趙文龍，關 鑫

(1.雞西市水利勘測設計所，黑龍江雞西158100;2.五常市水務局營城子灌溉站，黑龍江五常150228)

1 渠道涵洞水力計算應滿足的條件

渠涵屬無壓緩坡長洞Ⅱ型，過流能力只受均勻流條件控制。渠涵水力設計應滿足以下條件:除涵洞進口至出口漸變范圍外，不應該改變渠道原有的緩流、均勻流態(tài);同時出口水位還應滿足規(guī)劃提出的水位條件。無壓渠函的水流現(xiàn)象與渡槽相同，故也可按渡槽長短判別與計算的方法進行長短洞判別和計算:當渠涵長度L＜(5～12)H時，屬于短洞，可按淹沒寬頂堰流計算過流能力，這時過涵水頭損失為進口局部損失;當渠涵長度L＞(15～20)H時屬于長洞。

2 渠道長涵洞的水力計算方法

渠涵縱坡i對過流能力和洞中流速的影響是主要的，而洞身斷面型式、洞身摩阻對過流能力和洞中流速的影響則較小。在渠涵長洞的水力設計中，由于對底坡i及孔尺寸、洞中正常水深h0的求解方法、程度不同，而分為以下兩種設計計算方法。

2.1 選擇涵洞縱坡i擬定孔徑尺寸，然后計算正常水深h0、水頭損失和進出口高程

2.1.1 選定涵洞底坡i，孔徑尺寸、選定i的主要根據(jù)

為渠系規(guī)劃中關于渠道縱坡斷面設計的要求及允許的水頭損失等因素，一般采用1/500～1/1 500;也可以進出口渠底高程差減去允許水頭損失值(0.1～0.15 m)，再除以渠涵總長度，作底坡i的初擬值。

2.1.2 涵洞設計流量Q的計算

計算洞中通過設計流量Q時均勻流水深h0，流量按均勻流公式計算為:

若該流量與設計流量相同或若大，則繼續(xù)進行下一步運算;否則，應修改洞身斷面尺寸(必要時也可以修改底坡)。

2.1.3 檢查洞中余幅和流速

由于渠道中水流流速較小、水位變化較小，渠涵預留余幅可較渠(路)下無壓排涵為小。余幅值建議按下列經(jīng)驗公式計算:

式中:△h、h分別為余幅和涵洞中水深，均以m計。

當余幅和流速不滿足要求時，應重新擬定洞身斷面尺寸進行上列計算。

2.1.4 進行水面銜接計算

1)進口段水面跌落值Z1計算公式為:

4)總水面跌落值計算公式為:

式中:v1、v2、v3分別為上游渠道、洞內和下游渠道中的流速;ζ分別為進、出口段的局部水頭損失系數(shù)。

當總水面跌落值不滿足允許損失值時，應調整底坡和孔徑尺寸，重新計算。

2.1.5 涵洞進出口高程和下游水面高程計算

1)洞進口底高程較渠首底高程升高值計算公式為:

2)洞進口高程計算公式為:

3)洞出口高程計算公式為:

4)出口渠底高程較洞出口底高程降低值計算公式為:

5)下游渠道底高程計算公式為:

6)下游水面高程計算公式為:

式中:H、h0、h1分別為上下游渠首和洞中的正常水深。

2)洞身段水面降落值Z2計算公式為:

3)出口水面回升值Z3計算公式為:

圖1 長涵洞水力計算符合代表物理量

計算中若y1、y2為負值，說明涵洞底坡過緩，應予調整。

2.2 選定正常水深h、擬定孔徑尺寸，然后計算縱坡、水頭損失和進出口高程

1)依進口型式、估計的進口段水面跌落值z1(≈0.05～0.3 m)和涵洞上游渠道正常水深H值，選定洞中正常水深h。

2)擬定或計算孔徑尺寸。擇定余幅△h和h0后，洞高α及巨形斷面洞寬b都可以求出。

播種至出苗前一般不澆水，子葉展平，根系沒有露出育苗營養(yǎng)塊前，控制育苗營養(yǎng)塊表面見干見濕，根系露出育苗營養(yǎng)塊表面時，要保證育苗營養(yǎng)塊表面濕潤狀態(tài)，防止根系受到損傷。育苗期間應根據(jù)育苗營養(yǎng)塊體和幼苗葉片的缺水情況，適時補足水分，避免缺水燒苗，澆水從塊間隙注入，注水要在晴天上午進行，隨著溫度回升，甜瓜秧苗的生長，注水量可逐漸增加，定植前1～2天停止供水，進行幼苗鍛煉。

