昭平臺(tái)灌區(qū)1＃倒虹吸工程應(yīng)急修復(fù)方案設(shè)計(jì)

馬榮安

（平頂山市昭平臺(tái)水庫管理局，河南 平頂山 467000）

1 昭平臺(tái)灌區(qū)及南干渠1#倒虹吸工程基本情況

昭平臺(tái)灌區(qū)位于平頂山市境內(nèi)，始建于1966年，1972年通水灌溉。已建成南、北兩條干渠，總長(zhǎng)134.70 km；支渠38 條，總長(zhǎng)277.05 km，有各類建筑物2 108座。灌區(qū)設(shè)計(jì)總灌溉面積100 萬hm2，現(xiàn)有有效灌溉面積69.50 萬hm2。受益范圍包括魯山縣、寶豐縣、葉縣及新城區(qū)、湛河區(qū)共五個(gè)縣（區(qū)）、27 個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、辦事處），總?cè)丝?2.30萬人。

南干渠1#倒虹吸工程位于南干渠上游樁號(hào)0+665處，下穿昭平臺(tái)水庫溢洪道尾水渠，是昭平臺(tái)南干渠灌溉農(nóng)田的1?？刂菩怨こ?。1#倒虹吸工程始建于1966 年11 月，1969 年5 月完工，設(shè)計(jì)流量47.07 m3/s，加大流量53.85 m3/s，倒虹吸洞身采用3孔凈高2.86 m的馬蹄形150#素混凝土結(jié)構(gòu)，洞身上部依次采用砂卵石層和現(xiàn)澆混凝土面板壓重防護(hù)。洞身沿縱向分為3段，水平投影總長(zhǎng)度343.20 m。

2 工程存在主要問題

2021年7月20日，由于特大暴雨，導(dǎo)致倒虹洞身上部的混凝土防護(hù)面板和覆蓋層被洪水沖毀，倒虹吸洞頂外露，局部損壞，混凝土洞身出現(xiàn)多條縱橫向裂縫，無法正常輸水，造成魯山、葉縣的47 萬hm2土地?zé)o法正常灌溉，沿線周邊廣大農(nóng)民群眾和當(dāng)?shù)馗骷?jí)政府對(duì)工程恢復(fù)通水灌溉要求十分迫切。同時(shí)，由于1#倒虹吸工程下穿昭平臺(tái)水庫溢洪道尾水渠，該倒虹吸工程的損毀使得昭平臺(tái)水庫溢洪道不能正常安全泄洪，嚴(yán)重影響水庫防汛工作的順利開展，安全隱患極大，需要盡快修復(fù)。

3 工程設(shè)計(jì)情況

3.1 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

該倒虹吸工程正常設(shè)計(jì)流量47.07 m3/s，加大流量53.85 m3/s，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。工程按應(yīng)急修復(fù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用2021年“7·20”特大暴雨期間，昭平臺(tái)水庫溢洪道最大下泄流量600 m3/s，同時(shí)與東小河流量約290 m3/s疊加進(jìn)行。因此，此次防洪按20年一遇設(shè)計(jì)、50年一遇校核。

倒虹上游河床區(qū)間來水量主要為沙河支流東小河及昭平臺(tái)水庫溢洪道尾水渠下泄流量，尾水渠最大下泄流量見表1。

表1 昭平臺(tái)水庫溢洪道尾水渠下泄流量表

3.1.1 水文基本參數(shù)

東小河與沙河交叉河道以上流域面積12.80 km2、河道長(zhǎng)度6.20 km，河道比降0.01。由于該河道無實(shí)測(cè)雨量、流量資料，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，采用雨量資料間接計(jì)算的方法進(jìn)行。暴雨洪水計(jì)算，參數(shù)采用2005年版的《河南省暴雨參數(shù)圖集》的數(shù)值。

3.1.2 設(shè)計(jì)暴雨量

因此地區(qū)缺乏實(shí)測(cè)雨量、流量資料，此次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，采用雨量資料間接計(jì)算的方法。根據(jù)《河南省暴雨參數(shù)圖集》（2005 年12 月出版），查得年最大24 h 點(diǎn)雨量均值和變差系數(shù)Cv，選用Cs=3.50 Cv。根據(jù)圖集查得各片區(qū)年最大24 h點(diǎn)雨量均值為150，變差系數(shù)為0.65。

