渡槽的總體布置與水力計(jì)算

曾慶玲

(佳木斯市水務(wù)局，黑龍江佳木斯154000)

渡槽是常見的渠系輸水建筑物。主要出現(xiàn)在跨河、渠、溪谷、道路或?yàn)楸苊庹加眠^(guò)多土地的地帶。本文著重介紹渡槽的總體布置、選型與水力計(jì)算。

1 渡槽的總體布置與結(jié)構(gòu)造型

1.1 總體布置的基本原則

渡槽的總體布置，應(yīng)在全面掌握地形、地質(zhì)和水文氣象、交通情況、建筑材料、施工條件等一手資料的基礎(chǔ)上，綜合考慮各項(xiàng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、通過(guò)反復(fù)比較，最后選定最優(yōu)的方案。其基本原則是:①盡可能選擇最短的長(zhǎng)度和較好的工程地質(zhì)基礎(chǔ);②有利渡槽的選型。地域條件、建筑材料在平面布置上，渡槽的進(jìn)出口應(yīng)盡可能與渠道順直連接;③在我國(guó)南方還要考慮通航條件。

1.2 渡槽的選型

渡槽的結(jié)構(gòu)型式，直接關(guān)系到造價(jià)、施工條件、工期和運(yùn)用。其選型在保證建筑物安全經(jīng)濟(jì)的前提下，還要考慮美觀大方。

1.2.1 常采用的渡槽基本結(jié)構(gòu)型式

型式Ⅰ:渡槽槽身既是輸水結(jié)構(gòu)，又是縱向的梁式(或拉桿)承重結(jié)構(gòu)，如圖1(a)、)(b)、(c)、(d)所示。

型式Ⅱ:渡槽槽身置于拱式支承結(jié)構(gòu)(包括實(shí)腹拱和空腹拱)之上，僅起輸水、擋水作用，槽身縱向不受力，如圖1(e)、(f)、(g)。

圖1 渡槽基本結(jié)構(gòu)的型式圖

型式Ⅲ:槽身支承于排架(或直墻)之上(其作用同型式Ⅰ的槽身，但跨徑較小)，而排架(直墻)又支承于拱圈之上，此多用于較輕型的拱圈結(jié)構(gòu)上，如圖1(h)、(i)、(j)。

1.2.2 渡槽槽身的型式

槽身橫斷面有矩形、梯形、U型(半圓形上加直墻)、半橢圓形、拋物線形等見圖2、圖3。一般常采用矩形和U型斷面，梯形斷面常用于砌石槽身。

圖2 槽身橫斷面的型式圖

圖3 懸臂側(cè)墻式矩形槽

在20世紀(jì)70年代，湖南省韶山灌區(qū)大部分渡槽采用了輕型結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土梁式渡槽，下部結(jié)構(gòu)也多用鋼筋混凝土排架和板式基礎(chǔ)，對(duì)架空高度大或跨越通航河流的情況，如地質(zhì)條件允許，基礎(chǔ)工程又不特殊困難，則采用拱式渡槽。如北千渠“飛漣灌萬(wàn)頃”和南干渠“涓江飛漣”兩渡槽的跨河部分，均選用了鋼筋混凝土肋拱型式;至于附近有較豐富石料的地方，且就地取材優(yōu)先選用了當(dāng)?shù)厥辖Y(jié)構(gòu)。如南干渠“建農(nóng)石渡”為砌石的拱式渡槽。在存在嚴(yán)重凍脹的寒區(qū)對(duì)此需慎重比選［1］。在我省樺川縣悅來(lái)灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程中，選擇一個(gè)長(zhǎng)達(dá)3 688 m，跨度為10 m的矩形簡(jiǎn)支梁渡槽聯(lián)接悅來(lái)泵站和總干渠。設(shè)計(jì)流量達(dá)26.7 m3/s，成為我省之最，也為東北地區(qū)之最。

