北拒马河南支河道总干渠倒虹吸上下游段水面线分析

王岩波

（河北供水有限责任公司，石家庄 050000）

1 项目概况

1.1 工程概况

北拒马河南支河道总干渠倒虹吸工程位于涿州市赵家铺村东， 是南水北调中线京石段应急供水工程总干渠上的主要输水建筑物。建筑物全长815m。相应口门宽度为600m。工程等别为Ⅰ等，主体建筑物为1级，设计流量60m3/s，加大流量70m3/s，防洪标准为河道100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核，100年一遇洪峰流量3290m3/s，300 年一遇洪峰流量4520m3/s，建筑物地震设计烈度为7度。交叉断面以上总流域面积4966km2， 渠线与北拒马河南支水流方向呈67°交角［1］。

2012年“7·21”洪水过后，为保护倒虹吸管身的安全，实施了管身段应急工程，应急工程于2015年已实施完成，主要是对主槽段管身进行了防护，防护范围为：垂直水流440m，顺水流74.8m，其中建筑物轴线上游31.45m，下游43.35m。 水平防护要求主槽段回填至高程60.1m，滩地段回填至高程62.1m。

拟建工程将结合2012年“7·21”洪水后防护，主要对倒虹吸进、出导流堤下游及左、右岸滩地管身段进行防护，以减少倒虹吸部位的河道冲刷，保护倒虹吸的安全，确保南水北调中线工程供水体系的正常运行。

1.2 河道现状

根据测量地形资料可知， 北拒马河南支倒虹吸轴线上游115m和下游100m存在连续深坑。 其中北拒马河南支倒虹吸上游形成一个连续长度约4.5km的深坑河段， 下游形成2个长度共约8.75km的深坑河段，共有3个大的深坑河段。其中倒虹吸上、下游河段河道纵断如图1。

图1 北拒马河南支倒虹吸上、下游河段河道纵断图

紧邻北拒马河南支倒虹吸上游第一个连续深坑上缘距离倒虹吸轴线115m， 桩号0+100～0+4600间约4.5km低洼河段，深坑宽约70～770m；河段河底高程由60.96～66.78m下降至38.33～62.66m， 河底纵坡由采砂前的0.13%增至0.4%，深坑最大深度达27m左右。

紧邻北拒马河南支倒虹吸下游第一个连续深坑上缘距离倒虹吸轴线约100m， 即桩号-（0+100），桩号-（0+100）～-（3+000） 间的2.87km低洼河段河底高程由47.86～56.96m下降至28.17～47.65m，河底纵坡由采砂前的0.43%骤增至1.07%， 沙坑最大深度达26m左右。

下游第二个连续深坑上缘位于北拒马河南支倒虹吸轴线下游约3200m处，即桩号-（3+200），桩号-（3+200）～-（9+050）间的5.85km的低洼河段河底高程由22.33～46.08m下降至21～26.84m，深坑最大深度达30m左右。

现阶段河道地形较2012年实测地形发生了变化，交叉断面上下游深坑范围进一步加大，距倒虹吸更近，深度更深。

为了分析北拒马河南支渠道倒虹吸处及上下游河道的现状水面线情况，需对河道水面线进行推算。本次计算了渠道倒虹吸处上下游河段的5～300年一遇洪水及小流量洪水100m3/s和200m3/s的洪水位。

2 计算方法及条件

2.1 计算方法

推求河段某个断面处某一流量下的水位， 据此可连接出一条对应于该流量的水面曲线［2］。 采用恒定非均匀流计算方法推算天然河道水面线，公式为［3］：

式中 n为河床糙率；ω为过水断面面积（m2）；R为过水断面水力半径（m）。

倒虹吸位置上下游河段水位采用常规水力学恒定非均匀流水面线法推算。2021年9月对南水北调中线总干渠倒虹吸上、 下游共计7.5km的河段进行了纵、横面测量，其中上游3.5km，下游4.0km，共计实测横断面46个。

该河段现状采砂较为严重， 水面线推算过程中的断面数据采用2021年9月实测的河道纵、横断面资料。 为反映交叉断面倒虹吸上、 下游的水位跌落情况，根据河道实际地形，现状水面线从下游至上游分2段分别进行推算。由于倒虹吸下游100m为坎上和坎下的分界，因此第一段为坎下范围，即交叉断面下游100m至倒虹吸下游第一个深坑群的末端； 第二段为坎上范围，即交叉断面上游3.5km至交叉断面倒虹吸处下游100m处。

