南水北調沙河渡槽水頭優化分配設計

□ 買巨喆 □張明恩 □郭曉萌（河南省水利勘測設計研究有限公司）

1 工程概況

沙河渡槽是南水北調中線一期工程總干渠的組成部分，位于河南省平頂山市的魯山縣。沙河渡槽由沙河梁式渡槽、沙河至大郎河箱基渡槽、大郎河梁式渡槽、大郎河至魯山坡箱基渡槽，魯山坡落地槽組成，總長9050 m，其中沙河梁式渡槽長1666 m，沙河至大郎河箱基渡槽長3534 m，大郎河梁式渡槽長500 m，大郎河至魯山坡箱基渡槽1820 m、魯山坡落地槽長1530 m。

2 水頭優化條件

沙河渡槽共分5大設計分段，各段相互間影響較大，每段渡槽結構形式及斷面尺寸的變化，都會影響整座建筑物的工程量，因此，需要從投資、水頭對各段渡槽的敏感性、不同渡槽比降合理性等方面進行分析論證，對水頭進行科學分配。水頭優化的條件為：一是除進口漸變段反坡外，其余各段間均以順坡連接，以保證渡槽檢修時能夠放空；二是梁式渡槽采用U形4槽形式，下部支承采用空心墩；基礎采用灌注樁；三是箱基渡槽采用單槽矩形雙聯布置型式；四是魯山坡落地槽采用單槽矩形型式。

3 水力計算

3.1 設計條件

本段總干渠設計流量為320 m3/s，沙河渡槽分配的總水頭為1.77 m。水力計算的設計條件為，當通過設計流量時，從上游進口漸變段起點到下游出口漸變段終點的總水頭損失為1.77 m。計算中閘室、連接段及槽身部分糙率采用1.40×10-2，進出口漸變段的糙率采用1.50×10-2。水力計算時將其分為11段計算，分別為進口漸變段（包括節制閘）、沙河槽身段、沙河至大郎河箱基渡槽連接段（包括檢修閘）、沙河至大郎河箱基渡槽段、箱基渡槽與大郎河連接段、大郎河槽身段、大郎河渡槽連接段、大郎河至魯山坡箱基渡槽段、魯山坡連接段（包括檢修閘及其進出口段）、魯山坡落地槽段、出口漸變段。

根據水頭優化限制條件，選擇4種U形槽直徑進行比較，即直徑分別為 6.40，7，8，9 m。

3.2 水力計算公式

3.2.1 渡槽水力設計的基本公式為：

式中：Z1、Z2—計算段段前、段后水位，m；V1、V2—計算段段前、段后斷面流速，m/s；hw1—計算段水頭損失，m。

渡槽的水頭損失包括：①沿程損失；②進口墩、墻側收縮引起的水頭損失；③局部損失；④彎道附加水頭損失：沙河至大郎河箱基渡槽段中包括420 m的彎道段，大郎河出口箱基渡槽段中包括320 m的彎道段，魯山坡落地槽包括499 m彎道段。

3.2.2 各種水頭損失的計算

3.2.2.1 沿程損失

槽身段:由于各段槽身段都較長，其設計流量下槽身段按明渠均勻流計算水面降落△Z為：△Z＝i·L

式中：L—槽身長度，m；i—槽底縱坡。漸變段、連接段、閘室段：△Z1=J1-2·L1式中：J1-2—計算段始末端斷面間的平均水力坡降；L1—計算段的長度，m。

3.2.2.2 進口閘墩引起的水面降落值△Z2為：式中：K—隔墩頭部形狀系數，半圓形墩頭取0.90；ω—束

窄斷面流速水頭與水深之比；α—隔墻總厚度與槽身凈寬之比；V—槽內流速，m3/s。

3.2.2.3 局部水頭損失

閘槽水頭損失按計算,V為閘槽斷面平均流速，ξ槽取為0.05。

漸變段、連接段水頭損失按下式計算：

收縮漸變（連接）段ξ＝0.15，擴散漸變（連接）段ξ=0.25，V1、V2為漸變（連接）段首末端的流速。

3.2.2.4 彎道附加水頭損失

式中：V—斷面平均流速，m/s；B—水面寬，m；H—水深，m；r0—彎道半徑，m；C—謝才系數，m0.5/s;R—水力半徑，m；L—彎道長度，m。

3.2.3 槽身過流能力計算

槽身過設計流量時，過流能力按明渠均勻流計算，其計算公式為:

式中：Q—通過渡槽的流量，m3/s；i—槽底縱坡；A—槽身過水斷面面積，m2;n—糙率，采用n＝0.14×10-1。

沿程取11個計算段、12個控制斷面，逐段列能量方程進行計算。

3.3 優化方案水力計算結果

通過進行水力計算，各方案各段設計水力要素見表1。

表1 各方案水力要素表

4 工程量對比及投資分析

根據計算的各段槽身的斷面參數，分別對4種方案的工程量及投資進行計算，工程量及投資對比見表2。

表2 各方案工程量及投資對比表

從表中可以看出，對于梁式渡槽，方案1投資最小，為30122萬元，方案4投資最大，為34272萬元。對箱基渡槽，方案4投資最小，為52534萬元，方案1投資最大，為58840萬元；對每段渡槽而言，比降越陡，斷面越小，工程量也越省；但對于整座渡槽而言，由于箱基渡槽比較長，其比降的變化對工程投資影響較大，因此，從整座建筑物工程投資比較，方案3投資最小。

5 方案選擇

根據投資最小的原則，最終選擇沙河渡槽斷面尺寸為：沙河梁式渡槽槽底比降1/4600，單槽直徑8 m，凈高7.40 m；沙河至大郎河箱基渡槽槽底比降1/5900，單槽凈寬12.50 m，凈高7.80 m；大郎河梁式渡槽槽底比降1/5400，單槽直徑8 m，凈高7.80 m；大郎河至魯山坡箱基渡槽槽底比降1/6100，單槽凈寬12.50 m，凈高7.80 m；魯山坡落地槽槽底比降1/7600，單槽凈寬22.20 m，凈高8.10 m。