南水北调中线沙河(北)渠道倒虹吸行洪口门宽度的选定

王 军

(河北省南运河河务管理处,河北 沧州 061001)

1 流域概况

沙河(北)渠道是大清河南支潴龙河的一条支流,河道为宽浅式游荡型河槽,总宽度约4600 m,主槽宽约1000 m(20年一遇治导线宽度为1000 m),河底高程一般为69.0 m,右岸滩地宽约850 m,高程为69.0～70.4 m,左岸滩地宽约1750 m,高程为69.0～70.5 m。河道右岸建有多条丁坝、顺坝。河道纵坡约为1.1‰。河床上部为细砂、中砂及砾砂或壤土,下部为中粗砂。 20年一遇以下洪水时,主要行洪范围在 1000 m治导线内,20年一遇以上洪水时,河道行洪范围逐渐扩大,左岸滩地全部行洪,右岸过水断面延至铁路桥的导流堤。100年一遇以上洪水时,将漫过右岸的铁路桥导流堤,沙河全部滩地过水,河道宽度达到 4600 m。交叉断面上游附近左岸有赤支、岸城等村镇,右岸有木村、中同等村镇。近年来持续干旱,加之上游有王快水库的截流,使河道经常断流,滩地围田现象较严重,治导线与左右岸堤防之间种有大量果树以及其他经济作物。

2 口门宽度的确定原则

沙河(北)渠道倒虹吸是南水北调中线总干渠上的一座大型交叉建筑物,口门宽度的选定,不仅要符合安全可靠、技术可行、经济合理的基本原则,而且与滩地渠道有关,因此在选择口门宽度时,应同时考虑滩地渠道的长度。确定河道行洪口门宽度的一般原则：第一,建筑物修建后,其口门宽度不应小于现状河道主槽宽度,同时不宜小于河道中泓线的摆动范围;第二,建筑物修建后,其口门宽度不应小于该河道治理规划中确定的防洪标准和行洪河道的宽度,以免影响当地的防洪排涝系统以及远景规划目标;第三,在常遇洪水下,束窄后的河道口门行洪时,不恶化上游的防洪条件;第四,充分考虑河道冲刷深度对建筑物布置及投资的影响。

3 口门宽度的选定

3.1 通过交叉断面中泓位置分析初选口门宽度

沙河(北)渠道与总干渠交叉断面下距京广铁路桥约 4.6 km,交叉断面附近河段主流的分布与摆动和铁路桥的位置有着密切联系。沙河属宽浅式游荡型河流,河道中泓线随不同的洪水而摆动,但其摆动也是有一定幅度的。在交叉断面下游处建有京广铁路桥,其防洪标准为100年一遇,大桥全长约为1900 m。虽然桥孔宽度为900 m(1956年汛后,沙(二)铁路桥被封堵),但过水桥孔分别位于铁路桥的两侧,也就是说河道行洪时桥前的水面宽度约为1900 m。由此可以推断河道中泓线摆动范围不会小于1900 m,同时,由于该桥桥孔固定,桥墩防护较好,并设置有整治构造物,从而大大限制了中泓线的摆动范围。该段主流近年来没有发生较大的改道,与其有直接的关系。从对 20世纪七八十年代修建的丁坝、顺坝的位置分析,左右岸坝间的最大距离约为2000 m,虽然坝的标准稍低,但可以认为这个距离基本上控制了河道中泓线的摆动范围。综上所述,2000 m的口门宽度能满足中泓线的摆动幅度,且略大于下游铁路桥过水水面宽度。

由于河道行洪口门宽度直接决定建筑物的长度,其宽度的确定又与洪水及河床冲淤特性、交叉断面上游防洪要求、河道防洪规划、回水淹没损失以及地形地质条件等因素密切相关,根据上述一般原则,综合考虑各种因素,初步选定 1700 m,2000 m,2300 m三种不同口门宽度方案进行经济技术比较。

3.2 方案比较及确定

沙河(北)渠道与总干渠交叉处河宽约4600 m,3种口门方案的比较基础均为4600 m的河道宽度。首先对不同行洪口门方案的壅水高度、壅水长度及冲刷深度进行计算,然后综合分析滩地渠道、倒虹吸工程的工程量、投资以及对上下游的影响等各种因素,最终选定河道行洪口门的宽度。

3.2.1 水力计算成果分析

河道壅水特性采用了常规法、调蓄法和二维数学模型等多种计算方法,分别计算出不同行洪口门方案的壅水高度(见表1)、长度及冲刷深度,根据计算结果,壅水长度及冲刷深度随着口门的增大是依次递减的。由表1可知,就20年一遇的常遇洪水而言河道的不同部位壅水高度是不同的,且左、右岸壅水高度均超过农作物承受能力的极限值(0.3 m),因此这3种口门宽度在常遇洪水条件下,对上游的影响是基本相同的;而在 300年一遇洪水条件下,口门宽度从2000 m增加到 2300 m时,壅水高度减少 0.08～0.26 m,基本不能降低河道防洪堤顶高程,建筑物长度增加后,进口段渠道的堤顶也不能降低。口门宽度从1700 m增加到 2000 m时,壅水高度可减少 0.64～0.8 m,建筑物长度增加后,进口段渠道的堤顶高程可适当降低。由此可知,在高标准洪水时,口门宽度从1700 m增加到2000 m不仅起到降低防洪堤顶高程的作用,还缩短了进口渠道的长度,同时减少了渠道的工程量,并能显著提高其防洪效果。

