淤积状态下渠道倒虹吸过流能力分析

崔福占

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

水环境与水生态

淤积状态下渠道倒虹吸过流能力分析

崔福占

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

以南水北调中线磁河渠道倒虹吸为例，对倒虹吸淤积状态下过流能力进行分析计算，得出了倒虹吸管内淤积厚度与过流能力的关系。

倒虹吸；淤积；过流能力

南水北调中线工程全线自流供水，采用开敞式明渠（北京段和天津干线除外），过水断面采用混凝土衬砌，二级边坡及以上一般采用框格植草护坡。由于沿线渠道边坡雨水汇入、风沙汇入，会将部分泥沙等带入渠道，使得渠道内水的含沙（泥）量增加，进而可能导致渠道淤积。而渠道倒虹吸作为区段内的相对低点，是更容易造成淤积的部位。倒虹吸淤积后，管身过水断面减小，过流能力降低，进而影响整个渠道正常输水。本文以磁河渠道倒虹吸为例，计算淤积厚度与过流能力之间的关系。

1 工程概况

磁河渠道倒虹吸工程位于河北省正定县西平乐乡小寨村西南400m处，东距京广铁路2km，东北距新乐市7km，是京石段应急供水工程的一座大型河渠交叉建筑物。建筑物全长579m，由5部分组成，其中进口渐变段长52m，进口检修闸长11.0m，管身段长438m，出口节制闸长20m，出口渐变段长58m。管身为三孔一联的钢筋混凝土箱形结构，单孔过水断面尺寸6.0m×6.1m（宽×高）。倒虹吸设计流量165m3/s，加大流量190m3/s。建筑物设计水头0.25m，进口设计水位74.129m，进口加大水位74.538m，出口设计水位73.879m，出口加大水位74.288m。

根据实测数据，现状倒虹吸流量85.56m3/s，倒虹吸出口节制闸闸前水位73.72m，闸后水位72.96m，闸门处于半开启状态；倒虹吸进口闸前水位无实测数据。

2 过流能力计算及分析

淤积状态下倒虹吸过流能力采用 《南水北调中线一期工程总干渠初步设计渠道倒虹吸技术规定》（试行）中的公式进行计算。磁河渠道倒虹吸加大流量和设计流量状态下给定的水头均为0.25m，但由于倒虹吸管身是按照加大流量确定的断面，当管身过设计流量时水头势必富余。为了保证进口的淹没度，需调节出口工作闸以抬高上游水位。

2.1 现状流量

现状流量85.56m3/s，实测出口闸前水位73.72m。在保证流量及出口闸前水位不变的前提下，假定不同的淤积厚度，推导上游水位，进而得出淤积厚度与上游水位之间的关系。计算结果如表1，关系曲线如图1。

表1 淤积厚度与上游水位关系 单位：m

图1 淤积厚度与上游水位关系

由表1和图1可以看出：

（1）随着倒虹吸管内淤积厚度的增加，倒虹吸管有效过水断面减小，上游水位逐步壅高。

（2）当管内淤积厚度达到3.338m时，上游水位较未淤积前壅高0.365m，达到设计水位74.129m；淤积进一步发展，上游水位将超设计水位，将对总干渠运行造成影响。

2.2 原设计条件

2.2.1 淤积厚度与过流量关系

进口设计水位74.129m，出口设计水位73.879m，水头损失0.25m。在保证上下游水位不变的前提下，通过水力计算，得出管道淤积厚度与过流量间的关系。计算结果如表2，关系曲线如图2。

表2 淤积厚度与过流量关系

由表2和图2可以看出：

（1）在上下游水位不变的条件下，随着管内淤积厚度的增加，倒虹吸过流能力降低，过流能力与淤积厚度成反比。

图2 淤积厚度与过流量关系

（2）由于倒虹吸管身是按照加大流量确定的断面，当用尽0.25m的水头时，在倒虹吸管不淤积的情况下倒虹吸过流能力197.8m3/s。

（3）当管内淤积厚度达到0.8m时，倒虹吸过流能力恰好为165m3/s；积程度进一步发展，在不造成上游壅水的前提下，过流能力将受到影响。

2.2.2 淤积厚度与上游水位关系

倒虹吸设计流量165m3/s，倒虹吸出口水位73.879m（设计水位），保持这两个因素不变，通过水力计算得出淤积厚度对应的上游水位。计算结果如表3，管内淤积厚度与上游水位关系曲线如图3。

表3 淤积厚度与上游水位关系 单位：m

图3 淤积厚度与上游水位关系

由表3和图3可以看出：

（1）在倒虹吸不淤的条件下，倒虹吸进口水位74.042m，低于设计水位74.129m。

（2）当管内淤积达到0.87m时，上游水位壅高0.109m，达到设计水位74.129m。

（3）随着淤积的进一步发展，上游水位将超过设计水位。

3 结语

（1）现状过流条件下，即过流量85.56m3/s，当淤积厚度达3.338m时，上游水位较未淤积前壅高0.365m，达设计水位74.129m；淤积进一步发展，倒虹吸过流将受到影响。

（2）在上、下游设计水位条件下，当管内淤积厚度达0.8m时，倒虹吸过流能力恰好为165m3/s；淤积程度进一步发展，在不造成上游壅水的前提下，倒虹吸过流能力受到影响。

（3）倒虹吸过设计流量165m3/s，当管内淤积达0.87m时，上游水位壅高0.109m，达设计水位74.129m；淤积继续发展，总干渠运行将受到影响。

（4）倒虹吸过流量越小，淤积对其过流能力的影响越小。

［1］水利部河北水利水电勘测设计研究院.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［R］.2004.

［2］焦阳.浅谈长江流域中汉江段流量与含沙量关系［J］.企业技术开发，2015（11）.

［3］刘东生，熊明，董伟.丹江口水库下游浑水与清水冲刷特点对比分析［J］.水利水电快报，1998（12）.

［4］李娟，韩明轩，牧振伟，等.倒虹吸工程水力学模型试验［J］.南水北调与水利科技，2012（4）.

［5］石俊营，田志中.南水北调中线总干渠淇河渠倒虹吸水力学模型试验研究［J］.水利规划与设计，2006（1）.

（责任编辑：王艳肖）

Analysis of flow capacity of inverted siphon under silting condition

CUIFu-zhan
（HebeiResearch Institute of Investigation&Design ofWater Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

Taking the inverted siphon in themiddle route of South to North Water Transfer Project for example，the flow capacity of inverted siphon under silting condition is analyzed and calculated，the relation between sediment thickness and flow capacity in the inverted siphons is obtained.

inverted siphon；silting；flow capacit

TV67

B

：1672-9900（2017）04-0024-03

2017-06-19

崔福占（1978－），男（汉族），河北唐山人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作，（Tel）13752112724。