李傳夫 董丹丹 何利華

我國水資源分布不平衡，隨著經濟的發(fā)展以及人口日益流動和集中，水資源分布和經濟發(fā)展不平衡的狀況日漸突出。為滿足人們的用水需求，解決生產和生活中的用水矛盾，近些年來，各地陸續(xù)興建了一系列長距離引調水工程，長距離輸水包括有壓流、無壓流及有壓和無壓相結合等3種形式。這些工程極大地緩解了用水短缺的問題，取得了良好的經濟效益和社會效益。

近年來，隨著地方用水需求逐年增加和工程運行時間的增長，復核引調水工程的過流能力并對其超設計過流能力進行研究，對了解和掌握工程的實際供水能力，并在不突破原設計準則、確保工程安全運行的前提下充分發(fā)揮工程潛能、提高輸水效益等方面具有重要的意義。

1 項目背景

南水北調中線天津干線工程西起河北省保定市徐水縣西黑山村，東至天津市外環(huán)河西，全長155.3 km，主要任務是向天津市及天津干線河北省境內部分受水區(qū)城市供水。天津干線的設計流量為50～18 m3/s，加大流量為60～28 m3/s。工程采用全箱涵無壓接有壓全自流輸水方案，有壓段全長約145 km，分段階梯狀設置8座保水堰井，堰型為實用堰，其作用是保證任何輸水工況下兩相鄰保水堰間的箱涵均為有壓流輸水狀態(tài)。工程縱斷面示意圖如圖1所示。

圖1 天津干線輸水工程縱斷面示意圖

南水北調中線一期工程天津干線于2014年末進入初期通水運行階段，截止至2019年末，已通水運行近5年，累計向沿線地區(qū)供應水量已超過45億m3。供水運行過程中，區(qū)域的不均勻沉降、建筑物的侵蝕淤積以及水生生物的滋生等因素均會使得箱涵過水斷面的性態(tài)發(fā)生改變，導致其糙率、局部損失系數等發(fā)生變化，從而對箱涵過流能力產生影響。

另外，天津干線穿過我國的“千年大計”雄安新區(qū)，因天津干線建設早于雄安新區(qū)的規(guī)劃，當時并未考慮新區(qū)的用水需求，在國家提出建設雄安新區(qū)后，為雄安新區(qū)供水，滿足新區(qū)建設順利進行的用水需求，在距離雄安新區(qū)較近的4#堰附近為新區(qū)分水，成了天津干線一個潛在的工程任務。且天津干線受水區(qū)對水量的需求逐年增加，在水源地豐水期，有通過有壓箱涵向受水區(qū)進行超設計能力輸水的訴求。因此，有必要對其有壓箱涵的過流能力進行復核，并研究其超設計過流的可能性和超設計過流的能力。

2 研究思路

根據恒定流能量方程（見式（1））可知，在過流斷面尺寸、來流情況和上下游水位差已知的情況下，有壓箱涵過流能力與沿程水頭損失和局部水頭損失相關。過流時的能量損失越小，過流能力越強；反之，過流時的能量損失越大，則過流能力越差。沿程水頭損失和局部水頭損失的影響因素分別為過水斷面的糙率n和過水結構各處的局部損失系數ζ，見式（2）～（5）。因此，通過測量實際供水流量下的各處水位變化，可以計算出糙率n和局部損失系數ζ，進而可計算天津干線的輸水壓力水頭線，由此可得出天津干線的最大供水能力。

