南水北調中線沙窩溝河道倒虹吸水力設計及模型試驗研究

韋亞琳

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

南水北調中線沙窩溝河道倒虹吸水力設計及模型試驗研究

韋亞琳

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

沙窩溝河道倒虹吸是南水北調中線工程總干渠的一座大型左岸排洪建筑物。其水力設計是否合理，直接影響了總干渠的防洪安全。本文通過整體水工模型實驗研究，對倒虹吸的孔口尺寸以及進出口水力學結構布置進行了驗證，同時為類似的南水北調排洪建筑物設計提供了依據。

左岸排洪建筑物 過流能力 流態

1 概況

沙窩溝流域地處太行山東麓河北省邢臺縣境內。源于馬鞍山下的黃寺鄉，河道自西北流向東南，在與南水北調中線總干渠交叉點下游3km處匯入白馬河，全長約14.5km?？偢汕徊鏀嗝嬉陨狭饔蛎娣e30km2，主河道平均縱坡5.2‰，河底寬度一般為15～20m，深度為2～3.5m。河道狹窄，源短流急，一般較大洪水將漫地行洪。

沙窩溝河道倒虹吸位于邢臺縣會寧鄉東良舍村西北約500m處，東距京廣鐵路、107國道約5km，是南水北調中線工程總干渠的一座大型河渠交叉建筑物。

2 工程布置

沙窩溝河道倒虹吸全長301.6m，其中進口防護段長96.0m，管身段長108m，出口防護段長97.6m。

進口防護段包括連接段和漸變段。進口連接段長35m，漿砌石結構，梯形過水斷面，底寬29.2m，底板高程81.5m，護坡頂高程84.5m，兩側邊坡1:2.0。漸變段長61m。前36m為漿砌石斜坡段，后25米為鋼筋混凝土水平段。斜坡段底板高程由81.50m降至76.7m，護坡頂高程84.5m，縱坡1:7.5，底寬29.2m，兩側邊坡1:2.0。水平段底寬由29.2m漸變至20.4m，側收縮角10°，底板高程76.7m，兩側為扶壁式圓弧翼墻，順水流方向長25m，圓弧半徑15m，圓弧角80°，墻頂高程87.49m，墻高10.79m。

倒虹吸管身段為鋼筋混凝土箱型結構，水平投影長108m。其中進口斜管段長39m，坡比1:5.28；水平段長30m；出口斜管段長39m,坡比1:5.28。管身孔口為3孔一聯，每孔過水斷面為6m×6m（寬×高）。管身段進、出口底高程均為76.7m，平管段底高程69.422m。

出口防護段包括漸變段和連接段。漸變段長55m。前25m為鋼筋混凝土水平段，底板寬度由20.4m漸變至29.2m，擴散角10°,底板高程76.7m。兩側為扶壁式圓弧翼墻，順水流方向長25m，圓弧半徑15m，圓弧角80°,墻頂高程86.16m，墻高9.46m。后30m為漿砌石斜坡段，底板高程由76.7m升至80.7m，縱坡1:7.5，底寬29.2m，兩側邊坡1:2.0。出口連接段軸線長42.6m，漿砌石結構，平面轉角12°，梯形過水斷面，底寬29.2m，底板高程80.7m，兩側邊坡1:2.0，護坡頂高程83.5m。末端設6m長拋石防沖槽，槽深1.5m。沙窩溝河道倒虹吸結構布置圖，見圖1。

圖1 沙窩溝河道倒虹吸結構布置圖

3 水力設計

3.1 孔口尺寸確定

根據《南水北調中線一期工程總干渠初步設計河道倒虹吸技術規定》，倒虹吸的孔口尺寸根據確定的上游水位設計壅高值和設計洪水過程、上游天然水位～流量關系曲線等，通過總水頭損失計算、調洪演算確定。經比較，擬定孔口尺寸為3×6m×6m（孔數×寬×高）進行水力計算。計算成果見表1。

表1 沙窩溝河道倒虹吸水力計算成果表

根據計算結果，本段總干渠堤頂高程按300年一遇調洪水位加高0.5m，定為87.49m，滿足總干渠左堤的防洪要求。故選定孔口尺寸為3×6m×6m（孔數×寬×高）是合適的。

