引江濟淮工程三河跌水設計方案比選

李 亮 寧 博

（安徽省水利水電勘測設計院 合肥 230088）

引江濟淮工程由長江下游引水，向淮河中游地區補水，是一項以城鄉供水和發展江淮航運為主，結合灌溉補水和改善巢湖及淮河水生態環境等綜合利用的大型跨流域調水工程。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巢、江淮溝通、江水北送三大工程段落。

引江濟巢段菜子湖線路自樅陽引江樞紐經菜子湖調蓄后，由南向北穿越地勢較低的丘陵區鞍部，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，現有水系被打斷破壞，為使現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，影響河渠邊坡穩定和行船安全。因此，排洪建筑物設計采用跌水的型式。

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70+620的左岸邊坡上，用以排泄柯坦河支流來水，其進水渠現狀河底寬約10.5m，底高程25.85m，兩側地面高程約28.80m，邊坡1∶2.5，規劃10年一遇設計流量45m3/s。三河跌水所在位置輸水河渠設計底高程3.73m，底寬45m，一級邊坡1∶3.5，二級以上邊坡1∶3.0，邊坡每升高6.0m設平臺，其中二級平臺寬8m，其他平臺寬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層重粉質壤土：棕黃、棕黃夾灰色，硬可塑～硬塑，屬中等壓縮性土。層全風化片麻巖：一般為灰黃夾褐灰色，砂壤土夾細砂狀。層強風化片麻巖：呈灰黃、灰綠色，碎屑狀、碎石狀。層中等風化～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22.12m，結構布置尺寸通過相關水力計算獲得。針對跌水的不同型式，擬采用豎井式跌水、開敞式多級跌水兩個方案進行技術經濟比選。

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比較表

進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。第一級豎井式跌水長20.0m，由開敞式跌井與箱涵構成，跌井平面凈尺寸為：2（孔）×15.0m（長）×5.0m（寬），底板厚1.5m。兩側墻采用鋼筋混凝土實體墻，頂寬0.5m，底寬1.5m，并與跌井底板形成整體結構，跌井中間設兩排對撐梁以保證結構穩定；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，兩側邊墻厚0.5～1.5m。第二級跌井長11.95m，跌差6.0m，為箱涵結構，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，兩側邊墻厚0.5～1.5m，箱涵中間設兩排對撐梁。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，第一節長度7.55m，第二節長度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的擴散段，擴散段底板為1.0m厚的鋼筋混凝土，兩側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：開敞式多級跌水方案

進口涵洞后接6級跌水，第一級跌水跌差3.42m，中間四級每級跌水跌差均為4.00m，末級跌水跌差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充分、穩定的矩形橫斷面，跌水總凈寬10.0m。從上游往下游，各級跌水長度分別為14.36m、15.0m、15.0m、15.0m、15.0m、24.0m，每級跌水末端設連續消力坎，坎高1.0m。跌水兩側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。末級跌水為長24.0m的擴散段，擴散段底板為1.0m厚的鋼筋混凝土，兩側邊墻布置同方案一。二級平臺為滿足交通要求，跌水上部設管護道路交通橋，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，工程直接費減少130.63萬元。（2）從水流跌落、消能及適應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完成，水流跌落過程處于封閉狀態，箱涵末節頂板兼作二級平臺交通橋，適應支流來流流量變化及下游輸水渠道水位變化范圍均較大；方案二多級跌水為敞開式布置，水流在多級跌水內跌落、消能，消力池內水流紊亂，在流量較大情況下，水流有可能躍出消力池進入輸水河渠邊坡，水流流態差，不利于船舶船行安全，同時開口較大，在二級平臺布置的交通橋易受水流沖擊，對交通安全不利。（3）跌水進口柯坦河支流10年一遇設計流量45.0m3/s，相對主要支流流量較小，枯水期甚至還會斷流，多級跌水景觀效果差；而跌井是封閉式布置，不影響視覺效果。綜上所述，設計推薦方案一，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定和行船安全，豎井式跌水方案采取跌井消能、在水流進入航道處擴大出口斷面等措施，經水力學計算跌水擴散段在通航水域處出口橫向流速為0.26m/s；同時，由建立的交叉河道與輸水航道二維水動力學模型計算可得，跌水入渠處橫向流速在0.25m/s以內，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，對通航影響較小，滿足通航的橫向流速要求。

4 結束語

跌水作為引江濟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重要的作用，發揮著重大工程效益。考慮到某些支流與引江濟淮工程輸水河渠落差大，水流經跌水消能后出池流速仍較大，流速分布難以精確分析，因此，在工程設計中，需進一步通過模型試驗的方法研究跌水的結構布置型式，以模擬及驗證通航水域的橫向流速和流態分布，從而為工程順利實施提供更可靠的技術保障■