恒定流能量方程：

式中H1、H2兩個斷面處的水位；

v1、v2——流經兩個斷面時的流速；

hf、hj——流經兩個斷面途中的沿程水頭損失和局部水頭損失；

g——重力加速度。

達西—魏斯巴赫公式：

式中λ——沿程水頭損失系數；

L——水流經的距離；

R——水力學半徑。

式中C——謝才系數；

謝才系數的經驗公式曼寧（R.Manning）公式：

式中n——流道的糙率。

式中ζ——水流的局部損失系數。

根據以上理論，本文在對天津干線沿線實測水位數據進行計算和分析的基礎上，復核有壓箱涵的過流能力并對超設計能力供水的可能性進行研究。研究思路如下：

（1）通過實測典型流量下的沿線水面線數據，研究輸水箱涵當前的實際糙率。

（2）如果實際糙率小于設計糙率，則按實際糙率和各保水堰的過流能力推算輸水壓力水頭線，計算整個輸水箱涵的最大過流能力。

（3）如果實際糙率大于等于設計糙率，則不能進行超設計能力輸水，并給出按本工程內水壓力設計標準下當前供水能力的下降值。

3 有壓箱涵的糙率研究

如圖1所示，天津干線有壓輸水箱涵存在保水堰的阻隔，由于保水堰流態(tài)復雜，且保水堰過流的水頭損失以局部損失為主，糙率的變化主要對輸水的沿程水頭損失產生影響，因此，為避開保水堰的干擾，選擇兩保水堰間的箱涵段為研究對象。按照保水堰分布，把天津干線箱涵分割成8個區(qū)段，在各分段的起止位置安裝水位計，通過水位同步測量技術測得各段起止位置處的實時水位差，根據式（2）～（5）即可計算得各段內的箱涵糙率（各分段內的局部水頭損失根據《水力計算手冊》中的規(guī)定和類似工程經驗，按其占該段內沿程水頭損失的5%～10%考慮）。通過測量和計算后所得的糙率結果見表1。

表1 各計算區(qū)段的糙率n

取計算所得各區(qū)段糙率的最大值0.012 9為當前箱涵段的實際過水糙率，以此作為天津干線有壓箱涵的糙率，才能保證用于供水能力或供水水頭計算，其結果是合理且偏于安全的。天津干線有壓箱涵輸水段設計采用糙率為n0=0.013 5，其實際運行糙率小于設計糙率，故認為箱涵內表面實際狀態(tài)比設計狀態(tài)“光滑”，具有一定的“超設計過流”能力，有壓箱涵段具有進一步提高其供水能力的可能性。

4 “超設計能力”供水研究

天津干線設計最大供水流量為60 m3/s，設計采用糙率為n0=0.013 5，在設計最大供水能力Q=60 m3/s時，沿線各處的設計壓力水頭線已知。對于某一供水工況，由實測糙率n可計算各保水堰段之間總水頭損失，采用傳統堰流的水力學公式（見式（6）），可計算過保水堰時的水位變化，兩者結合即可推算出天津干線沿程各處的水面線。

傳統水力學公式中實用堰堰流公式：

式中σ——過堰流的淹沒系數，可由《水力計算手冊》查得；

ε——過堰流的側收縮系數，天津干線各堰無側收縮，取ε=1；

M——過堰流的流量系數；

B——堰寬；

H0——堰上水頭；

Q——過堰流量。

由此，采用當前選取的實際糙率n=0.012 9，結合式（6），在不改變設計安全超高設置原則的前提下，計算當沿線壓力水頭線與已知的設計最大供水能力Q=60 m3/s時的壓力水頭線重合一致時的實際供水流量，即可得到天津干線有壓箱涵的超設計過流能力。

已知供水流量為60 m3/s時，4＃保水堰上游側的設計水位為18.038 m，若以此高程為起算點，往上游推算，水位推算結果見表2。

表2 水位推算結果表（3#堰下游達到設計水位時） m

由表2可知，天津干線輸水流量僅提高至62.79 m3/s，十分有限。且上述計算是從天津干線整個有壓箱涵段中間部位為比較的起點進行計算，如果把比較計算的起點后移到有壓箱涵的末端，根據以上計算可知整個箱涵的“超過流”能力將隨保水堰數量增加進一步降低。

綜上所述，經對水位實測后，計算所得的箱涵實際糙率要小于設計糙率值，且個別區(qū)段還遠小于設計糙率值，這意味著箱涵的過流能力具有較大的增加余地。但表2中的結果表明，從上游調節(jié)池到4#堰（雄安新區(qū)附近）段可增加的供水量非常小，這是由于在實測糙率小于設計糙率的前提下，箱涵段的過流能力會有所增加，但根據式（6），保水堰的過流能力僅與保水堰的布置形式和水頭有關，過堰處的沿程水頭損失在過堰總水頭損失中占比很小，因此與沿程水頭損失緊密相關的糙率對保水堰過流能力的影響也非常小。保水堰這種不受糙率影響的過流能力限制了天津干線整個有壓箱涵系統輸水能力的提高，故從當前技術來看，天津干線過流能力提高的余地非常小，對滿足雄安新區(qū)和下游受水區(qū)的用水需求不具有實際意義。

5 結 語

本文通過對天津干線沿線各區(qū)段實測水位數據進行分析計算可知，箱涵段實際糙率比設計糙率取值小，故認為箱涵內表面較“光滑”，其具有一定的“超過流”能力；而保水堰主要水力要素為以局部損失為主的過堰流，過流面的光滑度對其過流能力影響不大，相較于設計值，保水堰不具有“超過流”能力，這限制了整個箱涵過流能力的提高。