□杨锋

复杂边界条件下穿河倒虹吸行洪口门宽度方案比选

□杨锋

山前冲积扇河道往往河床游荡，冲沟分散，沙洲密布，流路散乱，边界条件十分复杂，如何合理确定穿河倒虹吸的行洪口门宽度，是工程成败的关键。本文以南水北调中线工程总干渠南沙河倒虹吸为例，比选行洪口门宽度方案，供类似工程参考。

行洪口门；数学模型；物理模型

南沙河倒虹吸工程位于河北省沙河市高店村东北2km处的南沙河上，工程由南段倒虹吸、中间明渠、北段倒虹吸组成，全长4335m，其中南、北段倒虹吸管长分别为1070m和870m。倒虹吸为1级建筑物，设计流量230m3/s，加大流量250m3/s，防洪标准为100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。

1.河道形态

倒虹吸轴线上下游16km的河段范围内，上游段长约3km，处于山区向丘陵平原地带的过渡带，河道平均宽度2000m左右。中游河段长7～8km，处于丘陵向平原的过渡带，河道扩展平均宽度4.0km左右，河床内开始出现江心洲，洲长约6km，最宽处2～2.5km，洲面平均高程高于两侧河床1.5～2m，江心洲的存在使河道分成南北两汊。下游河段长约5～6km，河宽由4km减至京广铁路桥处1km左右，此段河道宽浅多沙，滩槽高差较小，主槽不明显，断面不规整，沙洲基本消失。

2.行洪口门宽度确定

南水北调中线总干渠与南沙河交叉断面处，河道被江心洲一分为二，分为南、北两汊河道。工程所在河段的水流流势流态复杂，同时受两汊河道分流比、冲刷、雍水等因素的影响，口门宽度确定的难度大大增加。为确定合理的口门宽度，本工程先后采用常规水力学计算、二维水沙数学模型试验和动床物理模型试验等多种方法进行分析。由于常规水力学计算方法存在较大的局限性，故选用二维水沙数学模型和动床物理模型试验成果分析交叉断面行洪口门宽度的合理性。经比较，数模与物模成果较为接近。受计算机容量限制，数模剖分网格不能过小，难以准确反映局部细微地形，有一定的概化成分，而物模则能较准确反映某一点的地形变化，经综合比较分析，工程设计采用物理模型计算成果。

根据“96·8”洪水过后实测洪痕结果，南沙河洪水过水断面宽为：南汊宽1400m，其中深槽宽700m，浅滩宽700m；北汊宽1140m，其中深槽宽700m，浅滩宽440m；江心洲水面宽1150m。拟定了4个行洪口布置方案，方案1～方案4的南汊口门宽度分别为1000m、1200m、1200m和800m，北汊口门宽度分别问800m、800m、1000m和1000m。试验成果见表1。

以上各方案的冲刷深度及壅水高度均随行洪口门宽度的增大而逐渐降低。对于行洪口门总宽度相同的方案1和方案4，因两方案在南、北汊河道布置的口门宽度各不相同，引起的冲刷深度和水位壅高值也有所差别，但从整个交叉断面综合比较，二者基本相同。方案4在南汊水位壅高值为1.52m，较方案1增加0.21m。从南沙河地形分析，其基本形态为北高南低，由于北岸为天然高坎，壅水对其防洪影响甚微，而南岸为低洼地带，壅水对南岸防洪的影响较为敏感，从防洪安全角度考虑，方案1较为合适。

方案2是在方案1的基础上南汊行洪口门增加200m，与方案1比较，其冲刷和壅水条件均没有明显的改善，方案2不合理。

方案3是在方案1的基础上南、北汊行洪口门各增加200m，相对于方案1，其冲刷深度可降低0.81～1.04m，壅水高度可减少0.27～0.41m，对口门的行洪条件较为有利。为确定口门宽度的最优方案，需对方案1和方案3进行综合比较。

表1 模型试验行洪口门布置方案

方案3口门宽度较方案1增加400m,需要加长倒虹吸管400m,相应地中间明渠长度缩短400m，综合考虑堤防加固影响，方案3的增加投资为4885万元。

综合以上分析，方案1优于方案3，故本工程的口门方案确定为方案1，即南汊河道1000m，北汊河道800m。

3.结语

在宽浅河道，特别是山前扇形的宽浅河道的水流流势等边界条件复杂，常规计算方法无法准确考虑多种边界条件的影响，往往需要借助模型试验加以分析。

由江心洲分割为两汊河道的行洪口门宽度确定，关键点之一是合理确定两汊河道的分流比值，其值的合理与否直接影响工程布置、工程安全及工程的经济性。□

2016-05-06

杨锋，男，侗族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，正高级工程师。