南水北调中线沙窝沟河道倒虹吸水力设计及模型试验研究

韦亚琳

（河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050021）

南水北调中线沙窝沟河道倒虹吸水力设计及模型试验研究

韦亚琳

（河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050021）

沙窝沟河道倒虹吸是南水北调中线工程总干渠的一座大型左岸排洪建筑物。其水力设计是否合理，直接影响了总干渠的防洪安全。本文通过整体水工模型实验研究，对倒虹吸的孔口尺寸以及进出口水力学结构布置进行了验证，同时为类似的南水北调排洪建筑物设计提供了依据。

左岸排洪建筑物 过流能力 流态

1 概况

沙窝沟流域地处太行山东麓河北省邢台县境内。源于马鞍山下的黄寺乡，河道自西北流向东南，在与南水北调中线总干渠交叉点下游3km处汇入白马河，全长约14.5km。总干渠交叉断面以上流域面积30km2，主河道平均纵坡5.2‰，河底宽度一般为15～20m，深度为2～3.5m。河道狭窄，源短流急，一般较大洪水将漫地行洪。

沙窝沟河道倒虹吸位于邢台县会宁乡东良舍村西北约500m处，东距京广铁路、107国道约5km，是南水北调中线工程总干渠的一座大型河渠交叉建筑物。

2 工程布置

沙窝沟河道倒虹吸全长301.6m，其中进口防护段长96.0m，管身段长108m，出口防护段长97.6m。

进口防护段包括连接段和渐变段。进口连接段长35m，浆砌石结构，梯形过水断面，底宽29.2m，底板高程81.5m，护坡顶高程84.5m，两侧边坡1:2.0。渐变段长61m。前36m为浆砌石斜坡段，后25米为钢筋混凝土水平段。斜坡段底板高程由81.50m降至76.7m，护坡顶高程84.5m，纵坡1:7.5，底宽29.2m，两侧边坡1:2.0。水平段底宽由29.2m渐变至20.4m，侧收缩角10°，底板高程76.7m，两侧为扶壁式圆弧翼墙，顺水流方向长25m，圆弧半径15m，圆弧角80°，墙顶高程87.49m，墙高10.79m。

倒虹吸管身段为钢筋混凝土箱型结构，水平投影长108m。其中进口斜管段长39m，坡比1:5.28；水平段长30m；出口斜管段长39m,坡比1:5.28。管身孔口为3孔一联，每孔过水断面为6m×6m（宽×高）。管身段进、出口底高程均为76.7m，平管段底高程69.422m。

出口防护段包括渐变段和连接段。渐变段长55m。前25m为钢筋混凝土水平段，底板宽度由20.4m渐变至29.2m，扩散角10°,底板高程76.7m。两侧为扶壁式圆弧翼墙，顺水流方向长25m，圆弧半径15m，圆弧角80°,墙顶高程86.16m，墙高9.46m。后30m为浆砌石斜坡段，底板高程由76.7m升至80.7m，纵坡1:7.5，底宽29.2m，两侧边坡1:2.0。出口连接段轴线长42.6m，浆砌石结构，平面转角12°，梯形过水断面，底宽29.2m，底板高程80.7m，两侧边坡1:2.0，护坡顶高程83.5m。末端设6m长抛石防冲槽，槽深1.5m。沙窝沟河道倒虹吸结构布置图，见图1。

图1 沙窝沟河道倒虹吸结构布置图

3 水力设计

3.1 孔口尺寸确定

根据《南水北调中线一期工程总干渠初步设计河道倒虹吸技术规定》，倒虹吸的孔口尺寸根据确定的上游水位设计壅高值和设计洪水过程、上游天然水位～流量关系曲线等，通过总水头损失计算、调洪演算确定。经比较，拟定孔口尺寸为3×6m×6m（孔数×宽×高）进行水力计算。计算成果见表1。

表1 沙窝沟河道倒虹吸水力计算成果表

根据计算结果，本段总干渠堤顶高程按300年一遇调洪水位加高0.5m，定为87.49m，满足总干渠左堤的防洪要求。故选定孔口尺寸为3×6m×6m（孔数×宽×高）是合适的。

