在穿河工程軸線下游約200m處匯合，流向下游。20年一遇以下流量時(shí)，洪水以右支流為主；在50年一遇以上洪水時(shí)，左支流占主導(dǎo)地位，且有趨中和順直的變遷趨勢(shì)。當(dāng)口門800m寬時(shí)，左岸縮窄工程僅對(duì)其上游漫灘水流起到了導(dǎo)流作用；口門670m寬時(shí)，左岸縮窄工程不僅對(duì)其上游漫灘水流起到了導(dǎo)流作用，而且對(duì)左支流產(chǎn)生一定的擠壓和導(dǎo)流作用。通過優(yōu)化導(dǎo)流堤體型，河道壅水情況與口門800m寬時(shí)基本一致。總體講兩種縮窄方案，河道河勢(shì)變化不大，兩支流依然存在并隨流量的增大改變分流比，河道水位有一定壅高，但都能滿足泄洪要求。

　　3.3 不同口門寬度對(duì)河道壅水的影響

　　行洪口門縮窄后，在工程交叉斷面及其上游河道必然形成壅水區(qū)，壅水程度與洪水流量和工程布置方案有密切聯(lián)系，同時(shí)也與工程附近的河床變形發(fā)展有關(guān)。一般最大壅水發(fā)生在洪峰期，但隨著交叉工程處河床沖刷坑的發(fā)展，壅水程度將會(huì)有所衰減。試驗(yàn)首先進(jìn)行了原河道的試驗(yàn)測(cè)量，而后對(duì)口門800m和670m寬進(jìn)行了壅水情況測(cè)量，結(jié)果見表1。

表1 不同行洪口門寬度的壅水測(cè)量結(jié)果

重現(xiàn)期/年

50

100

300

設(shè)計(jì)流量/m3.s-1

2340

2780

3470

原河道

水位/m

99.35

99.57

99.95

口門寬度800m

水位/m

壅水高度/m

壅水長(zhǎng)度/m

99.42

0.07

1000

99.65

0.08

1050

100.04

0.09

1100

口門寬度670m

水位/m

壅水高度/m

壅水長(zhǎng)度/m

99.45

0.10

1020

99.67

0.10

1100

100.06

0.11

1200

　　由表1可知，隨著河道行洪口門寬度的減小，交叉斷面壅水高度及其上游壅水范圍也逐漸加大。大洪水時(shí)，治導(dǎo)工程對(duì)上游河道水位的影響范圍在1100m左右。在設(shè)計(jì)洪水時(shí)，工程交叉斷面壅水高度約為0.08m（800m寬）、0.10m（670m寬）。可見，口門為800m、670m寬時(shí)，河道壅水情況一致，壅水高度都不大，且兩種口門寬度相比較，壅水變化也很小，當(dāng)口門由800m寬縮窄為670m寬時(shí)，壅水增加幅度僅為0.02m。這說明口門寬度由800m寬縮窄為670m寬，工程附近河道壅水情況未發(fā)生大的改變，兩種方案都可以滿足河道洪水的正常宣泄。

　　3.4不同口門寬度對(duì)流速的影響

表2不同口門寬度交叉斷面流速測(cè)量結(jié)果

重現(xiàn)期/年

50

100

300

設(shè)計(jì)流量/m3.s-1

2340

2780

3470

原河道

最大流速/m.s-1

平均流速/m.s-1

3.54

1.22

3.85

1.28

4.28

1.45

口門寬度800m

最大流速/m.s-1

平均流速/m.s-1

3.64

1.25

3.92

1.38

4.55

1.53

口門寬度670m

最大流速/m.s-1

平均流速/m.s-1

4.57

1.40

4.79

1.53

4.82

1.69

　　交叉斷面的流速大小雖然因流量和口門寬度的影響不同，但分布卻十分相似。由于交叉斷面上游眾多沙洲的存在，斷面流速分布呈鋸齒狀。由表2可以看出，各級(jí)流量洪水時(shí)，修建穿河工程后交叉斷面最大流速較原河道都有所增加，但增加的量值都在1.03m/s以內(nèi)；各種方案中，斷面最大流速均約為各自斷面平均流速的3倍，表明了斷面流速分布的不均勻性。從口門寬度800m和670m的資料對(duì)比中來看，50年、100年和300年一遇洪水時(shí)，最大流速增加幅度為分別為26％、24％和13％，最大流速增幅由減小趨勢(shì)，表明流量增大，不均勻流速分布受地形（主要是沙洲）的影響減??；而平均流速增幅均在11％左右，表明平均流速的增加主要是隨流量而變?？傮w來看，口門寬度由800m縮窄為670m，最大流速、平均流速增幅都不大，兩者對(duì)交叉工程附近的流場(chǎng)影響是一致的。

