引江濟(jì)淮工程三河跌水設(shè)計(jì)方案比選

李 亮 寧 博

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院 合肥 230088）

引江濟(jì)淮工程由長江下游引水，向淮河中游地區(qū)補(bǔ)水，是一項(xiàng)以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展江淮航運(yùn)為主，結(jié)合灌溉補(bǔ)水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境等綜合利用的大型跨流域調(diào)水工程。引江流量300m3/s，入淮流量280m3/s。輸水干線長723km，自南向北可劃分為引江濟(jì)巢、江淮溝通、江水北送三大工程段落。

引江濟(jì)巢段菜子湖線路自樅陽引江樞紐經(jīng)菜子湖調(diào)蓄后，由南向北穿越地勢較低的丘陵區(qū)鞍部，至白石天河入巢湖，線路全長113.18km。菜子湖線輸水河渠挖寬挖深后，現(xiàn)有水系被打斷破壞，為使現(xiàn)有水系平順匯入該工程輸水河渠，需要新建一批大中型排洪建筑物。由于跌差較大，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，流速過大，既不利于布置消能設(shè)施，由于輸水河渠有通航要求，又不利于控制入河流速，影響河渠邊坡穩(wěn)定和行船安全。因此，排洪建筑物設(shè)計(jì)采用跌水的型式。

1 工程概況

新建的三河跌水位于菜子湖線路柯坦河支流段河渠樁號(hào)70+620的左岸邊坡上，用以排泄柯坦河支流來水，其進(jìn)水渠現(xiàn)狀河底寬約10.5m，底高程25.85m，兩側(cè)地面高程約28.80m，邊坡1∶2.5，規(guī)劃10年一遇設(shè)計(jì)流量45m3/s。三河跌水所在位置輸水河渠設(shè)計(jì)底高程3.73m，底寬45m，一級(jí)邊坡1∶3.5，二級(jí)以上邊坡1∶3.0，邊坡每升高6.0m設(shè)平臺(tái)，其中二級(jí)平臺(tái)寬8m，其他平臺(tái)寬3m，跌水處河底高差22.12m。

三河跌水地層分布情況自上而下如下：⑤層重粉質(zhì)壤土：棕黃、棕黃夾灰色，硬可塑～硬塑，屬中等壓縮性土。層全風(fēng)化片麻巖：一般為灰黃夾褐灰色，砂壤土夾細(xì)砂狀。層強(qiáng)風(fēng)化片麻巖：呈灰黃、灰綠色，碎屑狀、碎石狀。層中等風(fēng)化～新鮮片麻巖，深灰色，局部略帶肉紅色，未揭穿。場地各層土強(qiáng)度均較高，承載力能滿足要求，可采用天然地基。

2 跌水方案布置與比選

三河跌水跌差達(dá)22.12m，結(jié)構(gòu)布置尺寸通過相關(guān)水力計(jì)算獲得。針對(duì)跌水的不同型式，擬采用豎井式跌水、開敞式多級(jí)跌水兩個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。

2.1 方案一：豎井式跌水方案

圖1 方案一布置圖

圖2 方案二布置圖

圖3 三河跌水入渠處流場分布圖

表1 方案工程量和直接費(fèi)比較表

進(jìn)口寬度由跌井消能需要確定，凈寬取10.0m，順坡向陡坡后接鋼筋混凝土豎井式跌水。第一級(jí)豎井式跌水長20.0m，由開敞式跌井與箱涵構(gòu)成，跌井平面凈尺寸為：2（孔）×15.0m（長）×5.0m（寬），底板厚1.5m。兩側(cè)墻采用鋼筋混凝土實(shí)體墻，頂寬0.5m，底寬1.5m，并與跌井底板形成整體結(jié)構(gòu)，跌井中間設(shè)兩排對(duì)撐梁以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；跌井后接9.0m長箱涵，箱涵孔口尺寸為：2（孔）×5.0m（高）×5.0m（寬），底板、頂板厚度分別為1.5m和0.5m，兩側(cè)邊墻厚0.5～1.5m。第二級(jí)跌井長11.95m，跌差6.0m，為箱涵結(jié)構(gòu)，底板高程為輸水渠道底高程，以利用下游水墊消能，箱涵孔口尺寸為：2（孔）×10.3m（高）×5.0m（寬），底板厚1.5m，頂板厚0.5m，兩側(cè)邊墻厚0.5～1.5m，箱涵中間設(shè)兩排對(duì)撐梁。出口連接整流段總長39.05m，前段為長15.05m的鋼筋混凝土出水箱涵，分兩節(jié)，第一節(jié)長度7.55m，第二節(jié)長度7.5m，底板、頂板、邊墻厚度均為0.5m，箱涵尺寸為：2（孔）×5.0m（高）×5.0m（寬）；后段接長24.0m的擴(kuò)散段，擴(kuò)散段底板為1.0m厚的鋼筋混凝土，兩側(cè)翼墻平面上呈八字型布置，分兩段，第一段為C25鋼筋混凝土扶壁翼墻，第二段為C20素混凝土翼墻。方案一布置見圖1。

