跨流域調(diào)水工程輸水建筑物糙率研究

任 強(qiáng)

(南水北調(diào)中線建管局天津建管部 天津 300134)

1 工程概況

引洮供水工程是甘肅省在建的大型跨流域調(diào)水工程,其建設(shè)任務(wù)是重點(diǎn)解決中部干旱地區(qū)城鎮(zhèn)生活及工業(yè)用水、灌溉及農(nóng)村人畜飲水、生態(tài)環(huán)境用水等。引洮供水一期工程總干渠自九甸峽樞紐水庫右岸取水,全長(zhǎng) 110.47km,其中:隧洞 15座,總長(zhǎng)度 93.52km;渡槽 9座,總長(zhǎng)度 1.76km;暗渠22座,總長(zhǎng)度 3.72km;明渠 11.21km;總干渠平均縱坡 i=1/1534。隧洞為總干渠主要建筑物,占全長(zhǎng)的 84.7%。總干渠設(shè)計(jì)流量為 32m3/s,加大流量為 36m3/s,隧洞縱坡 1∶1500,矩形渡槽縱坡1∶1300,U形渡槽縱坡 1∶1250,暗渠縱坡 1∶1500和 1∶2000。隧洞工程分為鉆爆法施工及 TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)施工兩大類,支護(hù)襯砌型式各不相同。鉆爆法施工隧洞 13座,總長(zhǎng)度 57.90km,采用一次支護(hù)噴錨,二次襯砌模筑鋼筋混凝土的復(fù)合式;TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)施工隧洞 2座,總長(zhǎng)度35.49km,采用預(yù)制鋼筋混凝土管片龜背式縱橫向拼接襯砌;渡槽及暗渠建筑物均為模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2 研究目的及意義

糙率 n的取值是水力計(jì)算中的一個(gè)常規(guī)問題,但對(duì)于長(zhǎng)距離輸水工程,其合理選取糙率 n值意義重大。相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中的糙率系數(shù)沿用 20世紀(jì)施工技術(shù)和工藝水平條件下的推薦值,隨著施工工藝水平的提高,實(shí)際糙率 n值雖小于推薦值,但如何科學(xué)合理的選取,設(shè)計(jì)單位卻沒有可以準(zhǔn)確把握的依據(jù)。

引洮供水工程是以隧洞為主的長(zhǎng)距離輸水工程,工程設(shè)計(jì)中水力糙率取值對(duì)輸水建筑物斷面確定起著至關(guān)重要的作用,直接影響輸水?dāng)嗝娲笮『凸こ探ㄔO(shè)投資。評(píng)估預(yù)計(jì)南水北調(diào)中線工程北京干線糙率 n值每降低 0.001,就會(huì)使工程包括泵站的投資減小數(shù)億元;萬家寨等輸水工程隧洞設(shè)計(jì)中由于糙率選取較保守,建成后均存在實(shí)際糙率較設(shè)計(jì)值偏小的問題。

因此,結(jié)合工程輸水建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性,以及施工方式、混凝土澆筑技術(shù)水平,選擇已建成的類似工程,通過原型觀測(cè)及科學(xué)研究,確定不同類型建筑物能夠達(dá)到的最小及平均水力糙率,為引洮工程設(shè)計(jì)時(shí)合理選用糙率提供科學(xué)依據(jù),并最終達(dá)到減小輸水?dāng)嗝?降低工程建設(shè)投資的目的,其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。因此,對(duì)引洮供水一期工程總干渠輸水建筑物水力糙率進(jìn)行科學(xué)研究是非常必要的。

3 水力糙率研究的歷史、現(xiàn)狀與進(jìn)展

1775年法國工程師謝才提出了著名的謝才公式 v=C RJ,解決了明渠流速與水面比降的關(guān)系,系數(shù) C稱為謝才系數(shù)。謝才曾認(rèn)為系數(shù) C是個(gè)常數(shù),但經(jīng)后人的大量試驗(yàn)和實(shí)測(cè)資料表明 C值不是常數(shù),而與過水?dāng)嗝嫘螤睢⒈诿娲植诙纫约袄字Z數(shù)等因素有關(guān)。計(jì)算謝才系數(shù)的公式很多,其中應(yīng)用最為普遍的是 1889年愛爾蘭的曼寧提出的曼寧公式,曼寧公式首次給出了謝才系數(shù)與水力半徑和糙率的關(guān)系,進(jìn)一步為謝才公式的實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造了方便的條件。

