子牙新河穿運樞紐引水壓槽閘過流能力復核

郝國紅

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊050021）

南運河是我國著名的京杭大運河的一部分，在歷史上一直擔負著航運、供水、灌溉和泄洪任務，自20世紀70年代開始斷流停航，20世紀80年代以來， 為解決天津市用水，南運河多次承擔了引黃濟津輸水任務。

子牙新河是1966～1967年子牙河系新開辟的洪水直接入海通道，是海河流域洪水分區防守、分流入海防洪體系中的重要組成部分， 是河北省最主要的骨干防洪工程之一。

北排河是在進行子牙新河修筑過程中， 結合填筑子牙新河右堤， 在堤外開挖的運東區域直接入海骨干排滯河道。

子牙新河穿運樞紐工程是為解決東西走向的子牙新河、 北排河與南北走向的南運河的交叉問題而修建的立體交叉工程， 在三條河管理運用中處于重要地位，樞紐工程位于滄州市青縣城南9km處，始建于1967年。樞紐工程東側約500m為104國道和京滬鐵路。 自穿運樞紐沿子牙新河向上游約81km為獻縣樞紐工程，向下游約62km為海口樞紐。

樞紐工程安全類別評定為四類， 需進行除險加固， 除險加固的主要任務是通過對子牙新河主槽涵洞、北排河穿運涵洞、南運河節制閘重建，加固引水壓槽閘、平交埝等工程措施，保證南運河安全輸水和子牙新河行洪和北排河排澇安全， 保留穿運樞紐南運河原有航運功能。

穿運樞紐的工程等別Ⅰ等，子牙新河渡槽、左堤防洪閘為1級建筑物，北排河渡槽、右堤防洪閘為2級建筑物，引水壓槽閘為3級建筑物，導流堤和平交埝為4級堤防。 穿運樞紐承擔南運河輸水的建筑物，通過設計流量100m3/s。 穿運樞紐位于子牙新河的建筑物，其防洪標準按子牙新河50年一遇洪水設計，設計流量5500m3/s，“63·8” 實際洪水校核流量8800m3/s。穿運樞紐位于北排河的建筑物，按南、北排河聯合運用方案調整后的北排河排澇規模346m3/s。 根據GB18306—2015《中國地震動參數區劃圖》，穿運樞紐區地震動峰值加速度0.10g， 相應地震基本烈度Ⅶ度，根據SL203—97《水工建筑物抗震設計規范》，該工程按設防烈度7度進行抗震設計。

樞紐工程由子牙新河渡槽、北排河渡槽、南運河節制閘、右堤防洪閘、引水壓槽工程和灘地平交埝等組成，樞紐工程示意如圖1。

圖1 樞紐工程示意圖

作為樞紐的一個重要組成部分，除險加固對現狀引水壓槽閘進行復核，復核其孔口尺寸、閘室及擋墻穩定、閘室及涵洞配筋等是否滿足規范要求，本文主要對引水壓槽閘的孔口尺寸進行復核，計算其是否滿足引水壓槽要求， 以保證渡槽的抗浮穩定。

1 引水壓槽工程現狀

引水壓槽工程1984年修建， 位于灘地明渠左埝上，總長度41m，由進口段、閘室段和出口段3部分組成。 其中進口段長8m，底板為鋼筋混凝土，兩側為圓弧擋墻；閘室段為單孔鋼筋混凝土涵閘，長16m，孔口尺寸3.5m×3.5m，頂板及邊墻厚0.5m，底板厚0.6m，腋角尺寸0.25m×0.25m；出口段長8m，底板為鋼筋混凝土，兩側為圓弧擋墻。

2 引水壓槽閘運用原則

南運河輸水時，引水壓槽閘閉門擋南運河水；當子牙新河宣泄一般洪水，未漫過平交埝，且遇南運河枯干無水，或來水較少時，需由子牙新河引水壓槽，此時引水涵洞閘門全開，不予控制，使子牙新河的水隨著水位上漲自由引入南運河， 同時關閉南運河節制閘和上游26km外的北陳屯節制閘， 確保前期行洪時該閘引主槽洪水入南運河， 利用水重增加子牙新河渡槽重量，維持槽身抗浮穩定。

