王巖波

（河北供水有限責任公司，石家莊 050000）

1 項目概況

1.1 工程概況

北拒馬河南支河道總干渠倒虹吸工程位于涿州市趙家鋪村東， 是南水北調中線京石段應急供水工程總干渠上的主要輸水建筑物。建筑物全長815m。相應口門寬度為600m。工程等別為Ⅰ等，主體建筑物為1級，設計流量60m3/s，加大流量70m3/s，防洪標準為河道100年一遇洪水設計，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，建筑物地震設計烈度為7度。交叉斷面以上總流域面積4966km2， 渠線與北拒馬河南支水流方向呈67°交角［1］。

2012年“7·21”洪水過后，為保護倒虹吸管身的安全，實施了管身段應急工程，應急工程于2015年已實施完成，主要是對主槽段管身進行了防護，防護范圍為：垂直水流440m，順水流74.8m，其中建筑物軸線上游31.45m，下游43.35m。 水平防護要求主槽段回填至高程60.1m，灘地段回填至高程62.1m。

擬建工程將結合2012年“7·21”洪水后防護，主要對倒虹吸進、出導流堤下游及左、右岸灘地管身段進行防護，以減少倒虹吸部位的河道沖刷，保護倒虹吸的安全，確保南水北調中線工程供水體系的正常運行。

1.2 河道現狀

根據測量地形資料可知， 北拒馬河南支倒虹吸軸線上游115m和下游100m存在連續(xù)深坑。 其中北拒馬河南支倒虹吸上游形成一個連續(xù)長度約4.5km的深坑河段， 下游形成2個長度共約8.75km的深坑河段，共有3個大的深坑河段。其中倒虹吸上、下游河段河道縱斷如圖1。

圖1 北拒馬河南支倒虹吸上、下游河段河道縱斷圖

緊鄰北拒馬河南支倒虹吸上游第一個連續(xù)深坑上緣距離倒虹吸軸線115m， 樁號0+100～0+4600間約4.5km低洼河段，深坑寬約70～770m；河段河底高程由60.96～66.78m下降至38.33～62.66m， 河底縱坡由采砂前的0.13%增至0.4%，深坑最大深度達27m左右。

緊鄰北拒馬河南支倒虹吸下游第一個連續(xù)深坑上緣距離倒虹吸軸線約100m， 即樁號-（0+100），樁號-（0+100）～-（3+000） 間的2.87km低洼河段河底高程由47.86～56.96m下降至28.17～47.65m，河底縱坡由采砂前的0.43%驟增至1.07%， 沙坑最大深度達26m左右。

下游第二個連續(xù)深坑上緣位于北拒馬河南支倒虹吸軸線下游約3200m處，即樁號-（3+200），樁號-（3+200）～-（9+050）間的5.85km的低洼河段河底高程由22.33～46.08m下降至21～26.84m，深坑最大深度達30m左右。

現階段河道地形較2012年實測地形發(fā)生了變化，交叉斷面上下游深坑范圍進一步加大，距倒虹吸更近，深度更深。

為了分析北拒馬河南支渠道倒虹吸處及上下游河道的現狀水面線情況，需對河道水面線進行推算。本次計算了渠道倒虹吸處上下游河段的5～300年一遇洪水及小流量洪水100m3/s和200m3/s的洪水位。

2 計算方法及條件

2.1 計算方法

推求河段某個斷面處某一流量下的水位， 據此可連接出一條對應于該流量的水面曲線［2］。 采用恒定非均勻流計算方法推算天然河道水面線，公式為［3］：

式中 n為河床糙率；ω為過水斷面面積（m2）；R為過水斷面水力半徑（m）。

倒虹吸位置上下游河段水位采用常規(guī)水力學恒定非均勻流水面線法推算。2021年9月對南水北調中線總干渠倒虹吸上、 下游共計7.5km的河段進行了縱、橫面測量，其中上游3.5km，下游4.0km，共計實測橫斷面46個。

該河段現狀采砂較為嚴重， 水面線推算過程中的斷面數據采用2021年9月實測的河道縱、橫斷面資料。 為反映交叉斷面倒虹吸上、 下游的水位跌落情況，根據河道實際地形，現狀水面線從下游至上游分2段分別進行推算。由于倒虹吸下游100m為坎上和坎下的分界，因此第一段為坎下范圍，即交叉斷面下游100m至倒虹吸下游第一個深坑群的末端； 第二段為坎上范圍，即交叉斷面上游3.5km至交叉斷面倒虹吸處下游100m處。