近幾十年來,國內(nèi)許多設(shè)計(jì)、研究單位先后做了大量原型觀測(cè)試驗(yàn)工作,取得了十分珍貴的實(shí)測(cè)糙率資料。這些研究資料表明,采用現(xiàn)代工藝施工的輸水建筑物糙率系數(shù)和目前常用設(shè)計(jì)值0.014～0.016相比,要小 20%～30%,部分實(shí)際工程原型觀測(cè)得到的糙率值與設(shè)計(jì)選用糙率值見表 1。

表 1 國內(nèi)部分已建成輸水工程實(shí)測(cè)糙率

4 研究方式、技術(shù)路線及方案

4.1 研究方式

引洮供水一期工程總干渠輸水建筑物類型較多,具備典型的不同類型輸水建筑物特征。結(jié)合不同類型輸水建筑物,研究方式采用已建正常運(yùn)行工程原型觀測(cè)為主,結(jié)合理論分析與計(jì)算、輔以模型試驗(yàn)等科學(xué)技術(shù)手段,做到資料翔實(shí),論據(jù)明晰準(zhǔn)確,結(jié)論可靠。

原型工程確定為甘肅省引大入秦工程總干渠,該工程總干渠與引洮供水工程總干渠在工程規(guī)模和技術(shù)特性等方面均具有相似性,與引洮供水工程同屬于甘肅省境內(nèi),開展研究工作時(shí)也便于協(xié)調(diào)配合。

研究?jī)?nèi)容結(jié)合引洮供水一期工程總干渠輸水建筑物類型及混凝土澆筑或預(yù)制的不同施工條件,選擇以下幾種類型過水?dāng)嗝孢M(jìn)行研究:①鉆爆法施工隧洞、組合鋼模板澆筑二次襯砌鋼筋混凝土;②TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)施工隧洞,預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌;③組合鋼模板澆筑鋼筋混凝土矩形渡槽;④組合鋼模板澆筑鋼筋混凝土 U形渡槽;⑤小塊混凝土預(yù)制板襯砌梯形明渠;⑥組合鋼模板澆筑鋼筋混凝土矩形明渠。

上述施工方式及斷面形式均可在引大入秦工程選取相應(yīng)渠段進(jìn)行糙率原型觀測(cè)研究。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘,試驗(yàn)觀測(cè)渠段共選定 5處,分別為 30A隧洞,盤道嶺隧洞,大沙溝渡槽,林坪溝 U形渡槽和林坪溝弧底梯形明渠。

4.2 研究技術(shù)路線與方案

輸水建筑物糙率試驗(yàn)研究的關(guān)鍵技術(shù)是水位與流量的量測(cè),這些數(shù)據(jù)應(yīng)在原型輸水工程中通過原型觀測(cè)獲取。輸水建筑物的糙率與過水?dāng)嗝嫘螤畛叽缬嘘P(guān),模型試驗(yàn)研究很難達(dá)到原型觀測(cè)的效果,因此研究以原型觀測(cè)為主,采用先進(jìn)量測(cè)設(shè)備和技術(shù)手段,獲取高質(zhì)量的原型觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合理論分析的技術(shù)路線進(jìn)行研究。

本著安全、可靠、準(zhǔn)確、先進(jìn)的原則,對(duì)試驗(yàn)難度最大的隧洞水位量測(cè),采用壓力傳感器和高精度超聲波雙水位監(jiān)測(cè)技術(shù),隧洞水位數(shù)據(jù)傳輸采用國際先進(jìn)的 CAN(Controller Area Network)控制器局域網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),試驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)了隧洞水位數(shù)據(jù)的自動(dòng)化實(shí)時(shí)采集。為取得與水位數(shù)據(jù)同步完整的流量資料,隧洞流量亦采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè);考慮到試驗(yàn)成本,渡槽、明渠水位與流量量測(cè)采用人工測(cè)量的方案。

4.3 流量量測(cè)方案

本次試驗(yàn)流量量測(cè)實(shí)施人工量測(cè)與量水槽自動(dòng)監(jiān)測(cè)兩種方案進(jìn)行。鑒于隧洞采用水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),為取得與隧洞水位對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù),在引大入秦工程 30A隧洞出口疙瘩溝渡槽下游與盤道嶺隧洞進(jìn)口上游的車道口兩處修建矩形渠道機(jī)翼形量水槽,并安裝壓力傳感器進(jìn)行水位自動(dòng)監(jiān)測(cè),以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中流量資料的連續(xù)實(shí)時(shí)采集。

