北赵引黄二期工程倒虹扩容设计方案比选

叶雄俊

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原030024）

运城市北赵引黄灌区二期工程位于临猗、万荣、盐湖、闻喜四县（区）境内，主要解决以上四县（区）的峨嵋台地旱地问题。该区域水资源缺乏，耕地无法灌溉，通过兴建北赵引黄二期工程，可以充分利用北赵引黄工程现有的水利设施，有效地解决灌区干旱缺水问题，促进当地农业经济的发展。

当灌区扩建所需的水量增加时，首先需要对原有输水渠道及配套渠系建筑物重新进行水力复核计算，分析改扩建的必要性。本文主要计算分析干渠渠道建筑物倒虹吸的改扩建方案。

1 工程概况

运城市北赵引黄工程（为了便于区分将其简称为一期工程）位于山西省运城市西北部的万荣县、临猗县和河津市境内，主要建设内容是在万荣、临猗两县的峨嵋台地上新发展3.4万hm2灌区（其中改善面积0.28万hm2），设计流量15.06 m3/s。

灌区范围为：南部与临猗县回龙和夹马口北扩两灌区相接，北部与万荣县西范灌区相邻，西至黄（汾）河阶地，东达孤山东侧。受益区域涉及万荣和临猗两县11个乡镇、122个行政村、18.03万人。

一期工程的水源来自于山西省禹门口一级站改扩建工程，通过清水复流北赵联接段工程的渠道和汾河主河道将水送至汾河庙前进水闸，引至庙前一级站前池。所涉及的灌区工程主要包括三级五站和干、支骨干渠道。三级五站为庙前一级站、谢村二级站、南干二级站、北干三级站和中干三级站。三级五站累计设计扬程380.5 m，共安装机组24台，总装机容量73 515 kW。灌区干渠总长98.834 km，其中总干渠长7.732 km，北干渠长15.613 km，中干渠长32.489 km，南干渠长30.66 km。南分干渠有3条，共长12.34 km。万亩支渠有19条，共长105.34 km。

北赵引黄二期工程是在一期工程的基础上，将灌区范围向北、向东延伸，涉及临猗、万荣、盐湖、闻喜四县（区），分别从一期工程的中干渠、北干渠及南干渠取水，新发展农业灌溉面积1.467万hm2，其中临猗0.155万hm2、万荣0.395万hm2、盐湖区0.483万hm2、闻喜0.434万hm2。同时，改善一期工程中的灌溉面积0.546万hm2。受益区涉及四县区十个乡镇。包括临猗县北辛乡，万荣县南张、万泉、汉薛、皇甫4个乡镇，盐湖区上郭、三路里、上王3个乡镇，闻喜县郭家庄和神柏2个乡镇。

为了新发展的1.467万hm2农业灌溉面积，需要扩建一期工程中干渠渠道27.44 km及附属建筑物，新建二期工程干渠37.07 km及附属建筑物。

其中一期工程中干渠渠道有四座建筑物原设计为渡槽，后因工期原因改为倒虹，分别为焦家营倒虹、新寺庄倒虹、袁家庄倒虹和马家庄倒虹。变更后中干渠渠道的过流能力已经达不到原先设计流量，详见水力计算分析。

2 水力计算分析

渡槽改倒虹的位置分别为焦家营倒虹、新寺庄倒虹、袁家庄倒虹和马家庄倒虹，倒虹均采用钢管，管内径为1.8 m，管道长度分别为114.8 m、389.6 m、136.52 m和219.5 m。

经水力计算分析，通过对比倒虹现状过流能力和通过设计流量时的水头损失，确定倒虹扩容改建的可行性和必要性。

1）倒虹吸水力学计算公式

倒虹吸过流能力计算采用《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》（SL482-2011）附录C中有关公式。倒虹吸管的总水头损失计算公式为：

倒虹吸过流能力计算公式为：

式中：Q——倒虹吸管道流量，m3/s；

hj——倒虹吸管局部水头总损失，m；

hf——倒虹吸管沿程阻力总水头损失，m；

ξ——局部水头损失系数；

C——管身计算段水流谢才系数；

R——管身计算段水流的水力半径；

L——管身计算段管长，m；

μ——流量系数；

ω——倒虹吸管道出口横断面积，m2；

ω2——进口渐变段末端的过水面积，m2；

g——重力加速度，m/s2；

ΔZ2——进口渐变段末端断面至管道出口断面的水面落差，m；

v——倒虹吸管道断面的平均流速，m/s；

2）倒虹现状过流能力计算

根据现状，原来的渡槽进出口渠道早已施工完成。为了维持现状，在不产生壅水和额外加高渠道的前提下，每个倒虹的过流能力计算结果如表1。

3）倒虹设计流量下水头损失计算

设计流量为5.28 m3/s时，各倒虹水头损失见表2。

由表1和表2分析可知，现有焦家营倒虹、袁家庄倒虹和马家庄倒虹均不能满足设计流量要求，即当来水为设计流量5.28 m3/s时，会出现进口渠道水位上升，上升到一定高度，即满足倒虹过流损失时，才能通过设计流量5.28 m3/s。

