简介： 在宽浅式河道上修建穿河倒虹吸工程，行洪口门宽度是影响建筑物投资和安全的决定因素。结合沧河渠道倒虹的工程情况，在数值计算基础上，运用河工模型试验，对穿河工程附近河道的壅水和冲刷进行研究，推荐了670m口门宽度方案。对同类工程设计具有重要的参考价值。
关键字：倒虹吸 行洪口门 壅水 河床冲刷 河工模型试验
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 工程概况
沧河渠道倒虹吸工程位于河南省卫辉市安都乡马林庄北约300m处，是南水北调中线工程总干渠穿越沧河的重要交叉建筑物。初设建筑物总长852m，渠道设计流量250m3/s，加大流量300m3/s，渠道纵坡1/28000。倒虹吸的主体工程为1级建筑物，防洪标准为100年一遇设计，300年一遇校核。
沧河是卫河左侧一条山丘区河流，坡降为7.06‰，属山前冲积卵石河段，工程区河床表层主要为透水性较强的卵石层，中值粒径D50=3.7cm。河床宽浅，河段尚顺直，现状河床高程95.0~96.0m；两岸阶地宽阔，高程98.0m~99.0m左右，由河心滩将沧河分为南北两支，滩槽糙率0.07。工程附近河段右岸有2.0km长堤防，已达20年一遇防洪标准，左岸无堤。河渠交叉断面处设计洪峰流量2780m3/s，相应水位99.64m；校核洪峰流量3470m3/s，相应水位100.02m。工程交叉断面处河道约930m宽，交叉断面上游有人为沙洲存在。
2 研究问题及研究方法
在宽浅式河道上修建穿河倒虹吸工程，行洪口门宽度是影响工程投资和安全的决定性因素，因此，研究和确定合理行洪口门宽度，不仅可以验证穿河渠道倒虹吸工程设计的合理性、防洪的安全性，为设计提供试验依据，优化工程设计，而且可以对其它渠道倒虹吸工程的设计起借鉴作用。口门宽度的缩窄是在无堤防的左岸进行的，先期进行了数值计算，分别模拟了口门宽度为800m、670m、530m和原河道的水流情况，在此基础上，对数学模型推荐口门宽度800m和670m方案又进行了深入的河工模型试验对比研究。
3 模型试验成果
3.1 模型概述
模型依据水流运动重力相似准则和阻力相似准则及床沙冲刷相似准则进行设计[1]，为了不影响导流堤附近水流运动的空间结构，采用几何比尺为100的正态模型[2]，并由此确定其它相应比尺。根据张瑞瑾泥沙起动公式和冈恰洛夫推移质输沙率公式分别确定了模型沙比尺和冲淤时间比尺[1][3]，同时考虑满足原模型紊流相似以及模型水深>1.5cm的要求。鉴于作用在同一周界上的阻力单元具有线性相加的原理[4]，试验中通过分别模拟河道床面阻力和河道形态阻力，从而达到综合阻力相似[5]。模型范围取穿河工程轴线上下游各1500m，宽度1500m。
3.2 不同口门宽度对河势的影响
原河道施放洪水过程时，在穿河工程轴线上游约1200m处随河道的展宽，洪水分为南北两支流，流经展宽段人工沙洲区，并在穿河工程轴线下游约200m处汇合，流向下游。20年一遇以下流量时，洪水以右支流为主；在50年一遇以上洪水时，左支流占主导地位，且有趋中和顺直的变迁趋势。当口门800m宽时，左岸缩窄工程仅对其上游漫滩水流起到了导流作用；口门670m宽时，左岸缩窄工程不仅对其上游漫滩水流起到了导流作用，而且对左支流产生一定的挤压和导流作用。通过优化导流堤体型，河道壅水情况与口门800m宽时基本一致。总体讲两种缩窄方案，河道河势变化不大，两支流依然存在并随流量的增大改变分流比，河道水位有一定壅高，但都能满足泄洪要求。
3.3 不同口门宽度对河道壅水的影响
行洪口门缩窄后，在工程交叉断面及其上游河道必然形成壅水区，壅水程度与洪水流量和工程布置方案有密切联系，同时也与工程附近的河床变形发展有关。一般最大壅水发生在洪峰期，但随着交叉工程处河床冲刷坑的发展，壅水程度将会有所衰减。试验首先进行了原河道的试验测量，而后对口门800m和670m宽进行了壅水情况测量，结果见表1。
表1 不同行洪口门宽度的壅水测量结果
重现期/年 | 50 | 100 | 300 | |
设计流量/m3.s-1 | 2340 | 2780 | 3470 | |
原河道 | 水位/m | 99.35 | 99.57 | 99.95 |
口门宽度800m | 水位/m 壅水高度/m 壅水长度/m | 99.42 0.07 1000 | 99.65 0.08 1050 | 100.04 0.09 1100 |
口门宽度670m | 水位/m 壅水高度/m 壅水长度/m | 99.45 0.10 1020 | 99.67 0.10 1100 | 100.06 0.11 1200 |
由表1可知，随着河道行洪口门宽度的减小，交叉断面壅水高度及其上游壅水范围也逐渐加大。大洪水时，治导工程对上游河道水位的影响范围在1100m左右。在设计洪水时，工程交叉断面壅水高度约为0.08m（800m宽）、0.10m（670m宽）。可见，口门为800m、670m宽时，河道壅水情况一致，壅水高度都不大，且两种口门宽度相比较，壅水变化也很小，当口门由800m宽缩窄为670m宽时，壅水增加幅度仅为0.02m。这说明口门宽度由800m宽缩窄为670m宽，工程附近河道壅水情况未发生大的改变，两种方案都可以满足河道洪水的正常宣泄。
