引江济淮工程三河跌水设计方案比选

李 亮 宁 博

（安徽省水利水电勘测设计院 合肥 230088）

引江济淮工程由长江下游引水，向淮河中游地区补水，是一项以城乡供水和发展江淮航运为主，结合灌溉补水和改善巢湖及淮河水生态环境等综合利用的大型跨流域调水工程。引江流量300m3/s，入淮流量280m3/s。输水干线长723km，自南向北可划分为引江济巢、江淮沟通、江水北送三大工程段落。

引江济巢段菜子湖线路自枞阳引江枢纽经菜子湖调蓄后，由南向北穿越地势较低的丘陵区鞍部，至白石天河入巢湖，线路全长113.18km。菜子湖线输水河渠挖宽挖深后，现有水系被打断破坏，为使现有水系平顺汇入该工程输水河渠，需要新建一批大中型排洪建筑物。由于跌差较大，在明渠工程中常采用的排洪建筑物有陡坡和跌水。如采用陡坡型式，流速过大，既不利于布置消能设施，由于输水河渠有通航要求，又不利于控制入河流速，影响河渠边坡稳定和行船安全。因此，排洪建筑物设计采用跌水的型式。

1 工程概况

新建的三河跌水位于菜子湖线路柯坦河支流段河渠桩号70+620的左岸边坡上，用以排泄柯坦河支流来水，其进水渠现状河底宽约10.5m，底高程25.85m，两侧地面高程约28.80m，边坡1∶2.5，规划10年一遇设计流量45m3/s。三河跌水所在位置输水河渠设计底高程3.73m，底宽45m，一级边坡1∶3.5，二级以上边坡1∶3.0，边坡每升高6.0m设平台，其中二级平台宽8m，其他平台宽3m，跌水处河底高差22.12m。

三河跌水地层分布情况自上而下如下：⑤层重粉质壤土：棕黄、棕黄夹灰色，硬可塑～硬塑，属中等压缩性土。层全风化片麻岩：一般为灰黄夹褐灰色，砂壤土夹细砂状。层强风化片麻岩：呈灰黄、灰绿色，碎屑状、碎石状。层中等风化～新鲜片麻岩，深灰色，局部略带肉红色，未揭穿。场地各层土强度均较高，承载力能满足要求，可采用天然地基。

2 跌水方案布置与比选

三河跌水跌差达22.12m，结构布置尺寸通过相关水力计算获得。针对跌水的不同型式，拟采用竖井式跌水、开敞式多级跌水两个方案进行技术经济比选。

2.1 方案一：竖井式跌水方案

图1 方案一布置图

图2 方案二布置图

图3 三河跌水入渠处流场分布图

表1 方案工程量和直接费比较表

进口宽度由跌井消能需要确定，净宽取10.0m，顺坡向陡坡后接钢筋混凝土竖井式跌水。第一级竖井式跌水长20.0m，由开敞式跌井与箱涵构成，跌井平面净尺寸为：2（孔）×15.0m（长）×5.0m（宽），底板厚1.5m。两侧墙采用钢筋混凝土实体墙，顶宽0.5m，底宽1.5m，并与跌井底板形成整体结构，跌井中间设两排对撑梁以保证结构稳定；跌井后接9.0m长箱涵，箱涵孔口尺寸为：2（孔）×5.0m（高）×5.0m（宽），底板、顶板厚度分别为1.5m和0.5m，两侧边墙厚0.5～1.5m。第二级跌井长11.95m，跌差6.0m，为箱涵结构，底板高程为输水渠道底高程，以利用下游水垫消能，箱涵孔口尺寸为：2（孔）×10.3m（高）×5.0m（宽），底板厚1.5m，顶板厚0.5m，两侧边墙厚0.5～1.5m，箱涵中间设两排对撑梁。出口连接整流段总长39.05m，前段为长15.05m的钢筋混凝土出水箱涵，分两节，第一节长度7.55m，第二节长度7.5m，底板、顶板、边墙厚度均为0.5m，箱涵尺寸为：2（孔）×5.0m（高）×5.0m（宽）；后段接长24.0m的扩散段，扩散段底板为1.0m厚的钢筋混凝土，两侧翼墙平面上呈八字型布置，分两段，第一段为C25钢筋混凝土扶壁翼墙，第二段为C20素混凝土翼墙。方案一布置见图1。

2.2 方案二：开敞式多级跌水方案

进口涵洞后接6级跌水，第一级跌水跌差3.42m，中间四级每级跌水跌差均为4.00m，末级跌水跌差2.70m，总跌差22.12m。由于输水河渠船舶航行安全需要，跌水消力池选用消能相对充分、稳定的矩形横断面，跌水总净宽10.0m。从上游往下游，各级跌水长度分别为14.36m、15.0m、15.0m、15.0m、15.0m、24.0m，每级跌水末端设连续消力坎，坎高1.0m。跌水两侧边墙采用扶壁式挡土墙，挡土高度最大7.5m，底板、边墙厚分别为0.6m、0.5m。末级跌水为长24.0m的扩散段，扩散段底板为1.0m厚的钢筋混凝土，两侧边墙布置同方案一。二级平台为满足交通要求，跌水上部设管护道路交通桥，桥梁共1跨，跨长10.0m，桥面总宽7.0m。方案二布置见图2。

2.3 方案比选

上述两种跌水方案的可比工程量和直接费见表1。（1）从投资方面看，方案一相比方案二投资较省，工程直接费减少130.63万元。（2）从水流跌落、消能及适应下游水位变化方面看，方案一水流跌落、消能在跌井及出口段箱涵内完成，水流跌落过程处于封闭状态，箱涵末节顶板兼作二级平台交通桥，适应支流来流流量变化及下游输水渠道水位变化范围均较大；方案二多级跌水为敞开式布置，水流在多级跌水内跌落、消能，消力池内水流紊乱，在流量较大情况下，水流有可能跃出消力池进入输水河渠边坡，水流流态差，不利于船舶船行安全，同时开口较大，在二级平台布置的交通桥易受水流冲击，对交通安全不利。（3）跌水进口柯坦河支流10年一遇设计流量45.0m3/s，相对主要支流流量较小，枯水期甚至还会断流，多级跌水景观效果差；而跌井是封闭式布置，不影响视觉效果。综上所述，设计推荐方案一，即竖井式跌水方案。

3 横向流速影响分析

由于水流跌落过程不能影响输水河渠边坡稳定和行船安全，竖井式跌水方案采取跌井消能、在水流进入航道处扩大出口断面等措施，经水力学计算跌水扩散段在通航水域处出口横向流速为0.26m/s；同时，由建立的交叉河道与输水航道二维水动力学模型计算可得，跌水入渠处横向流速在0.25m/s以内，其流场分布如图3所示。通过上述分析，三河跌水入渠处横向流速小于0.3m/s，对通航影响较小，满足通航的横向流速要求。

4 结束语

跌水作为引江济淮工程中一类重要的渠系建筑物，为输水河渠两岸支流洪水顺利下泄入渠起到至关重要的作用，发挥着重大工程效益。考虑到某些支流与引江济淮工程输水河渠落差大，水流经跌水消能后出池流速仍较大，流速分布难以精确分析，因此，在工程设计中，需进一步通过模型试验的方法研究跌水的结构布置型式，以模拟及验证通航水域的横向流速和流态分布，从而为工程顺利实施提供更可靠的技术保障■