(1)量水槽自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案。隧洞流量用機(jī)翼形量水槽量測(cè),機(jī)翼形量水槽是西北農(nóng)林科技大學(xué)水建學(xué)院呂宏興教授根據(jù)文丘里型量水槽的測(cè)流原理研究的新型量水槽,其量水槽外形仿真飛機(jī)機(jī)翼,具有良好的流體力學(xué)特征,適用于 U形渠道量水。為解決本次糙率原型觀測(cè)流量量測(cè)的需要,專門在矩形渠道上對(duì)該量水槽進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究結(jié)果表明,該量水槽用于矩形渠道流量量測(cè)效果十分理想,測(cè)流精度高,配用水位傳感器可實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

矩形渠道機(jī)翼形量水槽是在矩形渠道兩側(cè)修筑仿機(jī)翼形槽壁,使之形成收縮斷面,水流通過時(shí)產(chǎn)生臨界流,從而具有穩(wěn)定的水位流量關(guān)系,量測(cè)上游水深,可計(jì)算出渠道流量。

(2)流速儀測(cè)流方案。流速儀斷面測(cè)流應(yīng)在順直渠段選定測(cè)流斷面,測(cè)流垂線不少于 5條,每個(gè)測(cè)流垂線流速測(cè)點(diǎn)根據(jù)水深取六點(diǎn)法,測(cè)點(diǎn)設(shè)在0.0(水面 )、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0(渠底 )相對(duì)水深處。水深取六點(diǎn)法時(shí),平均流速測(cè)算方法根據(jù) SL 20—92《水文測(cè)流規(guī)范》計(jì)算。

5 引大入秦工程原型測(cè)驗(yàn)

2006年 7月下旬分階段開始了原型水力糙率測(cè)驗(yàn)研究方案的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)選點(diǎn)等前期準(zhǔn)備工作,2006年 8月 10～20日完成了試驗(yàn)隧洞、渠道、渡槽觀測(cè)段縱橫斷面的測(cè)量,2006年 8月 21日至 9月 11日進(jìn)行隧洞水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案的優(yōu)化比較和方案的最終確定,同期進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)備的采購、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、傳感器標(biāo)定以及系統(tǒng)預(yù)調(diào)試。9月 15日研究人員及設(shè)備全部按計(jì)劃抵達(dá)引大工程試驗(yàn)所在地,兩套隧洞水位自動(dòng)采集系統(tǒng)于 9月 16日開始在盤道嶺隧洞和 30A隧洞進(jìn)行安裝,同時(shí)對(duì)水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在安裝前進(jìn)行了室內(nèi) 72h不間斷調(diào)試,調(diào)試過程中系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。9月 29日完成安裝,同日進(jìn)行了通水前的調(diào)試,調(diào)試過程一切順利,兩套隧洞水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作正常。

2006年 9月 30日引大灌區(qū)冬灌開始,渠首開閘放水,水位監(jiān)測(cè)記錄顯示水頭于當(dāng)日到達(dá) 30A隧洞 13斷面 (樁號(hào) 60+700),流量穩(wěn)定在 8m3/s后試驗(yàn)正式開始。由于采用了量水槽水位自動(dòng)監(jiān)測(cè),兩隧洞試驗(yàn)過程中 9月 30日至 11月 5日的流量變化過程一目了然。試驗(yàn)中渡槽和明渠試驗(yàn)段的水位采用人工觀測(cè),流量采用流速儀斷面測(cè)流方法量測(cè),流速儀量測(cè)與量水槽結(jié)果取得較好的一致。試驗(yàn)過程中曾多次發(fā)生雷雨天氣,兩只壓力傳感器因雷電而損壞,但所有超聲波傳感器完好無損,超聲波傳感器采集的水位試驗(yàn)數(shù)據(jù)完整,滿足了試驗(yàn)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明,本次試驗(yàn)關(guān)鍵的隧洞水位(包括量水槽上游水位)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從軟件、硬件技術(shù)到施工安裝和電纜布設(shè)連接各個(gè)環(huán)節(jié)都經(jīng)受了試驗(yàn)過程中洞內(nèi)環(huán)境、外界雷電的考驗(yàn),所采用的壓力傳感器和超聲波水位雙保險(xiǎn)量測(cè)方案是正確而且十分必要的。