2 水力計(jì)算的任務(wù)與內(nèi)容

2.1 水力計(jì)算的任務(wù)

渡槽的水力計(jì)算除選擇適當(dāng)?shù)目v坡和斷面外，還由于渡槽縱坡一般大于渠道的縱坡，其過(guò)水?dāng)嗝嬉草^渠道為小，水流自上游渠道經(jīng)過(guò)渡槽到下游渠道，水深和流速都將發(fā)生變化。進(jìn)口因水流收縮，形成進(jìn)口段水面降落;出口則由于水流擴(kuò)散并有部分水流動(dòng)能變?yōu)閯?shì)能，而形成水面回升。因此，在水力計(jì)算中還應(yīng)進(jìn)行水頭損失及水面銜接計(jì)算，并調(diào)整渡槽進(jìn)出口高程，確定進(jìn)出口漸變段長(zhǎng)度，使在通過(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)，渠道和渡槽中基本上按設(shè)計(jì)水位保持均勻流態(tài)，而將進(jìn)出口收縮和擴(kuò)散的非均勻流控制在漸變段范圍內(nèi)。

渡槽水力計(jì)算的任務(wù)是:①確定合理的比降;②確定槽身斷面尺寸;③通過(guò)水頭損失及水面銜接的計(jì)算，確定渡槽進(jìn)出口高程與連接形式。

2.2 某工程水力計(jì)算實(shí)例

槽身過(guò)水?dāng)嗝姘凑彰髑鶆蛄鞴接?jì)算，水頭損失及水面銜接計(jì)算則包括進(jìn)口水面降落Δz1、槽身段水面降落Δz2及出口水面回升Δz3這3個(gè)部分，見圖4。

圖4 槽身過(guò)水?dāng)嗝嫫矫鎴D

1)進(jìn)口水面降落計(jì)算公式:

式中:ξ為水頭損失系數(shù)，見表1;v1、v2分別代表上游渠道及渡槽的平均流速。

表1 不同漸變段水頭損失系數(shù)一覽表

2)槽身段水面降落計(jì)算公式:

3)出口水面回升:渡槽出口水面回升值Δz2與進(jìn)口的水面降落值Δz1有關(guān)，由表2得，此表適用于渠道流速和槽內(nèi)流速之比v1/v2為1/5～1/4。

表2 出口斷面回升值對(duì)應(yīng)值

4)總水面降落計(jì)算公式:

上述各值求得后，即可確定渡槽的進(jìn)出口高程。渡槽槽身進(jìn)、出口底板高程22、23及出口渠底高程24，分別按下式計(jì)算:

式中:21為進(jìn)口渠底高程，由推求的渠道水面線得出。

進(jìn)出口漸變段長(zhǎng)度，一般按控制漸變段平面擴(kuò)散角度為1∶3～1∶4或取漸變段長(zhǎng)度為渠道水深的4～6倍確定，出口段應(yīng)較進(jìn)口段略長(zhǎng)。也可按下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

式中:L為漸變段長(zhǎng)度;B1、B2分別為漸變段上下游水面寬;K為系數(shù)，進(jìn)口取1.5～2.0，出口取2.5～3.0。

以上計(jì)算對(duì)于較短的渡槽并不適用，即當(dāng)槽身長(zhǎng)度小于(10～12)H時(shí)(H為上游渠道水位與渡槽進(jìn)口底板高程之差，初算時(shí)可近似取為上游渠道水深)，應(yīng)將渡槽視為一寬頂堰，按淹沒堰流進(jìn)行過(guò)流斷面和水頭損失計(jì)算。

以上水力計(jì)算僅供參考，具體工程設(shè)計(jì)中，請(qǐng)參考《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》［2］。

［1］湖南省革命委員會(huì)水利電力局.韶山灌區(qū)第二分冊(cè):設(shè)計(jì)與施工［R］.北京:水利電力出版社，1976.

［2］華東水利學(xué)院.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)(第八卷)［R］.北京:水利電力出版社，1984.