2.2 方案二：開敞式多級(jí)跌水方案

進(jìn)口涵洞后接6級(jí)跌水，第一級(jí)跌水跌差3.42m，中間四級(jí)每級(jí)跌水跌差均為4.00m，末級(jí)跌水跌差2.70m，總跌差22.12m。由于輸水河渠船舶航行安全需要，跌水消力池選用消能相對(duì)充分、穩(wěn)定的矩形橫斷面，跌水總凈寬10.0m。從上游往下游，各級(jí)跌水長度分別為14.36m、15.0m、15.0m、15.0m、15.0m、24.0m，每級(jí)跌水末端設(shè)連續(xù)消力坎，坎高1.0m。跌水兩側(cè)邊墻采用扶壁式擋土墻，擋土高度最大7.5m，底板、邊墻厚分別為0.6m、0.5m。末級(jí)跌水為長24.0m的擴(kuò)散段，擴(kuò)散段底板為1.0m厚的鋼筋混凝土，兩側(cè)邊墻布置同方案一。二級(jí)平臺(tái)為滿足交通要求，跌水上部設(shè)管護(hù)道路交通橋，橋梁共1跨，跨長10.0m，橋面總寬7.0m。方案二布置見圖2。

2.3 方案比選

上述兩種跌水方案的可比工程量和直接費(fèi)見表1。（1）從投資方面看，方案一相比方案二投資較省，工程直接費(fèi)減少130.63萬元。（2）從水流跌落、消能及適應(yīng)下游水位變化方面看，方案一水流跌落、消能在跌井及出口段箱涵內(nèi)完成，水流跌落過程處于封閉狀態(tài)，箱涵末節(jié)頂板兼作二級(jí)平臺(tái)交通橋，適應(yīng)支流來流流量變化及下游輸水渠道水位變化范圍均較大；方案二多級(jí)跌水為敞開式布置，水流在多級(jí)跌水內(nèi)跌落、消能，消力池內(nèi)水流紊亂，在流量較大情況下，水流有可能躍出消力池進(jìn)入輸水河渠邊坡，水流流態(tài)差，不利于船舶船行安全，同時(shí)開口較大，在二級(jí)平臺(tái)布置的交通橋易受水流沖擊，對(duì)交通安全不利。（3）跌水進(jìn)口柯坦河支流10年一遇設(shè)計(jì)流量45.0m3/s，相對(duì)主要支流流量較小，枯水期甚至還會(huì)斷流，多級(jí)跌水景觀效果差；而跌井是封閉式布置，不影響視覺效果。綜上所述，設(shè)計(jì)推薦方案一，即豎井式跌水方案。

3 橫向流速影響分析

由于水流跌落過程不能影響輸水河渠邊坡穩(wěn)定和行船安全，豎井式跌水方案采取跌井消能、在水流進(jìn)入航道處擴(kuò)大出口斷面等措施，經(jīng)水力學(xué)計(jì)算跌水?dāng)U散段在通航水域處出口橫向流速為0.26m/s；同時(shí)，由建立的交叉河道與輸水航道二維水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算可得，跌水入渠處橫向流速在0.25m/s以內(nèi)，其流場分布如圖3所示。通過上述分析，三河跌水入渠處橫向流速小于0.3m/s，對(duì)通航影響較小，滿足通航的橫向流速要求。

4 結(jié)束語

跌水作為引江濟(jì)淮工程中一類重要的渠系建筑物，為輸水河渠兩岸支流洪水順利下泄入渠起到至關(guān)重要的作用，發(fā)揮著重大工程效益?？紤]到某些支流與引江濟(jì)淮工程輸水河渠落差大，水流經(jīng)跌水消能后出池流速仍較大，流速分布難以精確分析，因此，在工程設(shè)計(jì)中，需進(jìn)一步通過模型試驗(yàn)的方法研究跌水的結(jié)構(gòu)布置型式，以模擬及驗(yàn)證通航水域的橫向流速和流態(tài)分布，從而為工程順利實(shí)施提供更可靠的技術(shù)保障■