淤積對倒虹吸的危害及應對措施

孫培學， 林 平

(1.安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088；2.無錫市河道堤閘管理處，江蘇 無錫 214023)

1 工程概況

Yan Oya農業(yè)灌溉工程的配套工程位于距斯里蘭卡首都科倫坡東北方向300 km左右的Anuradhapura和Trincomalee[1]，該工程主要由長5.50 km的均質土壩、常規(guī)溢洪道、自潰式溢洪道以及左右岸進水口組成，總庫容2.14億m3[2]。配套建設的Yan Oya 左岸渠道工程接Yan Oya農業(yè)灌溉工程的左岸進水口，至原已有的Jayantiwew水庫，為下游左岸農田及部分村莊提供灌溉和引用水源。工程設計流量8.00 m3/s，全長18.80 km，主要由明渠、倒虹吸、箱涵、交通橋、水閘等建筑物等組成。工程渠首設計水位29.95 m，渠尾入庫設計水位25.50 m。

配套工程中主要建筑物倒虹吸，設計流量為7.00 m3/s，總長4.83 km，可利用水頭差為4.45 m。根據(jù)經(jīng)濟斷面的判定，倒虹吸過流斷面采用1孔矩形，底部凈寬2.60 m，內高2.35 m。因本灌溉渠道沿線地層主要為含細砂黏土、含泥質砂夾層或透鏡體，極易形成淤積，可能影響倒虹吸建筑物的使用和工程設計效益的發(fā)揮，因此，進行倒虹吸工程的技術研究非常必要。

2 淤積對倒虹吸的影響分析

2.1 淤積對過流能力的影響

倒虹吸的過流能力按照我國行業(yè)規(guī)范《灌溉與排水渠系建筑物設計規(guī)范》(SL 482-2011)[3]中公式計算，即：

倒虹吸進口設計水位為29.87 m，出口設計水位為27.46 m，設計水頭損失2.41 m，在保證進口、出口水位等不變的情況下，通過上式計算，可得到倒虹吸淤泥厚度與過流能力間的關系，曲線如圖1所示。

圖1 淤積深度與過流能力間關系圖

從圖1中可以看出：

(1)在倒虹吸的上下游水位不變的前提下，淤積深度增加，其過流能力降低，兩者呈現(xiàn)反比例關系；

(2)倒虹吸的淤積深度增加至0.47 m時，其過流能力降低至5.60 m3/s。隨著淤積深度的繼續(xù)增加，在上下游水位不變的前提下，倒虹吸的過流能力繼續(xù)降低，小于設計流量5.60 m3/s，將影響下游的灌溉及供水需求。

2.2 淤積對倒虹吸上游水位的影響

同樣按照SL 482-2011[3]中公式計算，即：

倒虹吸設計流量為7.00 m3/s，下游設計水位為27.46 m。在保證其不變的條件下，計算可得到倒虹吸淤泥厚度與上游水位間的關系，曲線如圖2所示。

圖2 淤積深度與上游水位間關系圖

從圖2中可以看出：

(1)在倒虹吸的設計流量及下游水位不變的前提下，淤積深度增加，過流斷面面積減小，其上游水位雍高，兩者呈現(xiàn)正比例關系，且呈現(xiàn)明顯的非線性；

(2)倒虹吸的淤積深度增加至0.15 m時，其上游水位雍高至30.37 m。繼續(xù)淤積，其上游水位將超過其正常設計水位30.37 m，影響上游的渠道和渠系建筑物的運行安全。

2.3 淤積對倒虹吸下游水位的影響

計算公式同上。倒虹吸設計流量7.00 m3/s，上游設計水位為29.87 m，在保證其不變的條件下，計算可得到倒虹吸淤泥厚度與下游水位間的關系，曲線如圖3所示。

圖3 淤積深度與下游水位間關系圖

從圖3中可以看出：

(1) 在倒虹吸的設計流量及上游水位不變的前提下，淤積深度增加，過流斷面面積減小，其下游水位降低，兩者呈現(xiàn)反比例關系，且呈現(xiàn)明顯的非線性；

(2) 倒虹吸的淤積深度增加至0.20 m時，其下游水位降低至27.27 m。繼續(xù)淤積，其下游水位將低于其設計水位27.27 m，影響下游的渠道運行和整個工程效益的發(fā)揮。

3 設計解決淤積的影響

以上分析表明，倒虹吸的淤積對倒虹吸的運行狀態(tài)以及所在的整個工程影響較大，對總體工程，既可能產生安全問題，也可能影響工程效益的發(fā)揮，必須在工程的規(guī)劃設計中采取措施予以解決。除加強工程管護之外，在渠道工程的設計中還需要完善一些工程措施。

3.1 上游草皮護坡

倒虹吸上游部分渠道主要以挖方為主，部分渠道存在深開挖。渠道設計中，采用C20混凝土襯砌護坡護底，襯砌高度至正常設計水位以上0.50 m，再往上至原地面高程開挖坡面采用草皮護坡，以防止沖刷形成水土流失，減小渠道水流的含砂量。渠道一側的交通道路為泥結石路面，路面反向設計坡，防止坡面雨水匯集渠道。同時，兩岸采用植樹固土等涵養(yǎng)措施，如圖4所示 。

圖4 倒虹吸上游渠道典型斷面圖

3.2 進口及上游渠道設置沉砂池

在倒虹吸進水口前設沉砂池，以使上游河床沖刷泥砂及水流中大顆粒泥砂淤積在沉砂池內，減小進入倒虹吸內的泥砂量。沉砂池寬2.6 m，池長12.0 m，深度0.5 m。要求對池內淤積的泥砂定期清理。同時，在上游渠道中設置沉砂池兩座，池寬6.0 m，凈長22.0 m，上下游漸變段10.0 m，池深1.0 m左右，詳細布置如圖5所示。

圖5 渠道沉砂池平面圖

3.3 設置沖砂及排砂建筑物

倒虹吸的泥砂淤積問題應該防治結合。利用距倒虹吸起點約3.32 km處的天然溝渠，在溝渠前約30.00 m處設置沖砂閘，如圖6所示。進口高程與該處銜接的倒虹吸底高相同，為19.30 m，出口處設置消力池，池總長15.00 m，寬3.00 m，深1.25 m，其后新開挖約37.00 m平順銜接至原天然溝渠。

圖6 倒虹吸沖砂閘平面圖

4 結束語

(1) 倒虹吸的淤積深度增加，過流能力降低。淤積深度增至0.47 m時，過流能力降低至5.60 m3/s；進一步淤積，過流能力將小于設計值。倒虹吸的淤積深度增加，進口水位雍高，淤積深度增至0.15 m時，上游水位雍高至30.37 m，進一步淤積，上游水位將超正常設計水位。倒虹吸的淤積深度增加，下游水位降低，深度增至0.20 m時，出口水位降低至27.27 m，進一步淤積，下游水位將小于設計水位。

(2) 減小淤積對倒虹吸運行的影響，可在倒虹吸上游的渠道設置沉砂池、上游渠道實施護襯，結合工程實際條件設置沖砂及排砂建筑物，以及定期排出倒虹吸內的淤積泥砂等工程管護措施。