顧靖超，陸立國，王永平，朱 潔，武慧芳

(寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021)

0 引 言

寧夏紅寺堡揚(yáng)水工程建設(shè)于1998年，是上世紀(jì)為解決脫貧致富，寧夏建設(shè)的“一號工程”重點(diǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目受益區(qū)包括吳忠市紅寺堡區(qū)、利通區(qū)、同心縣和中衛(wèi)市中寧縣，設(shè)計(jì)灌溉面積3.67 萬hm2，設(shè)計(jì)流量25 m3/s。20 a來，紅寺堡灌區(qū)灌溉規(guī)模面積不斷擴(kuò)大，已由設(shè)計(jì)的3.67 萬hm2發(fā)展到2015年的4.89 萬hm2，計(jì)劃到2020年發(fā)展到6.76 萬hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出揚(yáng)水工程現(xiàn)有的供水能力。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展、灌區(qū)的不斷開發(fā)，渠道輸水能力不足將成為灌區(qū)發(fā)展的制約因素，所以加快干渠的改造迫在眉睫，是解決水資源供需矛盾、確保灌區(qū)的良性穩(wěn)定有序發(fā)展的必經(jīng)之路[1]。

紅寺堡揚(yáng)水工程渠道沿線渡槽過流能力不足，可采用內(nèi)襯降糙、重建、并建或更換槽殼的方案，詳見表1。槽殼內(nèi)襯SCL防滲膜方案投資小、施工簡便。

表1 渡槽改造方案對比

甘肅省引大入秦工程中，渡槽內(nèi)襯SCL防滲膜具有一定的降糙增流效果，可增流15%[2]；湖北唐王渡槽已應(yīng)用超過10 a，表面上看，材料表面未出現(xiàn)表層風(fēng)化、剝蝕、脫落等老化現(xiàn)象[3,4]，但湖北和寧夏2地紫外線強(qiáng)度相差較大，在寧夏強(qiáng)紫外線照射下的老化程度如何尚不能確定。同時(shí)引黃灌區(qū)渠道水含沙量大，經(jīng)過幾年的運(yùn)行，其產(chǎn)品的糙率是否會受到影響等問題有待進(jìn)一步的研究。選取典型渡槽，開展測流和糙率測算分析，研究渡槽實(shí)際降糙增流能力，為工程更新改造提供技術(shù)依據(jù)[1]。

1 試驗(yàn)渡槽基本情況

1.1 渡槽現(xiàn)狀參數(shù)

由于紅三干渠渠道長且建筑物多，改造影響大，因此選取紅三干渠的渡槽進(jìn)行降糙增流試驗(yàn)。渡槽現(xiàn)狀參數(shù)詳見表2。

表2 渡槽現(xiàn)狀參數(shù)

1.2 測流斷面布設(shè)

為減少人為量測誤差，每座渡槽設(shè)置4個(gè)測量斷面(渡槽3個(gè)、渠道1個(gè))，4個(gè)測量斷面同時(shí)開始量測并進(jìn)行數(shù)據(jù)比對；每個(gè)測量組完成本組量測任務(wù)后帶著各自設(shè)備輪轉(zhuǎn)到下一測流段面，待所有測量組完成后再同時(shí)開展下一組量測任務(wù)。

槽殼內(nèi)選取的3個(gè)測水?dāng)嗝姹M可能距離渡槽上下游進(jìn)出口較遠(yuǎn)一些，保證測流不受渡槽上下游漸變段的影響，槽殼內(nèi)測流斷面具體位置見表3；同一渡槽內(nèi)斷面間間距基本保持一致。選擇的渠道測流斷面僅作為與渡槽測流斷面的測流數(shù)據(jù)對比校核。

表3 渡槽測流斷面位置

1.3 渡槽比降

為準(zhǔn)確判定渡槽流態(tài)，分別量測了渡槽的槽底比降和水面坡降。槽底比降的觀測期是2018年冬灌結(jié)束后，水面比降的觀測期為2018年冬灌和2019年春、夏灌。

在水力坡度測量時(shí)，由于槽殼內(nèi)水流波動幅度較大，為了使測量盡可能準(zhǔn)確，我們采取的做法是：將塔尺緩慢放至波動水面的波谷與波峰之間，固定塔尺，開始測量。

為減少測量誤差，比降觀測斷面間距為15 m，分別取同一觀測斷面的左、中、右3處的平均值作為該斷面的平均高程，利用所有斷面觀測相對高程值率定渡槽實(shí)際比降。觀測數(shù)據(jù)詳見表4。

表4 典型渡槽比降量測成果

2 渡槽糙率推算公式

利用2018年冬灌、2019年春灌和夏秋灌實(shí)測的水面比降和實(shí)測的槽底比降數(shù)據(jù)繪制了圖1和圖2，從圖中可以明顯看到，除通山溝渡槽2018年冬灌實(shí)測之外，實(shí)測渡槽水面比降均小于實(shí)測槽底比降，表現(xiàn)為典型的Ml型恒定非均勻流。

圖1 上麻黃溝渡槽槽底坡降和不同灌季水面坡降

圖2 通山溝渡槽槽底坡降和不同灌季水面坡降

曼寧公式為：

(1)