3)計算與h相應的過水斷面水力要素ω、χ、R、C，并依明渠均勻流公式(1)計算，確定渠涵縱坡i。

4)進行水面銜接和進出口高程計算。

本算法的主要優(yōu)點是可以保證上下游渠道及洞中水流均為均勻流，涵洞上下游均無長距離的降水、雍水。

3 計算示例

根據(jù)灌區(qū)規(guī)劃設計要求，某干渠上有一輸水渠涵，洞長382 m，允許總水頭損失為0.65 m;規(guī)劃設計中也選定為單孔鋼筋混凝土箱涵，進出口均為八字形翼墻，涵洞上下游渠道斷面相同，底寬b=3.5 m，底坡i=1/4 000，邊坡系數(shù)m= 1.5;進口渠道底高程?1=123.67 m。渠道設計流量 Q= 9.5 m3/s，洞前水深H=2.02 m，流速υ=0.72 m/s，加大流量Q=11.3 m3/s，相應水深H=2.2 m，流速υ=0.76 m/s。用兩種不同方法設計涵洞孔徑尺寸，底坡和進出口高程。

3.1 按預先選定底坡的方法作涵洞設計

解:

3.1.1 設計流量選擇

以加大流量作為渠涵的設計流量。

3.1.2 洞長判別

L/H=382/2.2≈174屬長洞。

由于洞出口損失之和約為z1－z3≈0.1～0.2 m在限定允許總損失水頭0.65 m的條件下，當可有約0.4 m的沿程損失時，則i≈0.4/382≈0.01，據(jù)此可選定底坡i=1/900，設洞寬b=2.8 m。

3.1.4 流量Q計算

計算Q=11.3 m3/s時的h。

取造率n=0.014;試算得h0=1.95 m

相應流速υ=Q/bh0=11.3/2.8×1.95=2.08 m/s

3.1.5 洞高α確定

按預留余幅值確定洞高α。計算過程為:

若第(3)步運算時同時擬定洞高α，則本步計算中要檢查余幅

Δh=α－h(huán)0值是否滿足要求。

3.1.6 水面銜接計算

1)進口段水面跌落值Z1查表，八字形進口，ζ=0.2;

2)洞身水面降落值Z2的計算為:

3)出口水面回升值Z3查表，八字形出口，ζ=0.5;

4)總水頭損失值ΔZ=Z1+Z2－Z3=0.23+0.42－0.1 =0.55 m。滿足允許水位降落值的要求。

3.1.7 涵洞進出口高程計算

1)洞進口底板高程計算:

2)洞口底板高程較渠底高程的抬高值計算:

3)洞出口底板高程計算:

3.1.8 下游渠底高程較洞出口底高程降落值

3.1.9 下游渠底高程

3.2 按先選擇孔徑尺寸和正常水深h0，然后反求底坡的方法設計涵洞

1)設洞寬b=2.8 m，洞中正常水深h0=1.9 m，則α= 2.2 m;則過水斷面的水力要素分別為:

2)水面銜接與洞進出口底板高程計算:計算方法同1從略。計算成果的y1、y2為:

3)計算成果分析:方法2的主要優(yōu)點是保證y1、y2均為正值，上下游渠道和涵洞均為均勻流。

［1］ 管楓年.灌區(qū)水工建筑物叢書:涵洞［M］.北京:水利電力出版社，1989.

［2］ 熊啟鈞.取水、輸水建筑物叢書:涵洞［M］.北京:中國水利電力出版社，2006.