3.2 消能防冲设计

倒虹吸建成后改变了天然河道的水流状态，使倒虹吸上、下游形成一定的水位差，水流集中在主河槽处，流速加大，使河床冲刷作用加剧。100年一遇洪水下泄393m3/s，相应管内流速为3.71m/s。300年一遇洪水下泄量为504m3/ s，相应管内流速4.76m/s。消能防冲计算均采用《水闸设计规范》（SL265-2001）中公式。经计算，不需设消力池。为了减少下游河床冲刷，平顺出口水流，在倒虹吸出口处设浆砌石防护。海漫计算长度为64.2m，为保证倒虹吸出口与下游衔接平顺，综合工程斜坡段及出口弯道布置，下游防护长度为91.6m，满足要求。海漫末端附近为土质河床，经对冲刷情况进行分析，计算冲刷深度1.46m，在海漫末端设1.5m深抛石防冲槽。

4 整体水工模型实验研究

倒虹吸不同布置形式会对整个工程水流性态造成不同影响。针对有可能出现的水力学问题，对倒虹吸进行了整体水工模型试验，根据试验结果，对建筑物体型、结构尺寸及进出口防护布置进行优化和调整。

4.1 研究的主要内容

沙窝沟倒虹吸呈低水头大流量特点，水工模型试验将对以下问题进行重点研究：

（1）了解各种可能的工况下上游水位的壅高值和壅水长度。

（2）进口渐变段有一个坡度为1:7.5的浆砌石斜坡段。观测各种流量和水位条件下，水流经过斜坡下泄后，在坡脚处是否会出现水跃。

（3）通过试验进一步量测各部位局部损失的大小，从而验证倒虹吸的设计过流能力准确与否。

（4）倒虹吸的过流范围为从重现期为5年到300年一遇的洪水，流量变幅较大。水流流态的变化，包括水流的流速分布、管身段的水流脉动压力、水流是否会出现“挟气”或“淤气”现象等也是实验关注的主要问题。

（5）工程修建后，河道水流受工程影响将发生改变，其上、下游以及倒虹吸工程附近的河床都有可能进行调整，需研究尾水渠末端及下游河道的冲刷情况。

（6）进、出水口扩散角，进口段坡度，翼墙型式等工程布置直接影响到水流条件，研究对各部位的布置进行优化，改善水流条件。

4.2 模型比尺及模型设计

模型按重力相似准则进行设计。根据工程参数以及实验室的条件，模型采用几何比尺为1:20的正态水工模型，模拟范围包括进口防护段、管身段、出口防护段以及部分下游河道。建筑物模

型由有机玻璃和PVC材料制作。

4.3 试验方案

模型孔口尺寸采用3×6m×6m（孔数×宽×高），对进口不同结构布置形式进行了方案比较。

方案一：根据原设计方案的布置，倒虹吸进口洪水位高于地面，倒虹吸进口两侧翼墙高程为87.49m，平面呈八字墙加80°圆弧翼墙，以保证进口单侧进水。

方案二：方案一的基础上，把进口翼墙高程降低到84.5m（平地面），翼墙平面布置不变，使上游洪水位高于翼墙，进口呈三面进水状态。

方案三：方案二的基础上，将翼墙平面布置改为大的八字墙，轴线长度为61m，范围为进口斜坡段和水平渐变段。墙顶高程为84.5m，进口三面进水。

方案四：方案二的基础上，在翼墙顶端和管身进口连接处分别加50cm和100cm高消涡梁。墙顶高程为84.5m，进口三面进水。

4.4 试验结果及分析

（1）倒虹吸进出口水流流态

方案一不同重现期洪水情况下倒虹吸进出口水流流态见表2。

方案二在遇高标准洪水时，由于进口翼墙顶高程降低，洪水位高于进口翼墙后，进口附近水流受边界影响较大，水流翻滚剧烈。

方案三当水位低于翼墙顶高程时，水流受到大八字形翼墙的约束，水流比较平顺；当流量加大并且水位高于翼墙顶部后，水流现象类似于方案二。

考虑到方案二在遭遇高标准洪水时倒虹吸进口呈三面进水状态，水流翻滚剧烈，冲刷总干渠坡脚。为平顺水流，在方案二的基础上，增加了方案四。在翼墙和管身进口连接处顶端加50cm高八字形的消涡梁和100cm高八字形的消涡梁。从试验结果看，100cm高的梁能起到一定的消涡作用，但效果并不明显，不能完全消除水流对管身进口顶部总干渠外坡的冲刷。

