渠涵水力設(shè)計(jì)的計(jì)算方法

趙文龍，關(guān) 鑫

(1.雞西市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)所，黑龍江雞西158100;2.五常市水務(wù)局營(yíng)城子灌溉站，黑龍江五常150228)

1 渠道涵洞水力計(jì)算應(yīng)滿足的條件

渠涵屬無壓緩坡長(zhǎng)洞Ⅱ型，過流能力只受均勻流條件控制。渠涵水力設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下條件:除涵洞進(jìn)口至出口漸變范圍外，不應(yīng)該改變渠道原有的緩流、均勻流態(tài);同時(shí)出口水位還應(yīng)滿足規(guī)劃提出的水位條件。無壓渠函的水流現(xiàn)象與渡槽相同，故也可按渡槽長(zhǎng)短判別與計(jì)算的方法進(jìn)行長(zhǎng)短洞判別和計(jì)算:當(dāng)渠涵長(zhǎng)度L＜(5～12)H時(shí)，屬于短洞，可按淹沒寬頂堰流計(jì)算過流能力，這時(shí)過涵水頭損失為進(jìn)口局部損失;當(dāng)渠涵長(zhǎng)度L＞(15～20)H時(shí)屬于長(zhǎng)洞。

2 渠道長(zhǎng)涵洞的水力計(jì)算方法

渠涵縱坡i對(duì)過流能力和洞中流速的影響是主要的，而洞身斷面型式、洞身摩阻對(duì)過流能力和洞中流速的影響則較小。在渠涵長(zhǎng)洞的水力設(shè)計(jì)中，由于對(duì)底坡i及孔尺寸、洞中正常水深h0的求解方法、程度不同，而分為以下兩種設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

2.1 選擇涵洞縱坡i擬定孔徑尺寸，然后計(jì)算正常水深h0、水頭損失和進(jìn)出口高程

2.1.1 選定涵洞底坡i，孔徑尺寸、選定i的主要根據(jù)

為渠系規(guī)劃中關(guān)于渠道縱坡斷面設(shè)計(jì)的要求及允許的水頭損失等因素，一般采用1/500～1/1 500;也可以進(jìn)出口渠底高程差減去允許水頭損失值(0.1～0.15 m)，再除以渠涵總長(zhǎng)度，作底坡i的初擬值。

2.1.2 涵洞設(shè)計(jì)流量Q的計(jì)算

計(jì)算洞中通過設(shè)計(jì)流量Q時(shí)均勻流水深h0，流量按均勻流公式計(jì)算為:

若該流量與設(shè)計(jì)流量相同或若大，則繼續(xù)進(jìn)行下一步運(yùn)算;否則，應(yīng)修改洞身斷面尺寸(必要時(shí)也可以修改底坡)。

2.1.3 檢查洞中余幅和流速

由于渠道中水流流速較小、水位變化較小，渠涵預(yù)留余幅可較渠(路)下無壓排涵為小。余幅值建議按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

式中:△h、h分別為余幅和涵洞中水深，均以m計(jì)。

當(dāng)余幅和流速不滿足要求時(shí)，應(yīng)重新擬定洞身斷面尺寸進(jìn)行上列計(jì)算。

2.1.4 進(jìn)行水面銜接計(jì)算

1)進(jìn)口段水面跌落值Z1計(jì)算公式為:

4)總水面跌落值計(jì)算公式為:

式中:v1、v2、v3分別為上游渠道、洞內(nèi)和下游渠道中的流速;ζ分別為進(jìn)、出口段的局部水頭損失系數(shù)。

當(dāng)總水面跌落值不滿足允許損失值時(shí)，應(yīng)調(diào)整底坡和孔徑尺寸，重新計(jì)算。

2.1.5 涵洞進(jìn)出口高程和下游水面高程計(jì)算

1)洞進(jìn)口底高程較渠首底高程升高值計(jì)算公式為:

2)洞進(jìn)口高程計(jì)算公式為:

3)洞出口高程計(jì)算公式為:

4)出口渠底高程較洞出口底高程降低值計(jì)算公式為:

5)下游渠道底高程計(jì)算公式為:

6)下游水面高程計(jì)算公式為:

式中:H、h0、h1分別為上下游渠首和洞中的正常水深。

2)洞身段水面降落值Z2計(jì)算公式為:

3)出口水面回升值Z3計(jì)算公式為:

圖1 長(zhǎng)涵洞水力計(jì)算符合代表物理量

計(jì)算中若y1、y2為負(fù)值，說明涵洞底坡過緩，應(yīng)予調(diào)整。

2.2 選定正常水深h、擬定孔徑尺寸，然后計(jì)算縱坡、水頭損失和進(jìn)出口高程

1)依進(jìn)口型式、估計(jì)的進(jìn)口段水面跌落值z(mì)1(≈0.05～0.3 m)和涵洞上游渠道正常水深H值，選定洞中正常水深h。

2)擬定或計(jì)算孔徑尺寸。擇定余幅△h和h0后，洞高α及巨形斷面洞寬b都可以求出。

播種至出苗前一般不澆水，子葉展平，根系沒有露出育苗營(yíng)養(yǎng)塊前，控制育苗營(yíng)養(yǎng)塊表面見干見濕，根系露出育苗營(yíng)養(yǎng)塊表面時(shí)，要保證育苗營(yíng)養(yǎng)塊表面濕潤(rùn)狀態(tài)，防止根系受到損傷。育苗期間應(yīng)根據(jù)育苗營(yíng)養(yǎng)塊體和幼苗葉片的缺水情況，適時(shí)補(bǔ)足水分，避免缺水燒苗，澆水從塊間隙注入，注水要在晴天上午進(jìn)行，隨著溫度回升，甜瓜秧苗的生長(zhǎng)，注水量可逐漸增加，定植前1～2天停止供水，進(jìn)行幼苗鍛煉。

3)計(jì)算與h相應(yīng)的過水?dāng)嗝嫠σ卅?、χ、R、C，并依明渠均勻流公式(1)計(jì)算，確定渠涵縱坡i。

4)進(jìn)行水面銜接和進(jìn)出口高程計(jì)算。

本算法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以保證上下游渠道及洞中水流均為均勻流，涵洞上下游均無長(zhǎng)距離的降水、雍水。

3 計(jì)算示例

根據(jù)灌區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，某干渠上有一輸水渠涵，洞長(zhǎng)382 m，允許總水頭損失為0.65 m;規(guī)劃設(shè)計(jì)中也選定為單孔鋼筋混凝土箱涵，進(jìn)出口均為八字形翼墻，涵洞上下游渠道斷面相同，底寬b=3.5 m，底坡i=1/4 000，邊坡系數(shù)m= 1.5;進(jìn)口渠道底高程?1=123.67 m。渠道設(shè)計(jì)流量 Q= 9.5 m3/s，洞前水深H=2.02 m，流速υ=0.72 m/s，加大流量Q=11.3 m3/s，相應(yīng)水深H=2.2 m，流速υ=0.76 m/s。用兩種不同方法設(shè)計(jì)涵洞孔徑尺寸，底坡和進(jìn)出口高程。

3.1 按預(yù)先選定底坡的方法作涵洞設(shè)計(jì)

解:

3.1.1 設(shè)計(jì)流量選擇

以加大流量作為渠涵的設(shè)計(jì)流量。

3.1.2 洞長(zhǎng)判別

L/H=382/2.2≈174屬長(zhǎng)洞。

由于洞出口損失之和約為z1－z3≈0.1～0.2 m在限定允許總損失水頭0.65 m的條件下，當(dāng)可有約0.4 m的沿程損失時(shí)，則i≈0.4/382≈0.01，據(jù)此可選定底坡i=1/900，設(shè)洞寬b=2.8 m。

3.1.4 流量Q計(jì)算

計(jì)算Q=11.3 m3/s時(shí)的h。

取造率n=0.014;試算得h0=1.95 m

相應(yīng)流速υ=Q/bh0=11.3/2.8×1.95=2.08 m/s

3.1.5 洞高α確定

按預(yù)留余幅值確定洞高α。計(jì)算過程為:

若第(3)步運(yùn)算時(shí)同時(shí)擬定洞高α，則本步計(jì)算中要檢查余幅

Δh=α－h(huán)0值是否滿足要求。

3.1.6 水面銜接計(jì)算

1)進(jìn)口段水面跌落值Z1查表，八字形進(jìn)口，ζ=0.2;

2)洞身水面降落值Z2的計(jì)算為:

3)出口水面回升值Z3查表，八字形出口，ζ=0.5;

4)總水頭損失值ΔZ=Z1+Z2－Z3=0.23+0.42－0.1 =0.55 m。滿足允許水位降落值的要求。

3.1.7 涵洞進(jìn)出口高程計(jì)算

1)洞進(jìn)口底板高程計(jì)算:

2)洞口底板高程較渠底高程的抬高值計(jì)算:

3)洞出口底板高程計(jì)算:

3.1.8 下游渠底高程較洞出口底高程降落值

3.1.9 下游渠底高程

3.2 按先選擇孔徑尺寸和正常水深h0，然后反求底坡的方法設(shè)計(jì)涵洞

1)設(shè)洞寬b=2.8 m，洞中正常水深h0=1.9 m，則α= 2.2 m;則過水?dāng)嗝娴乃σ胤謩e為:

2)水面銜接與洞進(jìn)出口底板高程計(jì)算:計(jì)算方法同1從略。計(jì)算成果的y1、y2為:

3)計(jì)算成果分析:方法2的主要優(yōu)點(diǎn)是保證y1、y2均為正值，上下游渠道和涵洞均為均勻流。

［1］ 管楓年.灌區(qū)水工建筑物叢書:涵洞［M］.北京:水利電力出版社，1989.

［2］ 熊啟鈞.取水、輸水建筑物叢書:涵洞［M］.北京:中國(guó)水利電力出版社，2006.