　　3.5 穿河工程交叉斷面沖刷情況

　　從河道壅水與交叉斷面流速資料分析可知，口門800m寬和670m寬方案都能夠滿足河道的行洪要求，因口門670m寬方案中倒虹吸埋管短，相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)，如果該方案在穿河工程附近能夠滿足河道的一般沖刷要求，則表明口門670m寬方案優(yōu)于口門800m寬方案。從口門670m寬方案模型放水試驗(yàn)可以觀察到，在50年、100年和300年洪水時(shí)，河道主流帶已經(jīng)趨中，只是隨著流量的變化有小幅度的左右擺動(dòng)。由于沖刷變形是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程，因而，河道的一般沖刷問題可用斷面平均沖刷深度和斷面主流帶平均沖刷深度加以描述，具體數(shù)值見表3。

　　表3 口門670m寬時(shí)交叉工程斷面沖刷結(jié)果

重現(xiàn)期/年50100300設(shè)計(jì)流量/m3.s-1234027803470平均沖刷深度（m）0.330.760.82主流帶平均沖刷深度（m）0.661.061.68沖刷后最低高程（m）94.0593.7393.11

　　可見，隨著流量的增大，交叉斷面沖刷深度逐漸加大，300年洪水后，最大沖刷深度1.68m，沖溝底部高程93.11m。由于設(shè)計(jì)倒虹吸管道頂部埋深高程為92m（交叉工程軸線處河床平均高程95.82m），因此，河道的一般沖刷尚不致于影響其正常運(yùn)行。這也表明，口門670m寬方案可以滿足河道一般沖的要求。

　　4 數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果

　　在進(jìn)行河工模型試驗(yàn)的同時(shí)，根據(jù)已知河道的水文地質(zhì)資料，采用K-V淺水方程組，建立了平面二維數(shù)學(xué)模型來平行研究滄河倒虹吸工程附近行洪口門寬度問題[6]。通過流動(dòng)計(jì)算和沖刷計(jì)算研究表明：口門530m寬方案在河道行洪和河道沖刷方面不能滿足設(shè)計(jì)要求，方案被否定?？陂T800m寬和670m寬方案基本上保持了原河勢(shì)，最大壅水高度分別為0.10m（設(shè)計(jì)）、0.11（校核）和0.11m（設(shè)計(jì)）、0.12m（校核），壅水范圍700m左右，滿足河道設(shè)計(jì)行洪要求；兩種口門寬度的最大沖刷深度分別為1.16m（坑低高程92.81m）和1.64m（坑低高程92.70m），都能滿足倒虹吸頂部埋深高程92m的要求。因此，行洪口門800m寬和670m寬方案都能夠滿足工程設(shè)計(jì)的水力學(xué)指標(biāo)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)，推薦口門670m寬方案。

　　5 結(jié)語

　?。?）在寬淺式河道上修建倒虹吸工程時(shí)，行洪口門寬度是影響工程投資和安全的決定因素。

　?。?）合理確定行洪口門寬度的依據(jù)就是要保證建筑物和河道的防洪安全。

　　（3）主流分支的寬淺式河道在進(jìn)行口門縮窄設(shè)計(jì)時(shí)，不可過多壓縮支流，造成支流流徑的變遷。

　　（4）在不同洪水、不同口門寬度條件下，通過對(duì)比工程河段的河勢(shì)、水位、流速、一般沖刷等水力學(xué)因素及經(jīng)濟(jì)因素，推薦口門寬度為670m。

　　（5）數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果與河工模型試驗(yàn)成果一致，驗(yàn)證了模型試驗(yàn)的正確性。 

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]李昌華、金德春，《河工模型試驗(yàn)》[M]，人民交通出版社，北京，1981

　　[2]H.科巴斯（德）著，清華大學(xué)水利系泥沙研究室譯，《水力模擬》[M]，清華大學(xué)出版社，北京，1988

　　[3]武漢水利電力學(xué)院、河流泥沙工程學(xué)教研室，《河流泥沙工程學(xué)》[M]，水力電力出版社，北京，1983

　　[4]錢寧、萬兆惠，《泥沙流動(dòng)力學(xué)》[M]，科學(xué)出版社，北京，2003

　　[5]屈孟浩，黃河動(dòng)床模型試驗(yàn)相似原理及設(shè)計(jì)方法[A]，《科學(xué)研究論文集》[C],河南科技出版社，鄭州，1990.

　　[6]陳大宏、王建華，《南水北調(diào)中線一期工程總干渠滄河渠道倒虹吸工程附近河道水流及沖刷變形計(jì)算研究》[R] ，河南省水利科學(xué)研究院、水力學(xué)研究所，鄭州，2005