表2 方案一不同重现期洪水进出口水流流态表

（2）倒虹吸全程及上下游河道测压管水头线

根据量测得倒虹吸全程及上下游天然河床测压管水头线的变化看出：五年一遇洪水时，上游来水流量最小，其上游水面线的位置也要高于底板，接近倒虹吸进口顶高程，尽管洞口的水流淹没水深较小，但来流量也小，在进口1:7.5的浆砌石斜坡段坡脚处没有观察到发生水跃现象，亦没有出现跌水现象。其余洪水流量条件下倒虹吸沿程均没有出现跌水或水跃现象，每个底坡变坡部位均没有出现水流脱体或分离现象。

（3）沿程流速分布

从用旋浆流速仪测得的沿程底部流速和水流表面流速的分布情况看，流速分布比较均匀。当洪水流量小于20年一遇的流量时，其水流被限制在原河道内流动，水流流态平顺，也不会出现回流现象。但当洪水流量大于50年一遇的流量后，上游水位高于84.5m，水流出现漫滩，亦无回流影响。

（4）倒虹吸的水流脉动情况

试验中采用了128Hz和256Hz两个采样频

率，分别从进口水平段中央、管身中部以及出口水平段中央三个位置测得水流脉动压力频谱。各点的脉动压力均方差值相差不大，说明所选取的采样频率是合适的。各点水流脉动的频率多集中在0～0.2Hz范围内，说明倒虹吸涵洞及进水口前和出水口后的水流脉动频率均为低频的振动。

（5）模型试验结论

①从四个方案的水流流态比较来看，各方案的水流流态略有差别，方案三的水流流态较方案二要好一些，但混凝土工程量较大，故就沙窝沟倒虹吸进口流态而言，综合工程量与水流条件考虑，采用方案一。

②在不同洪水重现期流量情况下，在倒虹吸沿线及上下游河道均没有水跃或跌水现象。

③在不同重现期洪水标准下，倒虹吸沿程流道中，推荐方案没有出现“挟气”或“淤气”现象。

④从各方案沿程底部流速和水流表面流速的分布情况看，流速分布比较均匀，各孔流道间的流量分配也比较均匀。

⑤倒虹吸涵洞及进水口前和出水口后的水流脉动频率均为低频的振动。

⑥试验分别对50年一遇洪水流量334m3/s、 100年一遇洪水流量446m3/s和300年一遇洪水流量599m3/s三个洪水过程进行了模拟。在经历一个洪水过程后，冲刷比较严重的部位在衬砌过的河床与原河床的接合部位后一段，最深处高程为79.3m，冲刷深度为1.4m，与计算结果基本一致。

5 结语

通过整体水工模型试验，对南水北调中线总干渠建成后沙窝沟河道倒虹吸在各种频率洪水下的泄流能力、水力特性及下游冲刷情况进行了研究。结果表明，倒虹吸孔口尺寸以及进出口水力学结构布置合理，水流平稳而顺畅。试验研究成果确保了沙窝沟倒虹吸的泄洪安全，同时为类似工程的水力学结构设计提供了依据。

1 南水北调中线干线工程建设管理局.南水北调中线一期工程总干渠初步设计河道倒虹吸技术规定[R],2007.1.

2 武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室.水力计算手册[M].北京：中国水利电力出版社,2006.

3 水工（常规）模型试验规程 [S].(SL155-95).北京：中国水利电力出版社,1995.

4 水利水电科学研究院,等编.水工模型试验 [M].北京：水力电力出版社,1985.12.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.010

TV68

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1672-2469(2014)12-0027-04

韦亚琳（1971年—），女，教授级高级工程师。