子牙新河穿运枢纽引水压槽闸过流能力复核

郝国红

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄050021）

南运河是我国著名的京杭大运河的一部分，在历史上一直担负着航运、供水、灌溉和泄洪任务，自20世纪70年代开始断流停航，20世纪80年代以来， 为解决天津市用水，南运河多次承担了引黄济津输水任务。

子牙新河是1966～1967年子牙河系新开辟的洪水直接入海通道，是海河流域洪水分区防守、分流入海防洪体系中的重要组成部分， 是河北省最主要的骨干防洪工程之一。

北排河是在进行子牙新河修筑过程中， 结合填筑子牙新河右堤， 在堤外开挖的运东区域直接入海骨干排滞河道。

子牙新河穿运枢纽工程是为解决东西走向的子牙新河、 北排河与南北走向的南运河的交叉问题而修建的立体交叉工程， 在三条河管理运用中处于重要地位，枢纽工程位于沧州市青县城南9km处，始建于1967年。枢纽工程东侧约500m为104国道和京沪铁路。 自穿运枢纽沿子牙新河向上游约81km为献县枢纽工程，向下游约62km为海口枢纽。

枢纽工程安全类别评定为四类， 需进行除险加固， 除险加固的主要任务是通过对子牙新河主槽涵洞、北排河穿运涵洞、南运河节制闸重建，加固引水压槽闸、平交埝等工程措施，保证南运河安全输水和子牙新河行洪和北排河排涝安全， 保留穿运枢纽南运河原有航运功能。

穿运枢纽的工程等别Ⅰ等，子牙新河渡槽、左堤防洪闸为1级建筑物，北排河渡槽、右堤防洪闸为2级建筑物，引水压槽闸为3级建筑物，导流堤和平交埝为4级堤防。 穿运枢纽承担南运河输水的建筑物，通过设计流量100m3/s。 穿运枢纽位于子牙新河的建筑物，其防洪标准按子牙新河50年一遇洪水设计，设计流量5500m3/s，“63·8” 实际洪水校核流量8800m3/s。穿运枢纽位于北排河的建筑物，按南、北排河联合运用方案调整后的北排河排涝规模346m3/s。 根据GB18306—2015《中国地震动参数区划图》，穿运枢纽区地震动峰值加速度0.10g， 相应地震基本烈度Ⅶ度，根据SL203—97《水工建筑物抗震设计规范》，该工程按设防烈度7度进行抗震设计。

枢纽工程由子牙新河渡槽、北排河渡槽、南运河节制闸、右堤防洪闸、引水压槽工程和滩地平交埝等组成，枢纽工程示意如图1。

图1 枢纽工程示意图

作为枢纽的一个重要组成部分，除险加固对现状引水压槽闸进行复核，复核其孔口尺寸、闸室及挡墙稳定、闸室及涵洞配筋等是否满足规范要求，本文主要对引水压槽闸的孔口尺寸进行复核，计算其是否满足引水压槽要求， 以保证渡槽的抗浮稳定。

1 引水压槽工程现状

引水压槽工程1984年修建， 位于滩地明渠左埝上，总长度41m，由进口段、闸室段和出口段3部分组成。 其中进口段长8m，底板为钢筋混凝土，两侧为圆弧挡墙；闸室段为单孔钢筋混凝土涵闸，长16m，孔口尺寸3.5m×3.5m，顶板及边墙厚0.5m，底板厚0.6m，腋角尺寸0.25m×0.25m；出口段长8m，底板为钢筋混凝土，两侧为圆弧挡墙。

2 引水压槽闸运用原则

南运河输水时，引水压槽闸闭门挡南运河水；当子牙新河宣泄一般洪水，未漫过平交埝，且遇南运河枯干无水，或来水较少时，需由子牙新河引水压槽，此时引水涵洞闸门全开，不予控制，使子牙新河的水随着水位上涨自由引入南运河， 同时关闭南运河节制闸和上游26km外的北陈屯节制闸， 确保前期行洪时该闸引主槽洪水入南运河， 利用水重增加子牙新河渡槽重量，维持槽身抗浮稳定。