水面线采用美国“HEC-RAS5.0.3”计算软件，计算北拒马河南支渠道倒虹吸工程上下游河道范围内的现状水面线。

2.2 计算条件

2.2.1 设计流量

北拒马河南支设计洪峰流量有初步设计阶段已批复成果和2017年《大清河流域设计洪水复核报告》洪水成果。 对比张坊站初设阶段的各个标准洪水成果，2017年批复的《大清河流域设计洪水复核报告》中，50～300年的高标准洪水成果与初步设计阶段设计洪水成果基本一致，3～20年一遇的中低标准洪水较初步设计阶段成果减小13%～43%， 张坊站不同标准洪水成果对比如表1。南水北调中线总干渠与北拒马河南支交叉建筑物为1级建筑物， 按100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。

表1 张坊站设计洪峰流量成果对比

考虑到工程设计洪水的安全性、 连续性和一致性，防护工程不同标准的设计洪水成果推荐采用《南水北调中线京石段应急供水工程（石家庄至北拒马河段）初步设计报告》（2004年7月）成果。北拒马河南支采用洪峰流量如表2。

表2 北拒马河南支设计洪水成果

2.2.2 河道糙率选取

糙率是反映河流阻力的综合性参数， 也是衡量河流能量损失大小的一个特征量， 根据水流和河槽状况而变化。随着河槽边壁粗糙程度不同，滩地植被的差异及河槽形态的变化，糙率也在变化。

2012年8月本院完成《拒马河涞源县丰乐村～冀京界段治导线规划》，该报告根据拒马河2012年“7·21”洪水过程和实测断面红痕水位对拒马河河道糙率进行了率定，确定拒马河综合糙率为0.04。 2012年“7·21”洪水过程，拒马河洪水标准在紫荆关附近相当于20年一遇， 涞水县店上至白涧段介于10～20年一遇，白涧以下河段不足10年一遇。 由于2012年实测拒马河洪水标准偏低，率定糙率成果偏大，且本段河道在拒马河下游，边界条件与拒马河不一致，所以本次复核未采用2012年拒马河率定糙率成果。 根据河道现状和地质资料，本次糙率分滩槽进行选取，主槽糙率20年防洪标准以下采用0.03，50年防洪标准以上取0.025，滩地糙率取0.07。

2.2.3 起推水位

本河段无实测水位～流量关系资料，施测河段内无控制性工程。 第一段交叉断面下游100m至倒虹吸下游第一个深坑群的末端， 起推断面采用倒虹吸下游第一个深坑群的末端即涿涞路处断面， 实测断面桩号-（3+000）处，由于涿涞路与下游深坑坑底高差较大，因此起推断面的水位采用堰上水头（即临界水深）。 第二段范围为交叉断面上游3.5km至交叉断面倒虹吸下游100m处，起推断面采用倒虹吸下游100m处断面，即实测断面桩号-（0+100）处，由于倒虹吸下游100m与下游第一个深坑坑底高差较大，起推断面处水位采用堰上水头 （即临界水深）进行计算。

3 水面线结果

根据前述的计算方法和条件，以桩号-（0+100）为界，河道坎上、坎下两段河段分别自下游向上游推求水面线， 在计算软件中输入包括断面数据、 糙率、 流量等指标。 本文选取倒虹吸上下游各500m范围内的洪水位计算结果， 不同标准的计算结果如表3。

表3 北拒马河南支河道总干渠倒虹吸上下游河段水面线结果 单位：m

4 结语

北拒马河南支交叉断面倒虹吸上游115m和下游100m存在连续深坑，与倒虹吸之间形成跌坎。进行水位分析时，交叉断面坎上河道流态为缓流，在重力作用下，靠近跌坎断面，水流流速增加，流线弯曲，水流流态由恒定流向急变流转变［4］，水面线从坎上水深跌至坎下，形成跌水。本次分段采用恒定非均匀流计算方法，解决了坎上和坎下水位跌落的问题。倒虹吸交叉断面及上下游水位如表3。 倒虹吸桩号-（0+100）～-（0+200）处，跌坎上下河底高程相差14.62m，各标准水位差为5.42～11.02m。 各标准跌坎处水位差如表4。

表4 拒马河南支交叉断面跌坎处水位差 单位：m

由表4看出，坎上和坎下的水位差从低标准至高标准水位差逐渐减小，因此要特别关注中、低标准洪水跌落对工程的影响。 跌水伴随着大量势能向动能转化，具有能量大和冲刷剧烈等特征［5］。 因此，要采取一定的防护措施，消除跌水影响，保护倒虹吸的安全运行。