渡槽水力計算通用方法

邱洪君

(林口縣三道通鎮(zhèn)水利站，黑龍江 林口 157600)

1 渡槽及其組成

在渠道需要跨越河渠、溪谷、洼地和道路時，往往需要交叉建筑物，按照地形、地質設計流量與上下游水位的銜接必須選擇渡槽。渡槽常用于灌溉、發(fā)電和城鎮(zhèn)供水工程，也可用于排洪、排沙和導流等，南方一些大型渡槽還可用于通航。

渡槽由進口段、出口段、槽身和支撐結構等部分組成。進口段和出口段將槽身兩端與渠道連接起來，并起平順水流的作用。進出口段有各種不同形式，當進出口為填方渠道時，常用擋土墻式實體重力墩(又稱槽臺)支撐槽身和擋土;當渡槽進出口為挖方渠道時，可將靠岸端的槽身支撐于較低的支墩上。渠道斷面通常為梯形，槽身斷面為亂世形或U形。

2 渡槽的水力計算

2.1 一般的考慮

渡槽的水力計算除選擇適當?shù)目v坡和斷面外，還由于渡槽縱坡一般大于渠道的縱坡，其過水斷面也較渠道為小，水流自上游渠道經(jīng)過渡槽到下游渠道，水深和流速都將發(fā)生變化。進口因水流收縮，形成進口段水面降落;出口則由于水流擴散并有部分水流動能變?yōu)閯菽?，而形成水面回升。因此，在水力計算中還應進行水頭損失及水面銜接計算，并調整渡槽進出口高程，確定進出口漸變段長度，使在通過設計流量時，渠道和渡槽中基本上按設計水位保持均勻流態(tài)，而將進出口收縮和擴散的非均勻流控制在漸變段范圍內。

2.2 計算的內容與方法

2.2.1 計算示意圖

通過渡槽的水流情況如圖1所示。在進口處水流收縮產(chǎn)生水頭損失，流速加大，引起水面降落。水流進入槽身后為明渠均勻流，水面坡降等于槽底坡降。水流到出口段與下游渠道水面銜接，水流動能的一部分因水流擴散而損失，另一部分轉化為位能，流速減小，形成出口水面回升。

圖1 渡槽水流情況示意圖

2.2.2 計算內容與方法

渡槽的水力計算包括槽過水能力、水頭損失及進出口高程的確定等，分述如下:

2.2.2 .1 過流能力計算

槽身過水能力按明渠均勻流公式計算，即:

式中:Q為渡槽的設計流量，m3/s;ω為渡槽的過水橫斷面面積m2/s;，n為糙率系數(shù);R為水力半徑，m;C值也

可由水力學手冊附表中查用;i=為槽底縱坡(比降)。

當需要求渡槽縱坡i時，由式(1)可得:

式中:v為槽中流速，m/s。

2.2.2 .2 水頭損失計算

1)進口水頭損失:因水流入槽后流速加大，在進口發(fā)生水面降落，與淹沒寬頂堰相似，所以工程上常用淹沒寬頂堰公式計算進口水頭損失，即:

式中:Z0為包括槽前流速水頭在內的水頭損失;ε為進口側收縮系統(tǒng)，常取0.90-0.95;φ為流速系數(shù)，常取0.90-0.95;Q、ω意義同前。

若令Z為流域槽前流速水頭時的進口水頭損失，則

當渠道流速較小時，可近似采用Z≈Z0

2)槽身沿程水頭損失，按下式計算:

式中:i為渡槽縱坡;L為槽身長度，m。

3)出口水面回升Z2，按下式計算:

式中:K為系數(shù)，取K=0.2;V槽、V槽分別為槽中流速和渠中流速，m/s。

根據(jù)水力試驗和實地觀測(如韶山灌區(qū)的“石江長渡”渡槽觀測)一般

由以上可得總水頭損失為:

2.2.2 .3 進出口高程的確定

進口槽底抬高值計算公式為:

出口槽底降低值計算公式為:

進口槽底高程計算公式為:

出口槽底高程計算公式為:

出口渠底高程計算公式為:

式中:▽3、▽4分別為進、出口的渠底高程，m;H1、H2分別為渠道與渡槽內的水深，m;其他符號含義同前。

2.2.2 .4 漸變段長度的計算

漸變段的長度，一般為渠道水深的4～6倍，也可按下式計算:

式中:l1、l2為進口、出口漸變段的長度，m;K1、K2為系數(shù)，進口段K1=1.25，出口段K2=2.5;B渠、b槽分別為渠道水面和槽中水面的寬度，m。

漸變段的平面擴散角度可取1∶3～1∶4，出口段較進口段要平緩一些。

以上計算對于較短的渡槽不適用，只適用于長槽，即當槽身長度＜10～12 H時(H為上游渠道水位與渡槽進口底板高程之差，初算時可近似取為上游渠道水深)，應將渡槽視為一寬頂堰，按淹沒堰流進行過流斷面和水頭損失計算。

[1] 曾慶玲.渡槽的總體布置與水力計算[J].黑龍江水利科技，2010，38(04):42-43.

[2] 天津大學.小型水電站:上冊[M].北京:水利電力出版社，1976.

[3] 湖南省水利電力局.韶山灌區(qū):第二分冊[M].北京:水利電力出版社，1976.