依据中干渠渠道的断面，设计水深为1.76 m，设计渠深为2.4 m。在没有经过工程处理，通过设计流量时，焦家营倒虹、袁家庄倒虹和马家庄倒虹这3座倒虹进口渠道水深分别是2.33 m、2.31 m和2.48 m，已经接近渠顶或超过渠顶。同时，因为袁家庄倒虹进口渠道存在壅水和回水问题，而新寺庄倒虹由于与袁家庄倒虹距离很近，导致新寺庄倒虹进出口渠道也出现壅水现象，从而可能导致工程事故；若按正常渠道水深运行的话，倒虹的过流能力不能满足一、二期工程流量要求，因此需要对渡槽改倒虹后产生的问题重新进行方案设计，既要满足安全运行的条件，也要满足扩建后的流量要求。

表1 倒虹现状过流能力复核表

表2 倒虹设计流量下水头损失表

3 设计方案

针对倒虹扩容改建，本次设计考虑三种方案，分别是渠道加高、增加倒虹管道和更换现有倒虹管道。

3.1 方案一：渠道加高方案

1）水力学计算

通过渠道水位衔接计算，水流通过倒虹时产生水头损失。当流量增加时，会在倒虹进口形成壅水，上游渠道产生非均匀流，水位为M1壅水曲线。需要进行非均匀流水面线计算，采用分段求和法，从渠道尾部向上游推算，计算公式见式4，倒虹设计流量水头损失见表2。

式中：Q——流量，m3/s；

g——重力加速度，m/s；

α——动能修正系数；

Δs——两个的间距，m；

n——渠道糙率，n=0.015；

hp——各断面的水深，m；

Ap——各断面的过水断面面积，m2；

Rp——各断面的水力半径，m；

Jp——各断面的水力坡度；

i——渠道的水力坡度和底坡。

计算结果见表3，表中只反映4座倒虹前有影响的渠道。

2）渠道加高设计

一期工程中干渠渠道为弧底梯形断面，受影响的渠段底弧半径为1.3 m，圆心角90°，内边坡系数为1∶1，渠深1.9 m。由于扩建流量增加及渡槽改倒虹后引起的水位壅高，需对有影响的渠道进行加高。

渠道加高在考虑不产生新的永久占地和尽量减小对巡渠路宽度的影响情况下，采用在渠顶现浇L型C25钢筋混凝土挡墙，墙背后回填水泥土，挡墙顶宽0.3 m，挡墙高度根据雍水影响范围及雍水高度确定，挡墙底宽1.0 m，底板厚0.3 m。深挖方渠段墙后水泥土回填至渠顶开挖坡脚，填方段渠道水泥土回填至原渠道坡脚，如图1所示。

3.2 方案二：增加倒虹管道或更换现有倒虹管道方案

在不改变原有的倒虹管道情况下，再增加一条倒虹管道以增加过流能力，同时在倒虹的进出口分别设置进口闸和出口闸以方便运行管理。

经复核计算，保持原有一根倒虹管道不变，另外再增加一根1.8 m的倒虹管，过流能力和水头损失见表4。

3.3 方案三：更换现有倒虹管道方案

为满足过流能力要求，现拆除原有的倒虹管道，改为一条更大直径的管道。倒虹水力计算结果见表5。

表3 渠道加高计算成果表

图1 加高渠道断面图

表4 增加管道后倒虹过流能力复核表

表5 更换管道后倒虹过流能力复核表

4 方案比选

以上三种方案在技术上均可以实现，优缺点如下：

方案一，渠道加高方案，其优点是施工简单，不存在技术难度，投资（2 393万元）较高。其缺点：1）倒虹壅水造成现有2号和4号隧洞内水深超过混凝土衬砌的直墙段（直墙高2.0 m）进入到砖拱支护段，原有砖拱需拆除换为混凝土初砌。2）倒虹壅水后造成渠道流速减小，加速泥沙淤积。3）增加原有的高填方段渠道运行安全隐患。

方案二，其优点是投资（614万元）少，便于管理运行，大流量时双管运行，小流量时单管运行；增加倒虹其缺点是需要重新对倒虹进出口进行改造，新管道施工时需要新增加占地。

方案三，更换倒虹管道方案的优点是不增加新的占地；其缺点是投资（8 318万元）太大，且小流量运行时由于流速低，容易引起泥沙淤积，管理运行不便。

根据以上计算分析和优缺点比较，方案二投资成本最少，且在工程运行管理方面具有优势，故本次推荐方案二：增加倒虹管道。

5 结论

随着社会经济的发展，灌区扩建在近几年较为常见。如何能够做到既满足扩建工程技术上可行，又能节省资金，需要从多角度分析讨论。本文为灌区扩建倒虹工程提供了一个设计思路，提供了较为详细的方案设计分析，给以后类似工程提供了经验。