田家渡槽水深計(jì)算方法淺析

劉　勝，張立華

（1．山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271000；2．山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

田家渡槽水深計(jì)算方法淺析

劉勝1，張立華2

（1．山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271000；2．山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

【摘要】渡槽是渠道設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的穿越建筑物，本文通過(guò)田家渡槽水深和渡槽水頭損失計(jì)算，提出規(guī)范計(jì)算公式中存在的問(wèn)題，闡述了渡槽水深的計(jì)算方法和過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】田家渡槽；水深；水頭損失；計(jì)算方法

田家渡槽位于某灌區(qū)西總干渠樁號(hào)6+115～6+185處，跨越大寺河，建筑物級(jí)別為3級(jí)，設(shè)計(jì)流量為3m3/s，加大流量為3.75m3/s，槽身長(zhǎng)度70m，共7跨，每跨長(zhǎng)10m，坡降i=1/8000。槽身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底寬3.0m，截面為矩形。渡槽進(jìn)口段、出口段均以漿砌石扭曲面型式與上、下游干渠平順連接，連接段長(zhǎng)度均為10m。根據(jù)大寺河的行洪水位要求，渡槽的槽底高程要高于干渠渠底0.5m。渡槽下游干渠的水深為1.19m，水位17.91m，渠底高程16.72m。渡槽末端的槽底高程17.22m。設(shè)計(jì)中渠系分配給渡槽體系的水頭損失值為0.3m。

1　渡槽水深計(jì)算

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50288-99）附錄M.0.1，渡槽過(guò)水能力按下式計(jì)算：

式中：L為渡槽長(zhǎng)度，70m；Q為渡槽設(shè)計(jì)流量，3m3/s；h1為渡槽水深，m；v1為渡槽內(nèi)流速，m/s。H0為渡槽含流速水頭的水深，m；A為渡槽過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；B為渡槽凈寬，3m；R為水力半徑，m；i為槽底比降，1/8000；n為槽底糙率，取0.015；σ為淹沒(méi)系數(shù)，由hs/H0查淹沒(méi)系數(shù)曲線；hs為渡槽下游渠道水位超出槽底末端的水深，0.69m；m為流量系數(shù)，取0.36～0.385；ε為側(cè)收縮系數(shù)，取0.9～0.95；α為流速分別系數(shù)，取1.0～1.05。經(jīng)計(jì)算，按式 （1）計(jì)算的設(shè)計(jì)水深為1.59m，加大水深為1.89m；按式（2）（3）計(jì)算的設(shè)計(jì)水深為0.70m，加大水深為0.88m。這兩種計(jì)算結(jié)果相差1倍以上。

分析兩種計(jì)算結(jié)果相差較大的原因，式（1）為明渠均勻流公式，計(jì)算的水深為渡槽正常水深，正常水深形成的條件為渡槽足夠長(zhǎng)時(shí)，渡槽上游才能逐漸接近均勻流水深，或者按式（2）（3）計(jì)算出的渡槽水深與正常水深一致（或接近）時(shí)，整個(gè)渡槽均為正常水深。田家渡槽長(zhǎng)70m，末端渠道水位又較低，所以渡槽內(nèi)沒(méi)有形成正常水深的條件，按式（1）計(jì)算田家渡槽水深是不妥的；式（2）（3）為寬頂堰堰流公式，計(jì)算的水深為渡槽末端的水深，在渡槽很短，可以忽略渡槽的沿程損失時(shí)適宜使用，田家渡槽長(zhǎng)度70m，大于15h1，也不宜按式（2）（3）確定渡槽水深。

渡槽的水流流態(tài)一般為恒定非均勻漸變流，應(yīng)先按式（2）（3）計(jì)算出渡槽末端水深，再根據(jù)能量守恒方程依次推算上游水位，計(jì)算公式如下：

式中：z1、z2為斷面1、2距基準(zhǔn)面的高度，m；h1、h2為斷面1、2的水深，m；v1、v2為斷面1、2流速，m/s；hf為斷面1、2間的沿程水頭損失，m。

為驗(yàn)證以上分析，按以上公式對(duì)田家渡槽不同長(zhǎng)度的渡槽水深進(jìn)行計(jì)算，渡槽的尺寸、設(shè)計(jì)流量同上，渡槽末端水深為式（2）（3）計(jì)算的水深，渡槽糙率取0.015，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1看出，當(dāng)田家渡槽長(zhǎng)度在7km以上時(shí)，渡槽始端水深才接近正常水深。

表1渡槽距末端不同距離水深 m

田家渡槽長(zhǎng)70m，設(shè)計(jì)流量時(shí)渡槽末端水深0.70m，始端水深0.78m，渡槽水深與渡槽正常水深相差較大。根據(jù)渡槽始端水深，用能量方程公式，可算出渡槽始端上游干渠水深。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)流量時(shí)渡槽始端上游干渠水深為1.43m，加大流量時(shí)為1.58m。

根據(jù)上述分析，筆者認(rèn)為，渡槽的水流流態(tài)一般為恒定非均勻緩流漸變流，其水深按恒定均勻流計(jì)算是不恰當(dāng)?shù)模刹鬯畹挠?jì)算方法應(yīng)按式（2）（3）計(jì)算渡槽末端水深，并根據(jù)能量方程計(jì)算渡槽始端水深和渡槽上游干渠水深，進(jìn)而確定渡槽高度。

2　渡槽水頭損失計(jì)算

渡槽水頭損失由3部分組成，進(jìn)口段水頭損失、槽身段水頭損失和出口段水頭損失，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50288-99）附錄M.0.2計(jì)算公式計(jì)算，設(shè)計(jì)流量時(shí)渡槽總損失為0.21m，加大流量時(shí)渡槽總損失為0.24m。

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，用能量守恒方程計(jì)算渡槽水頭損失，計(jì)算斷面為渡槽上游和下游干渠斷面，計(jì)算公式與公式（4）基本一致，其中的水頭損失為沿程損失和局部損失之和，即渡槽總水頭損失。計(jì)算結(jié)果為：設(shè)計(jì)流量時(shí)渡槽總損失為0.24m，加大流量時(shí)渡槽總損失為0.26m，與上述公式計(jì)算結(jié)果基本一致。不同方法計(jì)算的渡槽水頭損失均小于設(shè)計(jì)中渠系分配給渡槽體系的水頭損失 （0.3m），滿足工程設(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)語(yǔ)

渡槽的水流流態(tài)一般為恒定非均勻緩流漸變流，其水深按恒定均勻流計(jì)算是不恰當(dāng)?shù)模龜嗝娉叽纭⒌灼隆⒉诼实纫蛩貙?duì)渡槽水深有影響外，下游渠道水位也對(duì)渡槽水深有較大影響。在渡槽水深計(jì)算中，應(yīng)先按堰流公式，根據(jù)渡槽的出流條件和下游水位，計(jì)算渡槽末端水深，再根據(jù)能量方程，從下游到上游，依次計(jì)算渡槽各位置的水深及渡槽上游干渠水深，確定渡槽水頭損失，進(jìn)而優(yōu)化渡槽斷面設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯 趙其芬）

【中圖分類號(hào)】TV134

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1009-6159（2015）-02-0049-02

收稿日期：2014-12-26

作者簡(jiǎn)介：劉勝（1993—），男，本科在讀