南水北調膠東干線局部渠段輸水能力分析

田漢功，王子春，劉 霞

（南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南250109）

南水北調東線膠東干線全長240 km，工程等別為Ⅰ等，其主要建筑物為1 級，次要建筑物為3 級。膠東干線自2013 年啟動年度調水工作以來，輸水水量、流量在逐年增加。流量計量采用渠首及大沙溜的超聲波流量計。2017 年5 月5 日至5 月20 日，渠首流量達50 m3/s，渠首和玉符河倒虹閘以外，渠道中部所有閘門已全部開啟，膠東干線浪溪河倒虹、玉帶河倒虹、田山倒虹、東風干渠倒虹、孝里河倒虹的閘前、閘后水位超出設計水位，渠首—浪溪河及田山倒虹閘—孝里近30 km 渠道實測水深在3.3～3.5 m 左右，超設計水位0.3 m 左右，渠道過流能力低于原設計工況。

1 渠道斷面設計情況

1.1 原設計斷面情況

原設計采用梯形斷面，底寬12 m 左右，設計邊坡1∶2～1∶2.25，渠深4.3 m，設計水深3 m，采用全斷面襯砌混凝土，渠道比降1/7 000～1/20 000，設計糙率0.015。

1.2 渠道實測斷面情況

1）縱向斷面對比。經實際測量，實際斷面高程與原設計存在一定變化。渠首閘—浪溪河倒虹閘段：現狀戧臺頂高程與原設計基本一致，僅局部渠段現狀比原設計低5～10 cm；渠道輸水流量50 m3/s 時，實測水位高于原設計水位6～23 cm；現狀河底高程高于設計0～10 cm。

田山倒虹閘—孝里倒虹閘段：大部分渠段現狀戧臺頂高程與原設計基本一致，僅局部渠段現狀比原設計低50 cm 左右。渠道輸水流量50 m3/s時，實測水位高于原設計水位0～30 cm；現狀河底高程平均高于設計-10～20 cm。

2）橫向斷面比較。渠首下游橫斷面處，實測渠底高程與設計渠底高程基本一致，實測戧臺頂高程與設計戧臺頂高程基本一致。渠道輸水流量50 m3/s 時，實測水位比設計水位高15 cm。

李山頭節制閘上、閘下渠底高程實測比設計值基本一致，實測戧臺頂高程與設計戧臺頂高程基本一致。渠道輸水流量50 m3/s 時，實測水位比設計水位高6 cm。詳見圖1。

安灤河倒虹閘閘上、閘下渠底高程與實測值基本一致，實測戧臺頂高程與設計戧臺頂高程基本一致。渠道輸水流量50 m3/s 時，實測水位比設計水位高13～25 cm。詳見圖2。

由圖1、圖2 可以看出：橫向斷面與原設計設計稍有變化，渠坡起伏，渠道高程與設計值基本一致，實測水位比設計水位高0～25 cm 左右。

圖1 李山頭節制閘上下游橫斷面圖

圖2 安灤河倒虹閘上下游橫斷面圖

3）渠道水位及底坡比降對比。從節制閘實測與設計上下游水位比較表可知：整個渠段沿程、局部設計水頭損失9.56 m，干渠控制節制閘局部水頭損失合計5.63 m，沿程水頭損失4.2 m；實測沿程、局部水頭損失10.22 m，閘站局部水頭損失4.83 m，沿程水頭損失5.39 m。總損失及渠道沿程損失實測值比設計值增加。對渠首閘至浪溪閘設計渠底與實測值進行對比可知：渠首至浪溪河倒虹閘下渠段渠道實測坡降比原設計變緩，原設計1/18 000，實測平均值為1/18 469，且比降出現較大起伏，總體上，坡比減小。從田山閘至孝里閘設計渠底與實測值對比表可知：原設計與實測渠道比降發生變化，且局部比降變小。

2 渠道糙率原位觀測及對比計算

2.1 采用水力學公式計算

因建筑物、橋梁或斷面參數變化渠段占渠段比重較小，渠道糙率分段計算，簡化采用明渠均勻流的曼寧公式估算。

式中：R 為水力半徑，m；J 為水力坡度；A 為過水斷面積，m2；Q 為斷面流量，m3/s。

利用實測斷面資料及實際水情，對渠道綜合槽率（包括跨渠橋梁的影響）進行分析，渠道實測綜合槽率0.012～0.025 左右，平均大于原設計采用的0.015。

2.2 采用長距離輸水渠道原型觀測推導公式計算

考慮長距離輸水渠道結構和水力特性的沿程變化，采用微分恒定漸變流方程計算求解糙率。

式中：y 為渠道水深；S0為渠道底坡；B 為水面寬度，m；Q 為渠道流量，m3/s；A 為渠道過水斷面積，m2；R 為水力半徑，m；g 重力加速度，m/s2；L為上下游測量斷面間距，m；下標“1”為渠道上游測量斷面，“2”為渠道下游測量斷面。

通過以上計算分析：采用長距離輸水渠道原型觀測推導公式與曼寧公式計算有所不同，針對大型渠道，原型觀測推導公式，對不同水位、流量、斷面，對曼寧公式進行修正，更接近于實際情況，是對水力學公式與實際結合的靈活運用。反演計算各渠段糙率0.012～0.025，平均0.019，大于原設計0.015。

3 結 論

1）通過全線測量：渠道斷面高程及局部縱向坡降發生變化：渠底高程局部下沉，比原設計低0～25 cm 左右；戧臺頂高程基本一致，局部有起伏，但變化不大；底坡比原設計變緩，且局部出現倒比降。由此可見長距離輸水渠道工程地質、水文、氣候條件非常復雜。本渠段運行10 多年，原設計參數及邊界條件發生變化。

2）根據水力學及原型推導公式計算渠道糙率，渠道現狀糙率0.012～0.025，平均0.019，大于原設計0.015。長距離輸水工程結合工程實際情況，根據實際糙率等邊界條件建立渠道水面線水力計算模型，分析當綜合糙率在一定范圍發生變化時，對水面線及過流能力影響，為長距離輸水工程聯合調度提供調度依據。