關于鴻化堰導水堰堰頂高程計算方法的優化

徐 大 海， 樊 璐 璐

(成都鴻策工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

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關于鴻化堰導水堰堰頂高程計算方法的優化

徐 大 海， 樊 璐 璐

(成都鴻策工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

鴻化堰導水堰工程已經完工并正常運行數年，通過運行資料來看，設計成果實現了預定的設計目標。在導水堰的頂高程設計中，綜合考慮了各個因素對取水能力的影響，結合導水堰過流過程對水位的抬高作用，確定了導水堰的頂高程，同時也復核了導水堰對岷江行洪能力的影響。其計算方法清晰，計算過程科學，充分利用了各種水力學計算公式，對類似的工程設計均具有較好的指導意義。

鴻化堰；導水堰；堰頂高程；行洪計算

1 工程概況

鴻化堰地處眉山市青神縣境內，位于岷江西岸。屬無壩引水工程，其取水閘位于眉山市東坡區松江鎮。鴻化堰是一座歷史悠久的古堰，始建于唐代，距今已有一千多年歷史，經過多次的復修、續建、擴建、配套、整治，鴻化堰有了今天的規模，使鴻化堰成為一座集灌溉、防洪、排澇、工業及城鎮供水為一體的多功能水利工程。目前已建成總干渠1條，長11.066 km，東、西、南干渠3條，長17.166 km，支渠42條長67.53 km，斗渠逾百公里。鴻化堰設計引水流量8.2 m3/s，設計灌面5.981 8萬畝。

近年來由于采砂等原因已經導致河床降低，特別是枯期，采砂留棄的卵礫石堆迫使主流改道，導致取水口門前基本無水經過。從測量資料看，鴻化堰取水口位于約2.5 km直線河道下游端，枯期平均河道寬度在400 m以上，灌區用水量較大的5月份流量較小，因此，在沒有工程措施的條件下取水閘基本無水可取；加之灌區渠系絕大部分沒有襯砌，淤積嚴重，干渠縱坡大多小于1/10 000，甚至為逆坡，造成渠道過流流量無法得到滿足，取水困難的問題日益突出，迫切需要在進水閘前新建攔河導水堰工程。

經過設計分析比較，擬在鴻化堰取水口下游約25m處新建全長442.00 m的導水堰，堰兩端與岷江堤防相接，軸線基本垂直岷江兩岸。導水堰的設計重點是滿足小流量情況下鴻化堰的取水效果，同時不影響岷江的行洪安全。

圖1 鴻化堰取水示意圖

2 閘前水位計算

由于進水節制閘的過水能力受下游淹沒程度影響較大，即在閘前水位一定的條件下，下游渠道水位的高低，決定了取水閘流量的大小。當渠道用水量較大時，渠道流態接近于均勻流，此時閘門前后水位差最大，進閘流量也趨近于最大，當渠道用水量較小時，渠道為緩流，流速較小，流量也較小。所以采用以下步驟計算所需取水閘取8.2 m3/s時閘前水位：

(1)計算下游渠道為明渠均勻流時，渠道過流量為8.2 m3/s對應的下游水深及下游水位。

(2)計算進閘流量為8.2 m3/s時的閘上下游水位差，從而推得閘門上游水位即所需的取水口閘前水位。

①明渠均勻流計算

計算公式為：

式中 Q為流量，8.2m3/s；b為渠底寬，m；h為水深，m；m為渠道邊坡，1.00；i為渠底坡降；n為糙率。

由于鴻化堰引水渠道長年未進行清淤疏浚，河道過流能力較差，且缺少渠道運行資料，故此處計算根據業主提供數據進行，其中渠底寬度取渠道平均寬度8.0m，渠底坡降取取水閘至防洪閘之間4.619km的平均坡降，約為0.000 8(見表1)，渠道糙率取為0.030。

