陳居乾

(甘肅省蘭州市就業(yè)和人才服務局，蘭州　730000)

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渠道特性曲線與斷面計算及滲漏分析

陳居乾

(甘肅省蘭州市就業(yè)和人才服務局，蘭州730000)

摘要：在調水、引水及供水工程中，各類引輸水渠道通常多與隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物間斷分布，構成引輸水連接建筑物，通常可分為黃土、巖石及砂礫石與碎石土等不同渠基類型。通過實例對局部水頭損失、不淤流速和滲漏損失進行計算分析，以及通過黃土及巖石典型渠基類型渠道實例水力學計算確定水力要素，繪制設計斷面與相應水力參數(shù)特性曲線，確定水力最佳斷面范圍，選定設計實用經濟斷面，為引輸水渠道工程設計提供借鑒和參考。

關鍵詞：渠道類型；滲漏分析；水力要素；特性曲線；實用經濟斷面

1渠道及其斷面類型

在調水、引水及供水工程中，各類引輸水渠道通常多與隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物間斷分布，構成引輸水的連接建筑物。渠道地基通常有黃土渠基、巖石渠基，以及砂礫石與碎石土渠基等，按照渠基類型的不同，分別確定其斷面和襯砌形式。隨著水資源的日益緊缺，全社會節(jié)水意識的提高，各類引輸水渠道大都采用不透水材料襯砌，以大力提高引輸水水量的利用效率，提高工程效益，并確保渠道安全。

(1) 確定渠道斷面形式基本原則

渠道斷面形式確定的基本原則[1]，主要包括挖填土方與襯砌工程量及投資節(jié)??；運用穩(wěn)定、安全可靠；調水、引水及供水工程渠系總體設計控制高程；引輸水不淤和不沖；與隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物引輸水水流總能量相等，水深一致，水面平順銜接，且正坡相接，便于放空排水和維護檢修[2]；斷面形式不宜過多變化，便于施工，不應選擇復雜的多級復式斷面形式；盡量符合水力最佳斷面的條件[3]。

(2) 不同渠基類型渠道

按照不同基礎，渠道通?？煞譃辄S土、巖石及砂礫石與碎石土等不同渠基類型[4]。

1) 黃土渠基類型渠道：一般采用梯形、矩形及“U”形斷面。梯形和矩形適用于中、大輸水流量渠道；“U”形適用于小流量渠道；矩形斷面特別適用于與其所銜接的垂直直墻形式隧洞、暗渠、明洞和渡槽等輸水建筑物[5]。梯形渠道一般采用預制混凝土板(塊)或現(xiàn)澆混凝土襯砌形式；矩形渠道一般采用現(xiàn)澆混凝土重力式兩側擋墻、分離式底板結構形式襯砌，以及現(xiàn)澆鋼筋混凝土整體式結構襯砌形式；“U”形渠道采用混凝土預制構件形式。其工程設計主要考慮采取防滲、防地基濕陷及抗凍脹處理技術措施。

2) 巖石渠基類型渠道：一般采用矩形斷面，為現(xiàn)澆混凝土重力式兩側擋墻、分離式底板結構形式襯砌，以及現(xiàn)澆鋼筋混凝土整體式結構襯砌形式。

3) 砂礫石與碎石土渠基類型渠道：一般結合黃土渠基及巖石渠基類型，主要考慮地基工程地質條件綜合確定，一般有梯形、矩形及“U”形等斷面形式，其工程設計主要考慮采取防滲、防地基濕陷及抗凍脹處理技術措施。

(3) 渠道設計縱坡

渠道與各類引輸水隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物短距離連接時，其設計縱坡與所銜接不同建筑物相同[6-7]，一般為1/1 000～1/3 000；當渠道渠線較長時，設計縱坡一般按照不淤和不沖流速、引輸水水面平順銜接，以及調水、引水及供水工程渠系總體設計控制高程確定，一般為1/1 000～1/6 000。

2渠道實用經濟斷面類型及其計算選定步驟

2.1實用經濟斷面類型

引輸水渠道斷面一般均采用實用經濟斷面，其斷面形式[8]一般可劃分為以下3類：

窄深式：0.6 ≤B/h≤2.5；

寬淺式：2.5 ≤B/h≤10；

極寬淺式：10 ≤B/h≤50。

式中：B為渠底寬，m；h為渠道水深，m。

2.2實用經濟斷面主要計算選定步驟

(1) 在渠道引輸水水力糙率n、縱坡i、流量Q，以及渠坡邊坡系數(shù)m已確定的條件下，通過水力學計算并繪制B=f(h)關系曲線[9]。

(2) 在B=f(h)關系曲線上找出最佳過水斷面的范圍，即當過水斷面面積ω和濕周χ變化很小時，水深h和底寬B變化幅度卻比較大。因此，在水力最佳斷面范圍內選擇一種合適的斷面尺寸，此即為實用經濟斷面。