3.1.3 24小時(shí)設(shè)計(jì)洪水總量

由平原區(qū)次降雨徑流關(guān)系（P+Pa-R）Ⅲ線，查算24 h 各種頻率設(shè)計(jì)凈雨量，乘以流域面積得設(shè)計(jì)洪水總量。最大初損值Im=100 mm，Pa 為設(shè)計(jì)前期影響雨量，3-5 年一遇采用45 mm，10-20年一遇采用55 mm。

3.1.4 洪峰流量計(jì)算

該流域面積小于200 km2，根據(jù)《圖集》要求，洪峰流量采用推理公式計(jì)。

式中：Qm—設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；Y—洪峰徑流系數(shù)；T—洪峰匯流時(shí)間；F—流域面積（km2）；J—河道平均坡降；S—設(shè)計(jì)頻率1 h 雨強(qiáng)（mm/h）；M—平均入滲率（mm/h），取M=5；m—匯流參數(shù)；n—設(shè)計(jì)暴雨遞減指數(shù)；L—河道干流長(zhǎng)度（km）。

3.1.5 設(shè)計(jì)洪量

24 h設(shè)計(jì)洪量計(jì)算公式：

式中：R——24 h 凈雨深（mm）；F——流域面積；W24——24 h設(shè)計(jì)洪量（m3）。

東小河各設(shè)計(jì)頻率條件下的洪峰流量計(jì)算成果見表2。

表2 東小河設(shè)計(jì)洪峰洪量計(jì)算成果表

經(jīng)實(shí)測(cè)此次“7.20”特大暴雨期間，東小河出口處最大洪峰流量為290 m3/s，相當(dāng)于東小河10 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。因此，此次昭平臺(tái)水庫溢洪道尾水渠1＃倒虹吸水毀修復(fù)工程設(shè)計(jì)洪峰流量按284+600=884 m3/s考慮，滿足工程需要。見表2。

3.2 倒虹吸上部防護(hù)工程設(shè)計(jì)

3.2.1 防護(hù)工程沖刷深度計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D，水流斜沖防護(hù)岸坡的沖刷深度計(jì)算選用（5）（6）（7）公式：

經(jīng)計(jì)算溢洪道尾水渠通過設(shè)計(jì)流量時(shí)沖刷深度0.94 m。具體計(jì)算成果詳見倒虹洞身處河道沖刷深度計(jì)算成果表3。

表3 倒虹洞身處河道沖刷深度計(jì)算成果表

3.2.2 上部防護(hù)工程總體布置

此次倒虹洞頂上部防護(hù)工程覆蓋層總厚度取3.50 m，其中砂卵石覆蓋層厚度3 m、格賓網(wǎng)箱厚度0.50 m，在格賓網(wǎng)箱底部設(shè)土工布（500 g/m2）。在洞身上游，格賓網(wǎng)箱沿倒虹洞身中線上部防護(hù)長(zhǎng)度為15 m，端部格賓齒墻深入原河床2.50 m；在洞身下游游，格賓網(wǎng)箱沿倒虹洞身中線上部防護(hù)采用消能臺(tái)階式布置與下游河床平順銜接，總防護(hù)長(zhǎng)度為52 m，末端格賓網(wǎng)箱齒墻深入原河床4.50 m，滿足不應(yīng)小于設(shè)計(jì)洪水河床沖刷線下0.50 m要求。在沿洞身方向，從沙河右岸河堤防坡腳向河道中心修筑防護(hù)長(zhǎng)度為150 m、防護(hù)頂高程143 m。

3.2.3 倒虹洞身修復(fù)

洞身裂縫采用環(huán)氧砂漿灌注封堵；破壞的洞身，拆除損壞的素混凝土，植入鋼筋、現(xiàn)澆C30混凝土進(jìn)行原狀恢復(fù)。

4 結(jié)語

昭平臺(tái)灌區(qū)1#倒虹吸應(yīng)急修復(fù)工程，防洪標(biāo)準(zhǔn)按照20 年一遇設(shè)計(jì)、50年一遇校核，倒虹洞身裂縫采用環(huán)氧砂漿灌注封堵，倒虹洞頂上部防護(hù)工程覆蓋層采用砂卵石、格賓網(wǎng)箱和格賓護(hù)墊防護(hù)措施進(jìn)行修復(fù)。應(yīng)急修復(fù)后即投入了正常運(yùn)行，經(jīng)過一個(gè)汛期的使用，工程運(yùn)行狀況良好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。該處理方案既滿足了昭平臺(tái)水庫溢洪道的正常泄洪，保障了水庫的防汛安全，也使得昭平臺(tái)灌區(qū)南干渠能夠正常有序的通水灌溉，達(dá)到了應(yīng)急修復(fù)設(shè)計(jì)目的。