灌區(qū)工程渠系水力學及水面線研究*

袁素勤，雷明慧，郭 猛，李增永

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都611231；2.四川省水利水電勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072；3.重慶澤景霖勘測設計有限公司，重慶401120）

根據(jù)灌區(qū)規(guī)模和灌區(qū)高程控制要求，確定武都引水工程二期灌區(qū)西梓干渠按九個流量段設計，各流量段具體流量數(shù)值見表1。

表1 流量分段表

1 渠道線路布置

根據(jù)灌區(qū)地形地貌，對干渠、分干渠及支渠、分支渠選線原則進行了如下規(guī)定：

（1）渠線設計要經(jīng)濟合理，運行管理方便，安全可靠。

（2）最大程度保證渠道有較好的灌溉性，即在高程上能使大多數(shù)灌面盡可能自流灌溉，在平面上盡可能接近灌區(qū)，并便于上下級渠道的銜接。

（3）在布置渠道時依據(jù)自然和地形條件使線路盡可能順直，布置傍山渠線應同時考慮工程經(jīng)濟性和可靠性，盡可能減少高邊坡開挖與高填方。

（4）在布置渡槽、隧洞、倒虹管等建筑物時，應充分論證其設置必要性，根據(jù)工程布置、水頭要求、工程占地、環(huán)境影響、施工難度及工程投資等因素綜合分析選取。

（5）在渠線沿程充分結(jié)合已建和規(guī)劃的囤蓄水庫進行渠線布置，做到統(tǒng)籌兼顧。

（6）渠系工程布置還要全面考慮防洪和交叉工程布置，盡可能設置沿渠便民設施以及工程其他綜合應用設施[1]。

最終確定西梓干渠全渠總長108.131km，渠首設計流量28.5m3/s，共由66座隧洞（長58.884km），18座渡槽（長6.327km），5座倒虹管（長3.277km）及其間的明渠（長39.643km）組成。

2 確定渠道線路比降

根據(jù)西梓灌區(qū)灌面的特點，西梓干渠布置應盡量減小渠道的水頭損失，以保證下游渠道的灌溉要求。為了滿足灌區(qū)大多數(shù)灌面自流灌溉的要求，占渠線長度較大比例的明渠施工造價低，宜選取較緩的比降，而渠系建筑物單位投資高于明渠，故選取較陡的比降，以降低工程投資。對于渡槽，單位長度投資最大，考慮減輕槽身重量和便于施工，比降應取為最大；干渠上隧洞較多，所占長度比例最大，比降緩于渡槽以節(jié)省水頭；在深挖方矩形明渠段底坡與隧洞一致的底坡便于結(jié)構(gòu)銜接；各個倒虹管各自具有的沿程、局部等水頭損失與渠系縱坡無關(guān)，須計算匯總后，加入渠系水力計算和縱斷面設計。經(jīng)水力計算選定渠道及渠系建筑物的比降見表2所示。

3 水力學斷面計算

表2 西梓干渠渠系建筑物比降

明渠、隧洞、渡槽的過水能力按明渠均勻流公式計算。

3.1 過水斷面設計

根據(jù)水能專業(yè)提供的渠道流量規(guī)模及渠道分段情況按明渠均勻流計算公式計算確定渠道中明渠、渡槽、隧洞所需的過水斷面。

式中：Q為流量（m3/s）；ω為過流面積（m2）；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑（m）；i為渠道比降[2]。

根據(jù)現(xiàn)行施工工藝水準以及參照類似工程經(jīng)驗，確定明渠糙率采用0.015，隧洞、渡槽糙率采用0.014。

水力半徑R=ω/χ，其中χ為濕周。

將謝才系數(shù)C和水力半徑R代入轉(zhuǎn)換即得過水斷面的流量公式如下：

3.2 渠頂超高/隧洞凈空/渡槽超高

根據(jù)《灌溉與排水工程設計》（GB50288-99）規(guī)范[3]，明渠渠頂超高按下式計算：

式中：Fb為明渠超高（m）；hb為渠道通過加大流量時的水深（m）。

隧洞凈空根據(jù)《灌溉與排水工程設計》（GB50288-99）確定，在恒定流條件下，需滿足襯砌隧洞洞內(nèi)水面線以上的空間不低于隧洞橫斷面面積的15%，且凈空高度不低于0.4m。

干渠除2座渡槽設計為矩形斷面型式外，其余16座渡槽槽身均為“U”型薄殼斷面型式。根據(jù)《灌溉與排水工程設計規(guī)范》（GB50288-99）的要求，渡槽槽身高度按槽身通過設計流量時加上槽身直徑的1/10確定，并且滿足通過加大流量時水面以上的超高距U型槽拉桿底面不小于5～10cm。

4 水面線計算

本干渠按均勻流公式計算設計流量水面線，進而確定沿程渠道、隧洞、渡槽的底高程，并以此渠底高程進行加大流量的非均勻流的水面線計算。

4.1 均勻流水面線計算

（1）沿程水頭損失：包括明渠、建筑物等產(chǎn)生的比降損失。

（2）彎道水頭損失按下式計算[4]：

式中：ξ為彎道水頭損失系數(shù)；R為水力半徑（m）；b為渠道水面寬度（m）；r為渠道軸線彎曲半徑（m）；l為渠彎長度（m）；C為謝才系數(shù)。

（3）渠系建筑物進出口漸變段水頭損失[5]

式中：V為建筑物斷面平均流速（m/s）；V1為建筑物上游渠道斷面平均流速（m/s）；V2為建筑物下游渠道斷面平均流速（m/s）；ξ1為漸變段進口局部損失系數(shù)，直線扭曲面取為0.15；ξ2為漸變段出口局部損失系數(shù)，直線扭曲面取為0.4。

（4）預留水頭損失

基于后期施工中渠道斷面和渠線可能有所調(diào)整的工程經(jīng)驗，加上渠線中的分水閘、放水洞及檢修梯步等都沒有考慮水頭損失，故設計時在明渠段上每1km預留2cm水頭，不參與水力計算，直接加入計算結(jié)果中，作為設計調(diào)整備用。

（5）過閘水頭損失

干渠在節(jié)制閘處需要有水頭差才能過流，因此本次計算在節(jié)制閘處均考慮15cm水頭損失。

4.2 加大流量水面線計算

根據(jù)均勻流確定的底板高程，對全渠加大流量進行非均勻流的計算，以確定渠道的超高。計算方法采用分段求和法，其計算公式為[6]：

式中：L為前后斷面的間距；i為渠道的底坡；Jˉ為前后端渠道的平均水力坡度；h1、V1為計算上斷面水深及流速；h2、V2為計算下斷面水深及流速。

5 結(jié)論

在總干渠施工建成后，其總干渠末端西梓分水閘閘后水位為555.85m，即采用555.85m作為西梓干渠起點設計水位。經(jīng)計算得出的干渠沿程渠道、隧洞、渡槽底高程如表3所示。

表3 西梓干渠水面線推求表