南水北调中线湍河渡槽工程汛期施工水力学分析

李蘅

长江勘测规划设计研究院 枢纽设计处，武汉 430010

胡田清，郭鸿俊

长江勘测规划设计研究院 枢纽设计处，武汉 430010

1 工程概况

湍河渡槽是南水北调中线一期工程总干渠大型跨河建筑物之一，位于河南省邓州市小王营与冀寨之间。西距内乡至邓州公路3km，南距邓州市26km，北距内乡县20km。

湍河渡槽顺渠水流向总长1030m，主要建筑物由右岸渠道连接段（包括退水闸在内）、进口渐变段、进口闸室段、进口连接段、槽身段、出口连接段、出口闸室段、出口渐变段、左岸渠道连接段9段组成，在右岸渠道连接段右侧设有退水闸一座。

渡槽槽身段长720.00m，坡比1∶2880。槽身为相互独立的3槽预应力混凝土U型结构，单跨40m，共18跨54槽，单槽内空尺寸为7.23m×9.0m（高×宽）。进口槽顶高程146.48m，槽底面高程139.25m，出口槽顶高程146.23m，槽底面高程139.00m，下部结构依次为盖梁、墩柱、承台和桩基。

2 汛期施工实施方案

渡槽原计划利用11月至次年4月枯水期分两期施工，一期围左岸，利用原河槽过流，二期围右岸，利用增加了渡槽墩台的束窄河床过流。2013年汛前，湍河渡槽工程左岸槽身已施工完成，右岸主河槽部位2～5号槽槽身尚未施工，施工现状平面布置示意见图1。而湍河渡槽工程计划2013年底主体工程全部完工，为此剩余槽身必须在汛期施工。为确保该目标的实现，工程施工单位结合三台造槽机施工布置，保证2～5号槽身在汛期顺利施工，提出了两联跨钢平台方案。

图1 2013年汛前施工现状布置示意图

2.1 施工期度汛标准

湍河渡槽主要建筑物为1级建筑物。按《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004）要求，2013年汛期槽身施工导流标准采用10年一遇设计洪水3030m³/s，相应下游天然水位为132.7m。

2.2 两联跨钢平台施工方案

拟实施的两联跨钢平台施工方案如图2所示，采用贝雷桁架在1号槽身左半部和2号、3号槽身下部搭设钢平台，同时在4～5号槽身下部填筑土石施工平台相结合的方式形成干地作业面。

该方案汛期洪水主要由1号槽身左半部和2号、3号槽下部约105m范围束窄河床进行泄流，河漫滩6～18号槽下部的已有施工平台及道路漫水，汛期洪水来临时槽身部位暂停施工，洪水退却以后可快速恢复施工。

3 施工现状水力学影响分析

3.1 部分河床底高程降低影响分析

主河床在渡槽上、下游各200～500m范围内受采砂、冲刷等影响，河床高程降低了约4m，天然水位流量关系发生了一定的改变。采用分段累计法，选择下游未受采砂影响的断面作为控制断面向上游推算水面线。考虑到工程区范围河床较为平坦，坡降很缓，因此控制断面水位流量关系取原渡槽处天然水位流量关系，经分析计算，渡槽处水位流量关系变化见表1。

图2 拟实施钢平台施工方案平面布置图（单位：mm）

表1 渡槽处水位流量关系变化

从表1可知，受采砂、冲刷影响，渡槽处的水位较天然情况略有壅高，主要原因为，如忽略水头损失，断面能量为水头和流速水头之和，而河床底高程降低后，流速减小，水头有所增加。

3.2 下游漫水桥壅水计算

渡槽下游修建了漫水桥和施工道路等，漫水桥顶高程约为126.5m，长约30m，设11孔直径1.5m的预埋管。漫水桥与两端施工道路连接，施工道路路面高程在主河槽部位高程约为126.5m，总长约200m，在漫滩部位高程约为132.5m，总长约400m。

漫滩及漫水桥上部过流为宽顶堰流，其泄流能力可按式（1）计算。

式中：Q为泄流量；m为流量系数，取0.32；B_k为闸孔宽度；H₀为堰上水头；σ为淹没系数。

漫水桥下部预埋管按孔流计算，因为在设计流量下出口已淹没，因此可用有压淹没流公式，其泄流能力按式（2）计算。

式中：Q为泄流量；Z为上下游水位差；μ为流量系数，计算取0.8；A_d为过流断面面积。

预埋管、漫水桥上部及漫滩联合泄流的上游水位计算过程为：查找Q流量相应的下游水位h_d，假定上游水位H，分别计算此时预埋管的泄流量Q_k、漫水桥的过流量Q_l和漫滩的过流量Q_m，使Q_k+Q_l+Q_m=Q的上游水位H即为所求。