Ml型恒定非均勻流的主要特征為流量不發(fā)生變化，隨著h沿程增加，R、A以及J均發(fā)生相應(yīng)變化，糙率n不為常量，且不能判斷n的變化趨勢。

對于恒定非均勻流，糙率系數(shù)仍可采用曼寧公式去近似率定。因?yàn)榉蔷鶆蛄鞯母黜?xiàng)水力要素均沿程發(fā)生變化，式中的水力參數(shù)取算術(shù)平均值，J則由能量方程確定，為兩計(jì)算斷面的平均水力坡度。在天然河道糙率率定中，常用水面坡度代替J。對于水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度的明渠水流，水深、流速等水力參數(shù)沿垂直方向的變化較沿水平方向的變化要小得多，沿垂線的變化的這些量便可以忽略不計(jì)。

將三維流動的基本方程沿水深積分，并沿水深取平均，即得沿水深平均的二維流動的基本方程。

為了簡化計(jì)算，渠道糙率的計(jì)算公式為[5-7]：

(2)

式中：Q為流量，m3/s；y為水深，m；A為過水面積，m2；R為水力半徑，m；L為渠道長度，m；n為渠道糙率；s0為底坡；g為重力加速度；下標(biāo)“1” 表示渡槽進(jìn)口測量斷面，下標(biāo)“2”表示渡槽出口測量斷面。

測流段的長度越大，測流段的沿程水頭損失越大，糙率測算的誤差相對減小。因此在用式(2)進(jìn)行糙率測算時(shí)，y1、A1、R1等進(jìn)口斷面數(shù)據(jù)采用最上游的測流斷面數(shù)據(jù)計(jì)算，y2、A2、R2等測流段出口斷面數(shù)據(jù)采用最下游的測流斷面數(shù)據(jù)計(jì)算。流量Q則采用上、中、下游3個(gè)測流斷面的流量測量結(jié)果的平均值。

3 渡槽糙率與降糙效果分析

3.1 渡槽現(xiàn)狀混凝土糙率

利用2018年冬灌期實(shí)測的斷面水力要素，推算渡槽現(xiàn)狀糙率。具體數(shù)據(jù)詳見表5。

表5 渡槽現(xiàn)狀糙率實(shí)測統(tǒng)計(jì)

上麻黃溝渡槽實(shí)測流量為11.338～14.406 m3/s，現(xiàn)狀糙率范圍為0.012 59～0.013 90，均值為0.013 20；通山溝渡槽實(shí)測流量為4.960～6.008 m3/s，現(xiàn)狀糙率范圍為0.013 07～0.013 86，均值為0.013 36。

2012年寧夏水科院主編的地方標(biāo)準(zhǔn)《灌溉渠道襯砌工程技術(shù)規(guī)范》(DB64/T-811 2012)正式發(fā)布實(shí)施，規(guī)定了現(xiàn)澆混凝土的糙率為0.014[8]。

2014-2016年寧夏水科院開展了“寧夏灌區(qū)骨干襯砌渠道糙率原型測試驗(yàn)證與研究”，分別在引黃自流灌區(qū)的唐徠渠、西干渠、漢延渠、七星渠、漢渠、大清渠和揚(yáng)水灌區(qū)的固海三干渠、固海二干渠、鹽環(huán)八干渠、鹽環(huán)一干渠、鹽環(huán)馬一干渠，選擇圓弧坡腳梯形斷面、梯形斷面和弧底梯形斷面3種斷面形式和多種斷面襯砌結(jié)構(gòu)形式，開展了渠道現(xiàn)狀糙率測試與分析工作，研究提出現(xiàn)澆混凝土的建議糙率為0.013 5～0.014 0[9-11]。

本次試驗(yàn)結(jié)論與以往相關(guān)試驗(yàn)成果是基本一致的，實(shí)測的現(xiàn)狀混凝土糙率較規(guī)范和建議糙率值偏小約10%。

3.2 SCL防滲膜改造后渡槽糙率

根據(jù)2019年春、夏灌的實(shí)測斷面水力要素，推算渡槽現(xiàn)狀糙率。具體數(shù)據(jù)詳見表6。

表6 SCL防滲膜改造后渡槽糙率統(tǒng)計(jì)表

3.3 誤差分析

分別利用上麻黃溝渡槽、通山溝渡槽更新改造前后用過現(xiàn)場觀測率定的綜合糙率值進(jìn)行點(diǎn)誤差分析，見表7。所有測次的點(diǎn)測量誤差均小于5%，符合流速儀測流精測法的要求。

表7 典型渡槽糙率測量誤差統(tǒng)計(jì)

3.4 降糙增流效果分析

根據(jù)上麻黃溝渡槽和通山溝渡槽2018年冬灌，2019年春、夏灌期間的現(xiàn)場觀測試驗(yàn)推算的糙率值，得到SCL防滲膜降糙增流效果，詳見表8、圖3。

表8 SCL防滲膜降糙增流效果對比

圖3 渡槽工程改造前后流量～糙率關(guān)系分布

4 結(jié) 語

(1)通過在渡槽槽殼內(nèi)襯SCL防滲膜，渡槽的現(xiàn)狀糙率可降低至0.011 5～0.012 0，較原有混凝土槽殼，糙率可降低0.001 17～0.001 82，降幅為8.86%～13.62%，相對應(yīng)的增流效果為9.75%～14.99%。

(2)寧夏引黃灌區(qū)渠道水含沙量大，經(jīng)過幾年的運(yùn)行后，水中泥沙附著在SCL防滲膜表面，SCL防滲膜的糙率是否會受到影響，有待于進(jìn)一步的研究。

(3)寧夏紫外線等級高、風(fēng)沙天數(shù)多，SCL防滲膜的抗老化程度及耐久性尚不能確定，需要長期監(jiān)測。