6 糙率原型測(cè)驗(yàn)結(jié)果與分析

30A隧洞試驗(yàn)段 6個(gè)水位監(jiān)測(cè)斷面共采集流量、水位數(shù)據(jù) 5144組,按不同流量級(jí)選取水位過程相對(duì)平穩(wěn)的 25個(gè)時(shí)段的水位流量數(shù)據(jù)計(jì)算糙率,隧洞實(shí)測(cè)預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌圓形斷面平均糙率 0.012627。盤道嶺隧洞試驗(yàn)段由三心圓拱直墻平底板矩形斷面和圓拱直墻反底拱斷面兩段組成。由于斷面形狀不同,糙率監(jiān)測(cè)計(jì)算分兩段進(jìn)行,兩洞段各布置 3個(gè)水位監(jiān)測(cè)斷面,各段長(zhǎng)度約 600m,共采集流量、水位數(shù)據(jù) 4970組,按不同流量級(jí)選取水位過程相對(duì)平穩(wěn)的 17個(gè)時(shí)段的水位流量數(shù)據(jù)計(jì)算糙率,三心圓拱直墻平底板矩形斷面實(shí)測(cè)平均糙率 0.01155,圓拱直墻反底拱斷面實(shí)測(cè)平均糙率0.011521,與引灤入津隧洞原型觀測(cè)的糙率 0.012比較,其施工條件與盤道嶺隧洞均為鋼筋混凝土鋼模澆注襯砌,不同之處在于引灤入津隧洞糙率是包含了彎道在內(nèi)的綜合糙率值,而本試驗(yàn)隧洞均選在直線洞段,因此平均糙率略小于引灤入津隧洞糙率。30A隧洞平均糙率因存在管片縫隙影響,平均糙率則大于引灤入津隧洞的糙率。另外,上述 3種隧洞斷面形狀的糙率隨水深的變化說明,過水?dāng)嗝嫘螤钍怯绊懖诼手档囊粋€(gè)重要因素。林坪溝 U形渡槽試驗(yàn)段設(shè)上下游兩個(gè)觀測(cè)斷面,采用流速儀斷面測(cè)流量,垂球法量測(cè)水位,試驗(yàn)共量測(cè)了 11組水位與流量,實(shí)測(cè)平均糙率為 0.01193。林坪溝弧底梯形明渠觀測(cè)段量測(cè)了 8組水位與流量,實(shí)測(cè)平均糙率為 0.01369。大沙溝渡槽試驗(yàn)段選取 11組水位與流量,各級(jí)流量計(jì)算的平均糙率為 0.013364,糙率普遍偏大,經(jīng)分析其主要原因是該糙率試驗(yàn)段下游車道口由于修建量水槽,導(dǎo)致量水槽上游水位壅高約 0.1～0.3m,從而使渡槽觀測(cè)段水位壅高,致使反算得出的糙率系數(shù)偏大。

7 引洮工程總干渠設(shè)計(jì)糙率取值建議及應(yīng)用

工程設(shè)計(jì)中為保證安全,應(yīng)將壁面粗糙度、斷面幾何形狀、彎道、漸變段、渠系建筑物、渠道淤積物、施工質(zhì)量、使用年限、養(yǎng)護(hù)條件等因素一并歸結(jié)到糙率中考慮,這時(shí)的糙率系數(shù)為綜合糙率。在綜合考慮以上因素的前提下,通過此次研究,建議鋼模混凝土澆注施工隧洞設(shè)計(jì)糙率取值 0.013～0.0135,TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)預(yù)制管片施工隧洞設(shè)計(jì)糙率取值 0.0135～0.014,小塊混凝土預(yù)制板襯砌施工弧底梯形明渠設(shè)計(jì)糙率 0.014～0.015。

在依據(jù)本科研報(bào)告推薦糙率值的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)單位分析了引洮供水一期總干渠隧洞的具體運(yùn)行狀況、工程特點(diǎn)等因素,類比引大入秦總干渠隧洞斷面設(shè)計(jì)特征,并參照現(xiàn)行水工隧洞相關(guān)規(guī)范的要求,綜合考慮引洮供水工程總干渠實(shí)際能達(dá)到的二次襯砌澆筑水平,進(jìn)行了隧洞設(shè)計(jì)方案優(yōu)化,對(duì)初步設(shè)計(jì)報(bào)告批準(zhǔn)的各類建筑物糙率值進(jìn)行了調(diào)整,調(diào)整后各隧洞斷面均有不同程度減少,總干渠工程節(jié)約投資約 3000萬元。

8 結(jié)語

輸水建筑物糙率取值問題隨著我國長(zhǎng)距離輸水工程建設(shè)的發(fā)展和工程規(guī)模的擴(kuò)大,愈來愈顯示出其重要性。近年來,國內(nèi)的有關(guān)設(shè)計(jì)研究單位對(duì)引灤入津、引黃、南水北調(diào)、以禮河、大朝山、碧口等工程做了輸水糙率的原型觀測(cè)試驗(yàn)研究,取得了十分有價(jià)值的研究成果。本次原型觀測(cè)糙率科學(xué)試驗(yàn)斷面類型更全 (5個(gè)斷面形狀),隧洞水位、流量觀測(cè)技術(shù)更先進(jìn),取得了預(yù)期研究結(jié)果并在引洮工程得到了應(yīng)用,可為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

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