3.4不同口门宽度对流速的影响
表2不同口门宽度交叉断面流速测量结果
重现期/年 | 50 | 100 | 300 | |
设计流量/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 |
口门宽度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 |
口门宽度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 |
交叉断面的流速大小虽然因流量和口门宽度的影响不同，但分布却十分相似。由于交叉断面上游众多沙洲的存在，断面流速分布呈锯齿状。由表2可以看出，各级流量洪水时，修建穿河工程后交叉断面最大流速较原河道都有所增加，但增加的量值都在1.03m/s以内；各种方案中，断面最大流速均约为各自断面平均流速的3倍，表明了断面流速分布的不均匀性。从口门宽度800m和670m的资料对比中来看，50年、100年和300年一遇洪水时，最大流速增加幅度为分别为26％、24％和13％，最大流速增幅由减小趋势，表明流量增大，不均匀流速分布受地形（主要是沙洲）的影响减小；而平均流速增幅均在11％左右，表明平均流速的增加主要是随流量而变。总体来看，口门宽度由800m缩窄为670m，最大流速、平均流速增幅都不大，两者对交叉工程附近的流场影响是一致的。
3.5 穿河工程交叉断面冲刷情况
从河道壅水与交叉断面流速资料分析可知，口门800m宽和670m宽方案都能够满足河道的行洪要求，因口门670m宽方案中倒虹吸埋管短，相对比较经济，如果该方案在穿河工程附近能够满足河道的一般冲刷要求，则表明口门670m宽方案优于口门800m宽方案。从口门670m宽方案模型放水试验可以观察到，在50年、100年和300年洪水时，河道主流带已经趋中，只是随着流量的变化有小幅度的左右摆动。由于冲刷变形是一个动态的变化过程，因而，河道的一般冲刷问题可用断面平均冲刷深度和断面主流带平均冲刷深度加以描述，具体数值见表3。
表3 口门670m宽时交叉工程断面冲刷结果
重现期/年 | 50 | 100 | 300 |
设计流量/m3.s-1 | 2340 | 2780 | 3470 |
平均冲刷深度（m） | 0.33 | 0.76 | 0.82 |
主流带平均冲刷深度（m） | 0.66 | 1.06 | 1.68 |
冲刷后最低高程（m） | 94.05 | 93.73 | 93.11 |
可见，随着流量的增大，交叉断面冲刷深度逐渐加大，300年洪水后，最大冲刷深度1.68m，冲沟底部高程93.11m。由于设计倒虹吸管道顶部埋深高程为92m（交叉工程轴线处河床平均高程95.82m），因此，河道的一般冲刷尚不致于影响其正常运行。这也表明，口门670m宽方案可以满足河道一般冲的要求。
4 数学模型计算成果
在进行河工模型试验的同时，根据已知河道的水文地质资料，采用K-V浅水方程组，建立了平面二维数学模型来平行研究沧河倒虹吸工程附近行洪口门宽度问题[6]。通过流动计算和冲刷计算研究表明：口门530m宽方案在河道行洪和河道冲刷方面不能满足设计要求，方案被否定。口门800m宽和670m宽方案基本上保持了原河势，最大壅水高度分别为0.10m（设计）、0.11（校核）和0.11m（设计）、0.12m（校核），壅水范围700m左右，满足河道设计行洪要求；两种口门宽度的最大冲刷深度分别为1.16m（坑低高程92.81m）和1.64m（坑低高程92.70m），都能满足倒虹吸顶部埋深高程92m的要求。因此，行洪口门800m宽和670m宽方案都能够满足工程设计的水力学指标，综合考虑经济、技术指标，推荐口门670m宽方案。
5 结语
（1）在宽浅式河道上修建倒虹吸工程时，行洪口门宽度是影响工程投资和安全的决定因素。
（2）合理确定行洪口门宽度的依据就是要保证建筑物和河道的防洪安全。
（3）主流分支的宽浅式河道在进行口门缩窄设计时，不可过多压缩支流，造成支流流径的变迁。
（4）在不同洪水、不同口门宽度条件下，通过对比工程河段的河势、水位、流速、一般冲刷等水力学因素及经济因素，推荐口门宽度为670m。
（5）数学模型计算成果与河工模型试验成果一致，验证了模型试验的正确性。
参考文献
[1]李昌华、金德春，《河工模型试验》[M]，人民交通出版社，北京，1981
[2]H.科巴斯（德）著，清华大学水利系泥沙研究室译，《水力模拟》[M]，清华大学出版社，北京，1988
[3]武汉水利电力学院、河流泥沙工程学教研室，《河流泥沙工程学》[M]，水力电力出版社，北京，1983
[4]钱宁、万兆惠，《泥沙流动力学》[M]，科学出版社，北京，2003
[5]屈孟浩，黄河动床模型试验相似原理及设计方法[A]，《科学研究论文集》[C],河南科技出版社，郑州，1990.
[6]陈大宏、王建华，《南水北调中线一期工程总干渠沧河渠道倒虹吸工程附近河道水流及冲刷变形计算研究》[R] ，河南省水利科学研究院、水力学研究所，郑州，2005