論述干渠縱斷面設計理論

孫江霞

(新疆昌吉方匯水電設計有限公司，新疆 昌吉 831100)

1、工程概況

1.1 工程規(guī)模及布置

團結干渠位于以畜牧業(yè)為主的旱卡子灘鄉(xiāng)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(qū)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(xiàn)狀存在的主要問題:1)現(xiàn)狀隧洞過水能力不足;2)現(xiàn)狀渡槽過水能力不足;3)現(xiàn)狀部分隧洞塌陷、斷裂、淤積現(xiàn)象嚴重;4)隧洞襯砌結構老化破損現(xiàn)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(xiàn)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(guī)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。

1.2 工程等別

團結干渠設計流量為3.50m3/s，工程規(guī)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(xiàn)草原生態(tài)平衡，促進生態(tài)良性循環(huán)，對改善草場退化現(xiàn)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(jù)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(yōu)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:

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(jù)建筑材料和實地渠線資料，兼顧現(xiàn)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(yōu)化方案，降低投資。

表1 渠道設計縱坡表

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(shù)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(jié)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(guī)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(xiàn)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(guī)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(jù)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(yōu)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(yōu)化變量的梯形或矩形渠道優(yōu)化設計模型，探討了優(yōu)化變量的取值方法，提出基于邊坡穩(wěn)定和費用最小的梯形或矩形渠道優(yōu)化設計方法。