(3) 工程設計實踐當中，只要符合下述3個條件，可確定符合水力最佳斷面條件：

1) 當水深h變化為最佳斷面水深的60%～160%；

2) 底寬B變化范圍在40%～290%之間；

3) 過水斷面面積ω較最佳斷面面積減少2%或增加4%。

3渠道設計中需注意的關鍵問題

3.1局部水頭損失計算

引輸水渠道與隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物連接，其局部水頭損失按淹沒寬頂堰公式計算[10]：

(1)

式中：Q為引輸水流量，m3/s；ε為側收縮系數(shù)，取ε=0.95；φ為流速系數(shù)，取φ=0.95；ω為過水斷面面積，m2。

(2)

式中：Z0為包括行進流速在內的進口水頭損失，m；Z1為進口局部水頭損失，m；α為流速分布系數(shù)，α=1.0；V為平均流速，m/s；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

局部水頭損失計算以渡槽為例，引輸水流量36.0 m3/s、過水斷面面積15.03 m2、進出口銜接渠道流速1.378 m/s，則按照上式計算得Z0=0.361 m、Z1=0.264 m。

渡槽出口由于流速由大變小，動能轉化為勢能，致使水位回升Z3，采用原水電部北京勘測設計院編制的“進口水頭損失與出口水位回升關系表”(表1)查表取值。

表1　渡槽進口水頭損失與出口水位回升關系表

根據渡槽進口局部水頭損失Z0、Z1計算結果，查表1得出口水位回升Z3=0.09 m，進而求得考慮出口水位回升后的局部水頭損失Δh局=0.174 m。依據局部水頭損失計算，可確定渠道與其它引輸水建筑物隧洞、暗渠、明洞及渡槽之間的水面銜接。

3.2不淤流速驗算

當渠道引輸水流量較小、流速較低時，需要核驗是否產生淤積[11]。按引輸水流量15.0 m3/s，允許帶入渠道泥沙粒徑d≤0.15 mm要求進行驗算。

吉爾土坎公式：

(3)

扎西―崗察洛夫公式：

(4)

式中：R為水力半徑，m。

若按扎西―崗察洛夫公式計算結果，渠內流速大于不淤流速；若按吉爾土坎公式計算結果，則渠內流速基本上大于或接近不淤流速，可結合具體情況分析確定。

3.3渠道滲漏損失計算

(1) 未防滲梯形渠道滲漏量計算

按引輸水流量32.0 m3/s，中等透水土壤渠基進行未防滲渠道滲漏量計算[12]。

考斯加可夫公式：

(5)

維捷爾尼科夫公式：

(6)

式中：A、m分別為渠基相關系數(shù)，根據渠基狀況，分別取1.9、0.4;δ為每公里渠長水量損失率；β為每米渠長滲漏損失流量，m3/s；B′為水面寬，m；K為滲漏系數(shù)，m/d；根據渠基狀況，取0.040～0.231 m/d；α為邊坡夾角；K/K1值根據B/h值確定。

考斯加可夫公式計算得每公里渠長水量損失率0.475%、損失流量0.152 m3/s；維捷爾尼科夫公式計算得每公里渠長水量損失率1.706%、損失流量0.546 m3/s。因此，渠道若不采取防滲工程技術措施，其水量滲漏損失較大，不僅會降低工程效益，還會影響渠道安全運行[14]。

(2) 混凝土預制板(塊)襯砌梯形渠道滲漏量計算[15]

烏里希公式：

(7)

式中：q為單位時間滲漏量,m3/d；δ1為渠道邊坡防滲層厚度,m；δ2為渠底防滲層厚度,m。

根據原水利部西北水科所資料，混凝土預制板(塊)滲漏系數(shù)為0.000 5 m/d。當引輸水流量32.0 m3/s、h=3.58 m、B=2.5 m、δ1=δ2=0.08 m、α=33°41′，以及邊坡系數(shù)1.5時，計算得單位時間滲漏量0.207 m3/d；每公里渠長水量損失率(7.487×10-5)‰；每公里渠長損失流量2.396×10-6m3/s。

由計算可知，渠道襯砌后水量利用率可達99.8%以上，質量良好的混凝土預制板(塊)防滲漏效果優(yōu)異，其它引輸水建筑物隧洞、暗渠、明洞及渡槽一般采用混凝土襯砌，防滲漏效果更佳，水量損失甚微，可忽略不計。

4典型渠基渠道實用經濟斷面計算及斷面選定實例

4.1黃土渠基渠道

黃土渠基梯型斷面引輸水渠道[5]，預制混凝土板(塊)襯砌，以邊坡系數(shù)1.5、縱坡1/6000、引輸水流量36.0 m3/s、水力糙率0.017為計算條件。通過水力學計算確定不同渠底寬情況下的水深及流速等水力要素，其中包括水力最佳斷面計算1組，水力計算成果見表2，并據此繪制黃土渠基渠道特性曲線，見圖1。