3.2 消能防沖設計

倒虹吸建成后改變了天然河道的水流狀態，使倒虹吸上、下游形成一定的水位差，水流集中在主河槽處，流速加大，使河床沖刷作用加劇。100年一遇洪水下泄393m3/s，相應管內流速為3.71m/s。300年一遇洪水下泄量為504m3/ s，相應管內流速4.76m/s。消能防沖計算均采用《水閘設計規范》（SL265-2001）中公式。經計算，不需設消力池。為了減少下游河床沖刷，平順出口水流，在倒虹吸出口處設漿砌石防護。海漫計算長度為64.2m，為保證倒虹吸出口與下游銜接平順，綜合工程斜坡段及出口彎道布置，下游防護長度為91.6m，滿足要求。海漫末端附近為土質河床，經對沖刷情況進行分析，計算沖刷深度1.46m，在海漫末端設1.5m深拋石防沖槽。

4 整體水工模型實驗研究

倒虹吸不同布置形式會對整個工程水流性態造成不同影響。針對有可能出現的水力學問題，對倒虹吸進行了整體水工模型試驗，根據試驗結果，對建筑物體型、結構尺寸及進出口防護布置進行優化和調整。

4.1 研究的主要內容

沙窩溝倒虹吸呈低水頭大流量特點，水工模型試驗將對以下問題進行重點研究：

（1）了解各種可能的工況下上游水位的壅高值和壅水長度。

（2）進口漸變段有一個坡度為1:7.5的漿砌石斜坡段。觀測各種流量和水位條件下，水流經過斜坡下泄后，在坡腳處是否會出現水躍。

（3）通過試驗進一步量測各部位局部損失的大小，從而驗證倒虹吸的設計過流能力準確與否。

（4）倒虹吸的過流范圍為從重現期為5年到300年一遇的洪水，流量變幅較大。水流流態的變化，包括水流的流速分布、管身段的水流脈動壓力、水流是否會出現“挾氣”或“淤氣”現象等也是實驗關注的主要問題。

（5）工程修建后，河道水流受工程影響將發生改變，其上、下游以及倒虹吸工程附近的河床都有可能進行調整，需研究尾水渠末端及下游河道的沖刷情況。

（6）進、出水口擴散角，進口段坡度，翼墻型式等工程布置直接影響到水流條件，研究對各部位的布置進行優化，改善水流條件。

4.2 模型比尺及模型設計

模型按重力相似準則進行設計。根據工程參數以及實驗室的條件，模型采用幾何比尺為1:20的正態水工模型，模擬范圍包括進口防護段、管身段、出口防護段以及部分下游河道。建筑物模

型由有機玻璃和PVC材料制作。

4.3 試驗方案

模型孔口尺寸采用3×6m×6m（孔數×寬×高），對進口不同結構布置形式進行了方案比較。

方案一：根據原設計方案的布置，倒虹吸進口洪水位高于地面，倒虹吸進口兩側翼墻高程為87.49m，平面呈八字墻加80°圓弧翼墻，以保證進口單側進水。

方案二：方案一的基礎上，把進口翼墻高程降低到84.5m（平地面），翼墻平面布置不變，使上游洪水位高于翼墻，進口呈三面進水狀態。

方案三：方案二的基礎上，將翼墻平面布置改為大的八字墻，軸線長度為61m，范圍為進口斜坡段和水平漸變段。墻頂高程為84.5m，進口三面進水。

方案四：方案二的基礎上，在翼墻頂端和管身進口連接處分別加50cm和100cm高消渦梁。墻頂高程為84.5m，進口三面進水。

4.4 試驗結果及分析

（1）倒虹吸進出口水流流態

方案一不同重現期洪水情況下倒虹吸進出口水流流態見表2。

方案二在遇高標準洪水時，由于進口翼墻頂高程降低，洪水位高于進口翼墻后，進口附近水流受邊界影響較大，水流翻滾劇烈。

方案三當水位低于翼墻頂高程時，水流受到大八字形翼墻的約束，水流比較平順；當流量加大并且水位高于翼墻頂部后，水流現象類似于方案二。

考慮到方案二在遭遇高標準洪水時倒虹吸進口呈三面進水狀態，水流翻滾劇烈，沖刷總干渠坡腳。為平順水流，在方案二的基礎上，增加了方案四。在翼墻和管身進口連接處頂端加50cm高八字形的消渦梁和100cm高八字形的消渦梁。從試驗結果看，100cm高的梁能起到一定的消渦作用，但效果并不明顯，不能完全消除水流對管身進口頂部總干渠外坡的沖刷。