水面線采用美國“HEC-RAS5.0.3”計算軟件，計算北拒馬河南支渠道倒虹吸工程上下游河道范圍內的現狀水面線。

2.2 計算條件

2.2.1 設計流量

北拒馬河南支設計洪峰流量有初步設計階段已批復成果和2017年《大清河流域設計洪水復核報告》洪水成果。 對比張坊站初設階段的各個標準洪水成果，2017年批復的《大清河流域設計洪水復核報告》中，50～300年的高標準洪水成果與初步設計階段設計洪水成果基本一致，3～20年一遇的中低標準洪水較初步設計階段成果減小13%～43%， 張坊站不同標準洪水成果對比如表1。南水北調中線總干渠與北拒馬河南支交叉建筑物為1級建筑物， 按100年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核。

表1 張坊站設計洪峰流量成果對比

考慮到工程設計洪水的安全性、 連續(xù)性和一致性，防護工程不同標準的設計洪水成果推薦采用《南水北調中線京石段應急供水工程（石家莊至北拒馬河段）初步設計報告》（2004年7月）成果。北拒馬河南支采用洪峰流量如表2。

表2 北拒馬河南支設計洪水成果

2.2.2 河道糙率選取

糙率是反映河流阻力的綜合性參數， 也是衡量河流能量損失大小的一個特征量， 根據水流和河槽狀況而變化。隨著河槽邊壁粗糙程度不同，灘地植被的差異及河槽形態(tài)的變化，糙率也在變化。

2012年8月本院完成《拒馬河淶源縣豐樂村～冀京界段治導線規(guī)劃》，該報告根據拒馬河2012年“7·21”洪水過程和實測斷面紅痕水位對拒馬河河道糙率進行了率定，確定拒馬河綜合糙率為0.04。 2012年“7·21”洪水過程，拒馬河洪水標準在紫荊關附近相當于20年一遇， 淶水縣店上至白澗段介于10～20年一遇，白澗以下河段不足10年一遇。 由于2012年實測拒馬河洪水標準偏低，率定糙率成果偏大，且本段河道在拒馬河下游，邊界條件與拒馬河不一致，所以本次復核未采用2012年拒馬河率定糙率成果。 根據河道現狀和地質資料，本次糙率分灘槽進行選取，主槽糙率20年防洪標準以下采用0.03，50年防洪標準以上取0.025，灘地糙率取0.07。

2.2.3 起推水位

本河段無實測水位～流量關系資料，施測河段內無控制性工程。 第一段交叉斷面下游100m至倒虹吸下游第一個深坑群的末端， 起推斷面采用倒虹吸下游第一個深坑群的末端即涿淶路處斷面， 實測斷面樁號-（3+000）處，由于涿淶路與下游深坑坑底高差較大，因此起推斷面的水位采用堰上水頭（即臨界水深）。 第二段范圍為交叉斷面上游3.5km至交叉斷面倒虹吸下游100m處，起推斷面采用倒虹吸下游100m處斷面，即實測斷面樁號-（0+100）處，由于倒虹吸下游100m與下游第一個深坑坑底高差較大，起推斷面處水位采用堰上水頭 （即臨界水深）進行計算。

3 水面線結果

根據前述的計算方法和條件，以樁號-（0+100）為界，河道坎上、坎下兩段河段分別自下游向上游推求水面線， 在計算軟件中輸入包括斷面數據、 糙率、 流量等指標。 本文選取倒虹吸上下游各500m范圍內的洪水位計算結果， 不同標準的計算結果如表3。

表3 北拒馬河南支河道總干渠倒虹吸上下游河段水面線結果 單位：m

4 結語

北拒馬河南支交叉斷面倒虹吸上游115m和下游100m存在連續(xù)深坑，與倒虹吸之間形成跌坎。進行水位分析時，交叉斷面坎上河道流態(tài)為緩流，在重力作用下，靠近跌坎斷面，水流流速增加，流線彎曲，水流流態(tài)由恒定流向急變流轉變［4］，水面線從坎上水深跌至坎下，形成跌水。本次分段采用恒定非均勻流計算方法，解決了坎上和坎下水位跌落的問題。倒虹吸交叉斷面及上下游水位如表3。 倒虹吸樁號-（0+100）～-（0+200）處，跌坎上下河底高程相差14.62m，各標準水位差為5.42～11.02m。 各標準跌坎處水位差如表4。

表4 拒馬河南支交叉斷面跌坎處水位差 單位：m

由表4看出，坎上和坎下的水位差從低標準至高標準水位差逐漸減小，因此要特別關注中、低標準洪水跌落對工程的影響。 跌水伴隨著大量勢能向動能轉化，具有能量大和沖刷劇烈等特征［5］。 因此，要采取一定的防護措施，消除跌水影響，保護倒虹吸的安全運行。