通过试算，按宽顶堰和孔流联合泄流计算水位壅高的结果见表2。

表2 漫水桥水位壅高计算值

由计算成果可知，由于漫水桥顶高程较低，漫水桥泄流能力较强，其水位壅高值很小，按水力学公式计算在设计流量下壅高约为0.1m，因此度汛期间可不考虑对漫水桥及两端道路进行拆除处理等。漫水桥和道路顶部平均流速约为1.8m/s，可不考虑进行防冲保护，即使发生漫水桥道路冲刷破坏，由于另有沟通两岸交通，对汛期施工基本没有影响。

4 渡槽及钢平台度汛水力学分析

4.1 水位及流速计算

对于两联跨钢平台施工方案，当发生10年一遇洪水时，洪水主要由钢平台下部约105m范围束窄河床、左岸6～18号渡槽下部河漫滩漫水泄流。上游水位及流速计算根据实际地形利用明渠泄流能力分段累计法进行水面线计算，求得设计流量相应的上游水位、流速等水力学指标。钢平台下部束窄断面底高程根据现场情况考虑防护后按125m计算。由于左侧6～18号槽下部漫滩地形与原有地形图相比有一定变化，因此结合实际情况计算考虑按地形图高程（在132～133m范围内）和131m两种方案。

两联跨钢平台施工方案的水位及特征流速计算结果见表3。计算得到钢平台上游水位为133.63～133.15m，因此钢平台底部高程应大于上游水位，并考虑一定安全超高。

表3 两联跨钢平台施工方案水位及流速计算值（流量3030m³/s）

4.2 河床冲刷计算

渡槽处河床及漫滩主要为中砂和砂砾层，参考有关松散体河床抗冲流速资料，砂砾层的抗冲流速在1m左右［1］，因此两联跨钢平台施工方案左岸漫滩基本不冲，防冲保护主要部位为钢平台两岸填筑的施工平台堤头、钢平台处下部河床和渡槽槽墩基础周围河床。

钢平台两岸填筑堤头可视做丁坝，其局部冲刷可采用式（3）计算［2］。

式中：ΔH为冲刷坑深度；K₁ 为丁坝在水流方向的投影长度l有关的系数，；K₂为与丁坝边坡系数有关的系数，K₂=e^-0.2m，边坡坡比按1∶1.5考虑；v为丁坝前水流的行近流速；a为水流轴线与丁坝轴线交角，对于本工程；d为河床砂粒粒径。

钢平台下部河床以及渡槽槽墩基础周围河床局部冲刷，可采用式（4）计算［2］。

式中：h_p为从河底算起的局部冲深；h为水深；v为水流的平均流速；v_允为河床面上允许不冲流速，取1m/s；N为槽墩系数，一般取1/4。

冲刷计算结果见表4。由计算结果可知，钢平台下部束窄河床冲刷严重，对渡槽槽墩基础、钢平台桩基础及两岸施工平台堤头稳定有影响，因此建议钢平台下部河床底部采取全护方案，对两岸施工平台堤头进行裹头防护。

表4 两联跨钢平台施工方案施工方案冲刷计算值（流量3030m³/s）

参照类似工程经验，渡槽轴线上、下游护底长度可取水深的2～4倍，结合流速计算结果，考虑对束窄河床流速大于2m/s范围进行防护，钢平台下部河床护底范围为轴线上游35m和下游50m，即护至渡槽槽墩上游15m、槽墩下游30m。

根据冲刷计算结果，两岸施工平台堤头冲刷深度为3.69～4.83m，其裹头护脚防护宽度一般按冲刷深度的2倍考虑，取为10m；裹头防护范围考虑冲刷后，堤头与钢平台衔接段不被冲毁，防护长度按2倍护脚宽度考虑，堤头向左、右岸防护不少于20m。

4.3 防冲保护计算

防冲保护采用钢筋石笼等柔性结构，相当于单体石笼的块石尺寸根据抗冲流速的大小而定，采用伊兹巴什公式计算［3］。

式中：D为折算成圆球体的直径；V_max为作用于块石的最大流速v_max=v/a，a为流速换算系数，一般取0.8m/s；γ_w为水的容重，10kN/m³；γ_m为抛投体容重，块石取26kN/m³；K为综合稳定系数，取1.02；

针对不同计算方案，分别计算设计流量下束窄河床断面所需的防冲保护块石粒径，计算结果见表5。根据现场情况，防护采用钢筋石笼，石笼单体体积大于计算的块石体积，取0.5m³。钢筋石笼实施时宜采用分两层错缝搭接，并连接在一起，避免出现空缺。

表5 两联跨施工方案防冲保护计算值（设计流量3030m³/s）

5 结论

通过对两联跨钢平台方案汛期施工水力分析，得到了水位、流速、冲刷深度等计算成果，并提出了相应的度汛防护措施，为汛期施工方案的详细设计提供参考依据，确保了湍河渡槽工程2013年施工安全度汛。

参考文献

［1］《水利水电工程施工手册》编委会.水利水电工程施工手册第5卷.施工导（截）流与度汛工程［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［2］武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室.水力计算手册（第二版）［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［3］郑守仁，王世华，夏仲平，刘少林.导流截流及围堰工程［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.