南运河节制闸于北陈屯节制闸之间的渠道断面底宽20m，渠道边坡1∶3。

3 孔口复核洪水过程线选择

南运河通过引水压槽闸引子牙新河水， 以减少平交埝内外水位差，保证渡槽槽身抗浮稳定。平交埝内外水位差与子牙新河洪水过程有关。 当子牙新河洪水过程较快时，闸孔内外水位差大，有可能导致子牙新河渡槽抗浮系数不满足规范要求； 当洪水过程缓慢时，内外水位差较小甚至内外水位齐平，可满足引水压槽要求。

引水压槽闸孔口尺寸复核参照子牙新河周官屯主槽站“96·8”水位过程线，计算此洪水过程下外水位对应的渠道水位，同时结合渡槽的抗浮稳定计算，判断是否能够满足引水压槽要求， 依次判定现状闸孔尺寸是否满足要求。 子牙新河“96·8”水位过程线如表1。

表1 子牙新河周官屯主槽站“96·8”水位过程线

考虑洪水过程的不确定性， 为偏于安全计，将“96·8”洪水过程历时压缩为原来的一半进行复核。

4 引水压槽闸过流能力计算

4.1 计算公式选取

引水压槽闸结构型式为涵闸， 涵闸总长16m，涵洞内水流流态较复杂，子牙新河河道水位较低时，洞内为无压流， 随着水位的升高， 逐渐转变为半压力流、有压流，涵洞过流计算［2］过程中首先进行长短洞的判别，经判别，为短洞。

（1）无压涵洞的流量计算公式：

式中 m3为流量系数；h为出口水深；∑ξ为局部水头损失系数得总和；i为洞底坡降。

4.2 过流能力计算过程

引水压槽闸过流计算为一动态过程， 具体计算步骤如下：

（1）将“96·8”洪水过程线压缩，时间压缩为原来的一半，后续计算均采用压缩后的洪水过程线进行计算。

（2）自1996年8月4日5.9时开始计算，此时子牙新河水位为2.55m，假定过闸水位差为0.1m，则闸后即南运河水位为2.45m， 根据涵洞过流能力计算公式，算得涵洞的过流流量。

（3）对下一个时点进行计算，闸前水位为某时点对应的子牙新河水位，闸后水位通过计算确定。

（4）闸后水位计算原则：闸后水位最高值为低于闸前水位0.1m， 同时根据某时点前进入渠道的总水量摊铺在26km的渠道内。

（5）依次类推，计算出各时点引水压槽闸的内外水位差。

4.3 计算成果及探讨

本文针对“96·8”观测的每个时点的水位数据计算了南运河渠道内的对应水位， 其中闸前水位采用某时点的“96·8”洪水水位，闸后水位采用文献［2］相关过流公式，同时考虑了关闸之后的渠道的调蓄作用。

根据子牙新河渡槽抗浮稳定计算成果， 子牙新河河道水位5.1m时， 南运河渠道最低水位需达到4.1m，根据上述过流能力计算成果，子牙新河河道水位5.1m时，渠道水位4.13m，满足抗浮要求，即现状引水压槽闸的尺寸满足要求。

采用压缩时长后的“96·8”洪水过程线对引水压槽闸进行复核，洪水过程有一定的代表性，但如遇大暴雨特别是洪水历时比“96·8”洪水更快时，因涵闸过流能力有限，子牙新河洪水无法及时进入南运河，造成南运河渠道内外水位差较大， 有可能造成渡槽抗浮不稳定造成破坏，因此，在引水压槽闸的过流复核中，还可进一步搜集相关洪水资料，选取更早年份如1963年洪水或其他有代表性的洪水进行复核，以保证渡槽的安全。

5 结语

引水压槽闸过流能力选用压缩时长后的“96·8”洪水过程线进行复核， 根据复核结果， 孔口尺寸3.5m×3.5m满足引水压槽要求，对引水压槽闸进行除险加固时，孔口尺寸可维持现状，其余加固措施可结合结构计算、闸室稳定计算等结果确定，若各项复核结果均满足要求，引水压槽闸可维持现状，若其余复核项目中有不满足要求的部分， 可根据具体情况确定加固措施。