1 前言

　　废黄河是一条多泥沙河流，在江苏省北部自西向东流入黄海。目前，正在建设的通榆河，南起南通、北至赣榆，纵贯江苏东部沿海地区，是实现送水北上，解决苏北工农业用水，发展水运事业，振兴苏北经济的大型水利水运骨干运河。因而，在通榆河与废黄河相交处，将建设水利立交工程，分别满足废黄河输水排沙和通榆河引水通航的需要。本文以设计三种水利立交工程方案的模型试验为基础，论述水利立交工程中地下涵洞输送水沙能力及工程防淤措施，并给出了判别涵洞内不淤流速的计算公式，成功地解决了水利立交工程中泥沙淤积的关键问题。

2 立交工程布置型式与输水能力

2.1 水利立交地下工程布置型式

　　通榆河引水流量100m³/s，设计河道底宽50m，而从通榆河底穿越的废黄河，设计排洪流量500m³/s，要求控制立交工程上下游水位差0.5m。为此，江苏省水利勘测设计院先后提出了三种立交工程设计方案，进行优化筛选。图1为倒虹吸型立交地涵设计方案，纵向水平涵洞洞身长50m，两端按1∶6的斜坡向外延伸，其进出口闸室底板与渠道平底连接，横向不改变通榆河过水断面。

图2是上槽下洞型立交地涵设计方案，上层为渡槽型式，满足通榆河引水通航，下层设地下涵洞，输送废黄河来水来沙。涵洞上下游分别设计1∶6和1∶9的斜坡过渡段，与引水河道相连。

　　第三种竖井型立交地下涵洞设计方案，其进口段竖井型式设置，出口段则以逆向斜坡与渠道相连。涵洞洞身段分上下两层输水，布置形式见图3。三种设计方案的主要特征见表1。

2.2 立交地下涵洞水头损失

　　立交地下涵洞恒淹没水下，泄流状态属有压流。为比较涵洞的泄流能力，三种立交工程布置方案的试验研究均设计成正态模型，几何比尺统一取1∶40。在全部开启闸门敞泄设计洪水时，测得倒虹吸型涵洞沿程水头损失40cm,约占总水头损失的1/2^①；上槽下洞型涵洞和竖井型涵洞沿程水头损失较小，分别为22.4cm和16cm，占各自总水头损失的1/3左右，局部水头损失约占2/3^②。其中上槽下洞型涵洞水流与涵洞四周边壁不发生分离，若加大进口闸室胸墙圆弧半径，改善进口水流条件，进口段局部水头损失略有减小，但相应增加沿程水头损失，涵洞水流内部发生自动调整，从而维持总水头损失基本不变，胸墙两种圆弧半径布置方案沿程水头变化见表2，测点位置见图4，可见上槽下洞型立交地涵泄流已达较佳状态。

　　竖井型双层立交地下涵洞，原进口段布置方案竖井垂直，宣泄水流时形成2个回流区，减少了有效过水面积，局部水头损失大，泄流能力减小。当加大上下层竖井进口闸室断面圆弧半径，消除闸室内底部回流区，进口段局部水头损失由40cm减小到25.6cm，从而使竖井双层涵洞的总水头损失59.2cm减至44.8cm，显然竖井进口断面形态对泄流影响很大。竖井型地涵进口段修改布置见图5。

　　当改变调度管理方式、降低地涵下游水位运行时，竖井双层涵洞水头损失明显增大，泄流能力减小，倒虹吸型涵洞水头损失变化次之，上槽下洞型地涵在下游水位淹没出流条件下，水头损失变化十分微弱，表明上槽下洞型立交地下涵洞泄流条件优良。

2.3 单、双层涵洞沿程阻力系数

　　根据上述立交地下涵洞淹没出流的输水特性，由管道宣泄水流总水头损失公式

h_ω=[λ·l/D+∑ξ]U²/(2g)

式中λ为立交地涵沿程阻力系数；l为立交地涵长度；D为立交地涵当量直径，取D=4R；∑ζ为各部位局部阻力系数之和；U为洞内平均流速；g为重力加速度。可得宣泄洪水流量时阻力系数见表3，表明上槽下洞型立交地下涵洞沿程阻力系数和局部阻力系数均较小，竖井型双层涵洞沿程阻力系数较大，约比单层涵洞增大50%。因此，上槽下洞型立交地下涵洞输水性能占优。