表2 方案一不同重現期洪水進出口水流流態表

（2）倒虹吸全程及上下游河道測壓管水頭線

根據量測得倒虹吸全程及上下游天然河床測壓管水頭線的變化看出：五年一遇洪水時，上游來水流量最小，其上游水面線的位置也要高于底板，接近倒虹吸進口頂高程，盡管洞口的水流淹沒水深較小，但來流量也小，在進口1:7.5的漿砌石斜坡段坡腳處沒有觀察到發生水躍現象，亦沒有出現跌水現象。其余洪水流量條件下倒虹吸沿程均沒有出現跌水或水躍現象，每個底坡變坡部位均沒有出現水流脫體或分離現象。

（3）沿程流速分布

從用旋漿流速儀測得的沿程底部流速和水流表面流速的分布情況看，流速分布比較均勻。當洪水流量小于20年一遇的流量時，其水流被限制在原河道內流動，水流流態平順，也不會出現回流現象。但當洪水流量大于50年一遇的流量后，上游水位高于84.5m，水流出現漫灘，亦無回流影響。

（4）倒虹吸的水流脈動情況

試驗中采用了128Hz和256Hz兩個采樣頻

率，分別從進口水平段中央、管身中部以及出口水平段中央三個位置測得水流脈動壓力頻譜。各點的脈動壓力均方差值相差不大，說明所選取的采樣頻率是合適的。各點水流脈動的頻率多集中在0～0.2Hz范圍內，說明倒虹吸涵洞及進水口前和出水口后的水流脈動頻率均為低頻的振動。

（5）模型試驗結論

①從四個方案的水流流態比較來看，各方案的水流流態略有差別，方案三的水流流態較方案二要好一些，但混凝土工程量較大，故就沙窩溝倒虹吸進口流態而言，綜合工程量與水流條件考慮，采用方案一。

②在不同洪水重現期流量情況下，在倒虹吸沿線及上下游河道均沒有水躍或跌水現象。

③在不同重現期洪水標準下，倒虹吸沿程流道中，推薦方案沒有出現“挾氣”或“淤氣”現象。

④從各方案沿程底部流速和水流表面流速的分布情況看，流速分布比較均勻，各孔流道間的流量分配也比較均勻。

⑤倒虹吸涵洞及進水口前和出水口后的水流脈動頻率均為低頻的振動。

⑥試驗分別對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三個洪水過程進行了模擬。在經歷一個洪水過程后，沖刷比較嚴重的部位在襯砌過的河床與原河床的接合部位后一段，最深處高程為79.3m，沖刷深度為1.4m，與計算結果基本一致。

5 結語

通過整體水工模型試驗，對南水北調中線總干渠建成后沙窩溝河道倒虹吸在各種頻率洪水下的泄流能力、水力特性及下游沖刷情況進行了研究。結果表明，倒虹吸孔口尺寸以及進出口水力學結構布置合理，水流平穩而順暢。試驗研究成果確保了沙窩溝倒虹吸的泄洪安全，同時為類似工程的水力學結構設計提供了依據。

1 南水北調中線干線工程建設管理局.南水北調中線一期工程總干渠初步設計河道倒虹吸技術規定[R],2007.1.

2 武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室.水力計算手冊[M].北京：中國水利電力出版社,2006.

3 水工（常規）模型試驗規程 [S].(SL155-95).北京：中國水利電力出版社,1995.

4 水利水電科學研究院,等編.水工模型試驗 [M].北京：水力電力出版社,1985.12.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.010

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1672-2469(2014)12-0027-04

韋亞琳（1971年—），女，教授級高級工程師。