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        灌區(qū)工程渠系水力學(xué)及水面線研究*

        2021-06-07 06:20:40袁素勤雷明慧李增永
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年14期

        袁素勤,雷明慧,郭 猛,李增永

        (1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 成都611231;2.四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都610072;3.重慶澤景霖勘測設(shè)計(jì)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(gè)流量段設(shè)計(jì),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(duì)干渠、分干渠及支渠、分支渠選線原則進(jìn)行了如下規(guī)定:

        (1)渠線設(shè)計(jì)要經(jīng)濟(jì)合理,運(yùn)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(jí)渠道的銜接。

        (3)在布置渠道時(shí)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(yīng)同時(shí)考慮工程經(jīng)濟(jì)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(shí),應(yīng)充分論證其設(shè)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(jìn)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(shè)置沿渠便民設(shè)施以及工程其他綜合應(yīng)用設(shè)施[1]。

        最終確定西梓干渠全渠總長108.131km,渠首設(shè)計(jì)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(diǎn),西梓干渠布置應(yīng)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(jià)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(duì)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(yīng)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(gè)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(jì)算匯總后,加入渠系水力計(jì)算和縱斷面設(shè)計(jì)。經(jīng)水力計(jì)算選定渠道及渠系建筑物的比降見表2所示。

        3 水力學(xué)斷面計(jì)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(jì)算。

        3.1 過水?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)

        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(jì)算公式計(jì)算確定渠道中明渠、渡槽、隧洞所需的過水?dāng)嗝妗?/p>

        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(zhǔn)以及參照類似工程經(jīng)驗(yàn),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?dāng)嗝娴牧髁抗饺缦拢?/p>

        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(shè)計(jì)》(GB50288-99)規(guī)范[3],明渠渠頂超高按下式計(jì)算:

        式中:Fb為明渠超高(m);hb為渠道通過加大流量時(shí)的水深(m)。

        隧洞凈空根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)》(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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288-99)的要求,渡槽槽身高度按槽身通過設(shè)計(jì)流量時(shí)加上槽身直徑的1/10確定,并且滿足通過加大流量時(shí)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(jì)算

        本干渠按均勻流公式計(jì)算設(shè)計(jì)流量水面線,進(jìn)而確定沿程渠道、隧洞、渡槽的底高程,并以此渠底高程進(jìn)行加大流量的非均勻流的水面線計(jì)算。

        4.1 均勻流水面線計(jì)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(yù)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(yàn),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(shè)計(jì)時(shí)在明渠段上每1km預(yù)留2cm水頭,不參與水力計(jì)算,直接加入計(jì)算結(jié)果中,作為設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算

        根據(jù)均勻流確定的底板高程,對(duì)全渠加大流量進(jìn)行非均勻流的計(jì)算,以確定渠道的超高。計(jì)算方法采用分段求和法,其計(jì)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(jì)算上斷面水深及流速;h2、V2為計(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)水位。經(jīng)計(jì)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

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