3 立交地下涵洞输沙与不淤流速

3.1 地下涵洞模型输沙特性

　　废黄河枯水时雨水少，河道两岸不发生坍塌，高滩地上洪水时落淤的细颗粒泥沙很少被地面径流带入河道，水中挟沙多来自河床冲刷，颗粒较粗而含沙量较小。汛期时水位高，流量大，主流易发生摆动，造成河岸坍塌，再加之雨水多，滩地淤积细颗粒泥沙被冲刷搬移，导致河道来沙增大，而泥沙颗粒相对较细，60年代期间含沙量与流量变化关系见表4。近期废黄河含沙量有所减少，粒径相应趋向均匀变细，悬沙中值粒径0.02mm。在建造水利立交地下涵洞后，如何利用涵洞水流本身水力条件，将众多来沙输送下泄，为此，模型用水力筛选后的胶木粉为试验用沙，并从偏于地涵使用安全着想，按沉降相似设计，由泥沙粒径比尺λ_d=1.23，选用模型沙中值粒径0.0166mm，进行水力输沙试验。

经过施放浑水试验，表明在全部开启闸门下泄中小流量时，三种立交地下涵洞内均有一定程度的泥沙淤积，其中以流量100m³/s、含沙量0.5kg/m³时淤积强度最大，月平均淤积厚度约13cm。小于该流量时，含沙量小，涵洞内泥沙淤积少。反之流量大时，含沙量相应增加，但洞内流速加大，输沙能力亦增大，涵洞内泥沙淤积也减少。在泄流量200m³/s时，洞内月平均淤积厚度减至3cm左右。当下泄流量超过300m³/s时，洞内平均流速约增至1.6m/s，尽管含沙量较大，但涵洞输沙能力更大，泥沙无法落淤，立交地下涵洞内可转变为无泥沙淤积状态。

　　在立交地下涵洞进口段，倒虹吸型和竖井型双层地下涵洞闸室底板与渠道平底方式联接，涵洞口门附近均无泥沙淤积，有利涵洞安全输沙。但上槽下洞型地下涵洞进口段，由于明渠底坡斜向联接，上游过水断面沿程扩大，流速发生减小，水流挟带泥沙不断落淤。宣泄洪水流量500m³/s时，测得15天平均淤厚98.6cm,局部最大淤厚达176cm，进口斜坡段泥沙淤积多，对地涵安全运行威胁大。但下游出口斜坡段，主流紧贴斜坡面，底部流速大^(１)，输沙能力远大于上游斜坡段，因而下游逆向斜坡联接较上游有利输水输沙。

3.2 原型沙水力冲刷试验

　　立交地下涵洞内一旦发生泥沙淤积，不但影响安全泄洪，而且将给机械清淤带来很大困难。为解决立交地涵在全开闸门下泄中小流量时的泥沙淤积问题，维持地涵设计泄洪和排沙能力，采集原型沙，进行地涵水力冲刷试验，其原型底沙中值粒径D_５０＝0.0456mm,最大粒径D_max＝0.125mm,小于0.05mm的粉沙和粘土约占沙样比重65%。

　　试验中通过控制进口流量、逐步加大涵洞内流速的方法，不断观察洞内淤积泥沙各种运动状态。当涵洞试验段内流速为0.3m/s时，各种淤积历时的床面泥沙表现处于静止状态，偶尔有个别微小沙粒下移，可认为涵洞水流未达到临界起动流速；当流速增至0.5m/s，对于各种淤积历时的床面泥沙，均可观察到少部分颗粒顺水下移滚动，河床表面呈细沟状轻微剥蚀，但未见泥沙扬动现象，水流流态介于起动流速与扬动流速之间；流速增至0.7m/s时，不论泥沙淤积历时长短，均有床面部分泥沙进入扬动状态，河床出现冲刷，其形式以条状剥蚀为主，冲刷起来的泥沙仅靠近涵洞底部以悬移方式运行，此时冲刷强度较小。只有当流速增至0.9m/s时，各种淤积历时泥沙均才出现大量扬动状态，河床冲刷强烈，床面随之下切，掀起的泥沙充满整个涵洞，呈云雾状随水流向下游悬移。少数因淤积床面被水流冲刷出现的粘性颗粒，被底部紊动水流跃起，也可迅速送出地下涵洞。

　　对于铺厚5cm的原型底沙，尽管淤积历时不同，但各种水力冲刷状态基本相近，仅有冲刷历时存在差异。淤积历时长，淤积泥沙冲刷干净的时间较长，床面冲刷率降低。反之，淤积泥沙则被迅速冲刷完毕，冲刷率增大。按照淤积历时分别为1天、1个月、2个月、4个月和6个月五组试验观察，表明淤积历时在两个月以下时，淤积泥沙冲刷迅速，冲刷率变化较快。超过两个月后，则冲刷率变化相对稳定，具体见图6。

　　立交地下涵洞安全输沙时以悬沙形式为主，涵洞内悬沙垂向分布均匀程度将仍服从悬浮指标Z=ω/κU_*,认为当Z≥5时，泥沙基本上以推移质运动，反之则开始出现悬移运动，即表示泥沙开始悬浮。当Z＜0.25时，水流紊动扩散强烈，悬沙垂向分布趋于均匀，河床呈冲刷不淤积状态，此时临界水力条件下的平均流速，即为涵洞内泥沙不淤流速。

在立交地下涵洞内淤积泥