圖1　黃土渠基渠道特性曲線圖

依據水力最佳斷面要素，由渠道特性曲線(圖1)可知，水深在2.98～3.92 m范圍內都接近水力最佳斷面，相應渠底寬2.0～6.0 m。

按照渠道斷面形式確定基本原則，根據水力最佳斷面要素，設計選定黃土渠基梯形實用經濟斷面渠底寬2.5 m、水深3.78 m，水力要素計算結果列于表3。

表2　黃土渠基渠道水力學計算成果表

表3　黃土渠基渠道實用經濟斷面水力要素表

4.2巖石渠基渠道

巖石渠基矩形斷面引輸水渠道，現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌，以縱坡1/4000、引輸水流量35.0 m3/s、水力糙率0.017為計算條件。通過水力學計算確定不同渠底寬情況下的水深及流速等水力要素，其中包括水力最佳斷面計算1組，水力計算成果見表4，并據此繪制巖石渠基渠道特性曲線，見圖2。

依據水力最佳斷面要素，由渠道特性曲線(圖2)可知，水深在3.04～4.30 m范圍內都接近水力最佳斷面，相應渠道底寬6.0～8.5 m。同樣道理，設計選定巖石渠基矩形實用經濟斷面渠底寬6.9 m、水深3.7 m，水力要素計算結果列于表5。

圖2　巖石渠基渠道特性曲線圖

底寬B/m水深h/m過水面積ω/m2濕周χ/m水力半徑R/m流速V/(m·s-1)超高Δh/m渠深H/m渠口寬B1/m襯砌周長X/m渠槽挖方W/m3渠槽以上挖方W上/m3流量Q/(m3·s-1)備注4.07.0728.1218.061.5551.2470.67.634.0019.2530.527.235 4.56.0227.1016.541.6361.2900.66.624.5017.7229.831.335 6.04.3025.8014.601.7701.3550.64.906.0015.8029.445.035 7.03.6625.6014.321.7871.3610.64.267.0015.5129.855.535 7.153.5825.6014.311.7871.3670.64.187.1515.5129.957.335水力最佳斷面8.03.2225.7514.441.7801.3600.63.828.0015.6430.667.235 10.02.6326.3015.261.7201.3300.63.2310.0016.4632.393.835

表5　巖石渠基渠道實用經濟斷面水力要素表

5結語

在調水、引水及供水工程中，各類引輸水渠道通常多與隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物間斷分布，構成引輸水的連接建筑物，通?？蓜澐譃辄S土、巖石及砂礫石與碎石土等不同渠基類型。渠道斷面形式一般劃分為窄深式、寬淺式與極寬淺式3類，通過水力學計算并繪制水深與底寬等關系曲線，找出最佳過水斷面范圍并選擇實用經濟斷面。工程設計實踐中，依據水深變化占最佳斷面水深百分比、底寬變化幅度，以及過水斷面面積較最佳斷面面積增減幅度等，確定是否符合水力最佳斷面條件。

對局部水頭損失、不淤流速，以及水量滲漏損失率和損失流量等渠道設計中需注意的關鍵問題，進行了針對性舉例計算分析。通過黃土及巖石渠基兩典型類型渠道工程實例水力學計算，確定水力要素，繪制水深與底寬、水力參數(shù)、襯砌周長、挖方量之間特性曲線，確定水力最佳斷面范圍，選定設計實用經濟斷面，為引輸水渠道工程設計提供借鑒和參考。

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Canal Feature Curve and Section Calculation and Seepage Analysis

CHEN Juqian

(Lanzhou Municipal Bureau of Employment and Talent Service, Lanzhou730000，China)

Abstract:In water diversion and supply projects, the water transmission canals mostly are connected to tunnels, underground canals, open tunnels and aqueducts, etc which are discontinuously distributed and form the water transmission structure. The canals are classified in loess soil, rock and sandy gravel & gravel soil, etc in type. Through analysis on local head loss, flow velocity without sediment and seepage loss as well as the hydraulic calculation and determination of the hydraulic factors of the canal practice in loess soil and rock, the design sections and corresponding hydraulic parameter curves are mapped respectively so that the optimum hydraulic section scope is determined, the practical and economic section is selected and designed. This provides the engineering design of water transmission canal with reference.

Key words:canal type; seepage analysis; hydraulic factor; feature curve; practical economic section

中圖分類號：TV133

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.011

作者簡介：陳居乾(1992- ),男,甘肅省會寧縣人,從事水利水電工程設計.

收稿日期：2015-06-09

文章編號：1006—2610(2016)01—0043—05

致謝：本文承蒙甘肅省水利水電勘測設計研究院副總工程師陳曉東審閱和指導，特此致謝！