經試算，當下游水深為2.08m時，渠道明渠均勻流流量為8.2m3/s，此時閘下游水位為396.77m。

表1 鴻化堰干渠主要控制段坡降

②閘前水位計算

計算方法一：

按閘孔過流計算閘孔的過流能力，計算當閘孔過流為8.2 m3/s時，閘門前后水位差，閘孔過流計算公式為：

經計算，當閘上下游水位差為0.002m時，閘孔過流流量恰為8.2m3/s，故可得出需要的閘前水位約為396.77m。

計算方法二：

由于下游水位較高，當閘門取水8.2m3/s時閘門的過流能力實際上由下游過流能力控制，按閘門過流的水頭損失計算水流通過閘門損失的水頭，即為閘門前后水位差，由于閘室長度較短，不計沿程水頭損失，只計算局部水頭損失，局部水頭損失計算公式為：

式中 hj為局部水頭損失，m；ζ為局部水頭損失系數，進口處取0.15，門槽處取0.10；v為閘門處的水流流速，約為0.50m/s

經計算，水流經過閘門處的水頭損失為0.003 m，故也可得出閘前水位約為396.77 m。

3 堰頂高程確定

對已有資料5月每日流量排頻，得到供水保證率為P=85%的流量為95.5 m3/s，因此設計要求轉化為在岷江來流量95.5 m3/s時，滿足鴻化堰取水閘門閘前水位為396.77 m，此時鴻化堰取水流量8.20 m3/s，導水堰過流量為87.3 m3/s。由于導水堰僅在取水口下游約25 m處，故不計此段的水力坡降，認為導水堰上游水位與鴻化堰取水口水位相同，故當堰上游水位為396.77 m，導水堰溢流流量應為87.3 m3/s。經分析，初擬導水堰堰頂寬度為1.5 m，在此流量時導水堰應按寬頂堰流計算其過流能力。

計算公式為：

式中 Q為流量，87.3m3/s；σs為淹沒系數，取1.0；σc為側收縮系數，取1.0；m為堰的流量系數，小流量時堰上水頭較小，取0.36；b為導水堰長度，本設計堰前水位396.77m，僅中間段和沖沙口溢流；g為重力加速度；H0為包括行進流速的堰前水頭，設計時堰前行進流速為0；

經試算，當堰頂高程為396.54m時，恰好滿足要求，導水堰過流總量為87.3m3/s，故最終確定堰頂高程為396.55m。

4 導水堰行洪計算

導水堰在設計洪水11 565m3/s時，堰上水頭較大，此時按堰流計算導水堰的過流能力已不合理，為驗證導水堰對岷江設計洪水過流的影響，按潛壩過流來進行驗算其對水位的抬高作用[2]。

計算公式為：

Δz=H-(ht-h1)

式中：Δz為壅水高度，m；H為潛壩堰頂水頭，m；ht為下游水深，m；h1為潛壩高度，m；Q為過堰流量，取11 565m3/s；B為導水堰長度，m；m為流量系數，通過表格查得；v0為堰前行進流速，近似取為2.5m/s；

通過試算，本工程按潛壩計算流量系數為0.28，對應的雍高水位為0.45m，由于鴻化堰取水口河段岷江堤防的防洪標準20年一遇洪水，其對應安全超高值為0.6m(不允許越浪)，因此導水堰對已建岷江堤防安全不構成影響。

5 結 語

目前鴻化堰導水堰工程已經完工并正常運行數年，通過運行資料來看，設計成果實現了預定的設計目標。在導水堰的頂高程設計中，綜合考慮了各個因素對取水能力的影響，結合導水堰過流過程對水位的抬高作用，確定了導水堰的頂高程，同時也復核了導水堰對岷江行洪能力的影響。其計算方法清晰，計算過程科學，充分利用了各種水力學計算公式，對類似的工程設計均具有較好的指導意義。

[1] 華東水利學院主編.水工設計手冊第六卷. 北京：水利電力出版社，1982

[2] 李煒主編. 水力計算手冊. 北京：中國水利水電出版社，2006

(責任編輯：卓政昌)

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2017-06-05

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1001-2184(2017)03-0127-03

徐大海(1988-)，男，四川遂寧人，畢業于武漢大學水利水電工程專業，成都鴻策工程咨詢有限公司從事水利水電設計工作；

樊璐璐(1987-)，女，山西臨汾人，畢業于四川大學錦城學院土木工程專業，助理工程師，成都鴻策工程咨詢有限公司從事水利水電設計工作.