南運河節制閘于北陳屯節制閘之間的渠道斷面底寬20m，渠道邊坡1∶3。

3 孔口復核洪水過程線選擇

南運河通過引水壓槽閘引子牙新河水， 以減少平交埝內外水位差，保證渡槽槽身抗浮穩定。平交埝內外水位差與子牙新河洪水過程有關。 當子牙新河洪水過程較快時，閘孔內外水位差大，有可能導致子牙新河渡槽抗浮系數不滿足規范要求； 當洪水過程緩慢時，內外水位差較小甚至內外水位齊平，可滿足引水壓槽要求。

引水壓槽閘孔口尺寸復核參照子牙新河周官屯主槽站“96·8”水位過程線，計算此洪水過程下外水位對應的渠道水位，同時結合渡槽的抗浮穩定計算，判斷是否能夠滿足引水壓槽要求， 依次判定現狀閘孔尺寸是否滿足要求。 子牙新河“96·8”水位過程線如表1。

表1 子牙新河周官屯主槽站“96·8”水位過程線

考慮洪水過程的不確定性， 為偏于安全計，將“96·8”洪水過程歷時壓縮為原來的一半進行復核。

4 引水壓槽閘過流能力計算

4.1 計算公式選取

引水壓槽閘結構型式為涵閘， 涵閘總長16m，涵洞內水流流態較復雜，子牙新河河道水位較低時，洞內為無壓流， 隨著水位的升高， 逐漸轉變為半壓力流、有壓流，涵洞過流計算［2］過程中首先進行長短洞的判別，經判別，為短洞。

（1）無壓涵洞的流量計算公式：

式中 m3為流量系數；h為出口水深；∑ξ為局部水頭損失系數得總和；i為洞底坡降。

4.2 過流能力計算過程

引水壓槽閘過流計算為一動態過程， 具體計算步驟如下：

（1）將“96·8”洪水過程線壓縮，時間壓縮為原來的一半，后續計算均采用壓縮后的洪水過程線進行計算。

（2）自1996年8月4日5.9時開始計算，此時子牙新河水位為2.55m，假定過閘水位差為0.1m，則閘后即南運河水位為2.45m， 根據涵洞過流能力計算公式，算得涵洞的過流流量。

（3）對下一個時點進行計算，閘前水位為某時點對應的子牙新河水位，閘后水位通過計算確定。

（4）閘后水位計算原則：閘后水位最高值為低于閘前水位0.1m， 同時根據某時點前進入渠道的總水量攤鋪在26km的渠道內。

（5）依次類推，計算出各時點引水壓槽閘的內外水位差。

4.3 計算成果及探討

本文針對“96·8”觀測的每個時點的水位數據計算了南運河渠道內的對應水位， 其中閘前水位采用某時點的“96·8”洪水水位，閘后水位采用文獻［2］相關過流公式，同時考慮了關閘之后的渠道的調蓄作用。

根據子牙新河渡槽抗浮穩定計算成果， 子牙新河河道水位5.1m時， 南運河渠道最低水位需達到4.1m，根據上述過流能力計算成果，子牙新河河道水位5.1m時，渠道水位4.13m，滿足抗浮要求，即現狀引水壓槽閘的尺寸滿足要求。

采用壓縮時長后的“96·8”洪水過程線對引水壓槽閘進行復核，洪水過程有一定的代表性，但如遇大暴雨特別是洪水歷時比“96·8”洪水更快時，因涵閘過流能力有限，子牙新河洪水無法及時進入南運河，造成南運河渠道內外水位差較大， 有可能造成渡槽抗浮不穩定造成破壞，因此，在引水壓槽閘的過流復核中，還可進一步搜集相關洪水資料，選取更早年份如1963年洪水或其他有代表性的洪水進行復核，以保證渡槽的安全。

5 結語

引水壓槽閘過流能力選用壓縮時長后的“96·8”洪水過程線進行復核， 根據復核結果， 孔口尺寸3.5m×3.5m滿足引水壓槽要求，對引水壓槽閘進行除險加固時，孔口尺寸可維持現狀，其余加固措施可結合結構計算、閘室穩定計算等結果確定，若各項復核結果均滿足要求，引水壓槽閘可維持現狀，若其余復核項目中有不滿足要求的部分， 可根據具體情況確定加固措施。