3.2.2 工程量及投资分析

沙河(北)渠道穿河工程主要包括倒虹吸主体建筑物、滩地渠道及河道防洪3部分,沙河(北)渠道与总干渠交叉处河宽约4600 m,行洪口门宽度与滩地渠道的长度呈此消彼涨的关系。根据不同口门宽度的水力计算成果,确定滩地渠道的防洪堤堤顶高程、倒虹吸埋置深度等,据此对渠道和建筑物进行布置,并计算出不同行洪口门宽度的穿河工程的工程量及投资。口门宽度为1700 m时穿河工程建筑物投资为27541.6万元,口门宽度为2000 m时穿河工程建筑物投资为 28601.3万元,口门宽度为 2300 m时穿河工程建筑物投资为31359.4万元,由此可见,口门宽度从 1700 m增加到 2000 m时,投资增加 3.85%,口门宽度从 2000 m增加到2300 m时,投资增加9.64%;这表明在口门宽度为2000 m的基础上缩小口门宽度,工程投资缩减并不明显,而增加口门宽度,工程投资却增长很快。分析原因是由于1700 m口门宽度处于河道中泓线摆动范围内,为保证建筑物以及渠道的安全,不仅埋置深度大,而且护砌工程量也较大;同时,1700 m口门方案由于壅高水位较大,渠道本身的堤顶以及导流堤顶高程也要相应增加,从而造成工程量和投资的增加。口门加宽到 2300 m时,在水头相对不变的情况下,不仅管身长度增加,而且过水断面也要加大,从而引起倒虹吸工程量和投资的增加,而增加的这部分投资不足以抵消由于渠道长度缩短以及冲刷深度减小所减少的投资,因而出现总体投资增加的现象,而且呈加速趋势。

综合分析各种因素,口门宽度为 2000 m的方案在投资上虽然比口门宽度为 1700 m方案略大,但在工程安全性上却具有明显的优越性;而与口门宽度为2300 m方案相比,在防洪安全和工程安全上基本相同的情况下,工程投资却相对较小,因此本工程选取口门宽度为2000 m。

表1 水力计算成果

4 对河道上下游的影响

根据2000 m行洪口门方案,对穿河工程进行总体布置后,大部分滩地将被渠道阻断,改变了原河道的行洪断面,必然对上、下游造成一定的影响。

从工程布置上来看,河道行洪口门宽度大于 20年一遇洪水的河道治导线,在常遇洪水下,建筑物建成后,不会降低河道的现状防洪标准,因此对河道上下游的不利影响较小。当遭遇超标准洪水时,比如300年一遇洪水,洪水位超出右岸铁路桥导流堤的防洪标准,将会对右岸河滩地上的同义庄和小赵村带来影响。

沙河现状主河道历经历史上几次大洪水的考验,虽然中泓线位置有向右岸偏移的趋势,但摆动范围保持在2000 m以内,与行洪口门的宽度相一致,所以对建筑物防洪安全不会构成威胁。相反,由于倒虹吸左右岸导流堤的防护作用,可以有效地阻止中泓线更大幅度的摆动,特别是向右岸偏移的趋势,常遇洪水下,对下游附近的小赵村、凤鸣村等起到了很好的保护作用。

建筑物轴线位置距离下游京广铁路桥约 4.6 km,虽然距离较近,但常遇洪水下不会对铁路桥造成不利的影响。而100年一遇以上洪水时,虽然已经超过铁路桥的防洪标准,但由于本工程的存在,口门上游河槽起到了调蓄作用,反而对下游桥梁、河道的行洪安全起到一定程度的改善作用。

5 结束语

沙河(北)渠道倒虹吸上距郜河汇入点5.4 km,下距京广铁路桥4.6 km,河流流态较为复杂,且为宽浅式沙质河床,河道稳定性差。对于布置建筑物后对河势的影响等内容的分析论证,还需模型试验的验证以及试验结论支持。下阶段将根据河工模型试验的结果,验证河道天然条件下的自然演变情况以及布置建筑物后的河势变化,同时也将验证河道的冲淤变化、不同行洪口门宽度对上下游的影响、不同型式和尺寸的治导建筑物对交叉断面附近流态的影响等内容,对工程设计进行优化,使工程设计更加合理。

[1]SL 252-2000.水利水电工程等级划分及洪水标准 [S].

[2]余际可,罗尚生.倒虹吸管 [M].北京：水利电力出版社,1993.

[3]李炜.水利计算手册 [M].北京：中国水利水电出版社,2006.