論述干渠縱斷面設計理論

孫江霞

摘要：本文以新疆瑪納斯縣團結干渠工程為例，論述了縱坡的確定和橫斷面的設計是影響整個工程設計合理性的關鍵部分。本文重點結合實際分析工程設計，為工程設計實施提供借鑒。

關鍵詞：渠道設計；斷面

1、工程概況

（1）工程規模及布置

團結干渠位于以畜牧業為主的旱卡子灘鄉境內，原設計流量3.5m3/s，系一條人工開鑿的渠道。

該段渠道多為山區石洞、土洞、明洞、渡槽、明渠等形式，并有退水閘、渠頂過洪渡槽等建筑物，長度10.433km，其中的石洞段長2.267km，土洞段長1.405km，其它段均為明渠。

現狀存在的主要問題：

1）現狀隧洞過水能力不足

2）現狀渡槽過水能力不足

3）現狀部分隧洞塌陷、斷裂、淤積現象嚴重

4）隧洞襯砌結構老化破損現象嚴重

該工程為老渠道改造工程，總體線路按照原渠線，對局部受場地和渠線防洪安全受影響的部分渠段進行調整，盡量利用現有的過水橋涵布置渠線。主要處理方案為：

1）對渠線進行調坡，使流速達到規范允許的范圍之內，避免渠道遭受沖刷危害。

2）增設跨河渡槽、過洪涵洞和渡槽、橋涵等。保障渠線暢通和防洪安全。

（2）工程等別

團結干渠設計流量為3.50 m3/s，工程規模Ⅳ等小（Ⅰ）型，主要建筑物4級，次要建筑物和臨時性建筑物級別為5級。

2、干渠縱斷面設計

2.1 項目設計目標及原則

（1）項目設計目標

1）對渠道進行襯砌，減少灌溉滲漏水量，恢復渠道歷史引水流量；

2）增大人工飼草料基地面積，減緩對天然草場破壞；

3）早日實現草原生態平衡，促進生態良性循環，對改善草場退化現狀起到一定的作用。

（2）項目設計原則

本工程是按照原有渠線設計，其地形高程滿足自流灌溉，渠道設計縱坡基本結合地形情況而設計，根據新疆對不沖不淤流速經驗，本渠道工程設計流速控制在1.22～3.50m/s之間。

干渠的設計縱坡在滿足自流引水的條件下，按照技術經濟縱坡確定，以求得合理最小的各類建筑物所需尺寸，取得較小的工程量，較低的工程造價，最優的效益費用比。

2.2 縱斷面的設計

（1）設計方法

干渠縱斷面設計高程的推算綜合考慮沿程及局部水頭損失、流速水頭的影響等，以上下游水面平順銜接、無突變段（點）、防止壅水或跌落、各種輸水建筑物渠底正坡連接、斷面水流能量相等或近似相等為原則進行計算。首先確定水流總能量，即水面高程，進而確定渠底設計高程，以加大輸水流量進行控制計算。

渠底設計高程按照以下公式計算：

H=E上-v2 /（2g）-h-Δh

式中：H—渠底設計高程（m2）；

E上—上一斷面的總能量（m），E上=H+h+v /（2g）；

V—斷面加大流速（m/s）；

h—斷面加大水深（m）；

Δh—水頭總損失（m）。

渠底設計高程推算的同時，也進行全線水面連接設計，渠道全線為恒定均勻流，通過計算，渠道全線水面連接平順，水流順暢，水面均勻。

（2）設計縱坡分析

根據建筑材料和實地渠線資料，兼顧現有渠段原狀，在原有閘口基礎上，調整了縱坡，以滿足渠道的不沖、不淤要求，并結合地形縱坡，使工程盡量減少，各段渠道縱坡斷面盡可能一致等條件為原則進行縱斷面設計。

本次改建渠道全長10.433km，原渠底起始高程1432.70m，末端高程為1399.35m，總落差33.35m。為保證大流量不沖、小流量不淤，盡量接近原始地形縱坡，優化方案，降低投資。

3）連接物的設計

縱坡渠道之間的連接建筑物設計縱坡主要以渠道水力設計參數控制，保證與渠道水流連接平順過渡，斷面能量相等的原則確定設計縱坡。渡槽以適當減小斷面尺寸，降低槽身重量，并使水面銜接平順的原則確定設計縱坡；石洞或土洞均與渠道相連接，設計縱坡采用與其相鄰的渠道一致；梯型明渠位于渠道與渠道之間較長的連接段，長度較大，為節省水頭，并考慮梯型明渠的過流工程特性，亦采用較緩縱坡為宜；矩型明渠按照前后連接建筑物的水力特性、水頭分配等因素確定設計縱坡。

4）設計結論

綜合上述設計原則、設計方法及分析論證，確定團結干渠工程渠道設計縱坡為 i=1.8～20.9‰。

2.3 設計中的問題

（1）斷面及建筑物糙率

渠道樁號0+000～6+303段中石洞段總長2267m，該段對部分輕微破損襯砌進行修補，底板采用φ8鋼筋網混凝土襯砌。對部分襯砌破損嚴重洞段重新襯砌。暗渠段總長1037m，該段原有襯砌較為規整，在滿足過流情況下對部分輕微破損襯砌進行修補，底板采用φ8鋼筋網混凝土襯砌。該段設計糙率取 n=0.015。

樁號6+303～10+433段中土洞段總長1405m，現狀襯砌條件良好，本次設計對底板進行修補，底板采用φ8鋼筋網混凝土襯砌。該段設計糙率取 n=0.015。

其它段干渠采用梯形明渠型式，改建后明渠底寬0.75m，高1.8～2.0m，采用6cm厚C20F200預制砼板襯砌，該段設計糙率按照常規取 n=0.017。

（2）跨溝建筑物型式選擇

渠道沿線途經許多沖洪溝，為保證渠道能正常運行，根據原地形條件，在沖洪溝上設置渡槽從沖洪溝頂部跨越。

3、結束語

本文在坡度、渠道實用經濟斷面和費用最小優化設計的基礎上，考慮渠道輸水流量和渠道水流流速約束條件，建立了包含渠道底寬、水深、邊坡坡度3個優化變量的梯形或矩形渠道優化設計模型，探討了優化變量的取值方法，提出基于邊坡穩定和費用最小的梯形或矩形渠道優化設計方法。