渠道特性曲線與斷面計算及滲漏分析

陳居乾

(甘肅省蘭州市就業(yè)和人才服務(wù)局，蘭州　730000)

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渠道特性曲線與斷面計算及滲漏分析

陳居乾

(甘肅省蘭州市就業(yè)和人才服務(wù)局，蘭州730000)

摘要：在調(diào)水、引水及供水工程中，各類引輸水渠道通常多與隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物間斷分布，構(gòu)成引輸水連接建筑物，通?？煞譃辄S土、巖石及砂礫石與碎石土等不同渠基類型。通過實例對局部水頭損失、不淤流速和滲漏損失進(jìn)行計算分析，以及通過黃土及巖石典型渠基類型渠道實例水力學(xué)計算確定水力要素，繪制設(shè)計斷面與相應(yīng)水力參數(shù)特性曲線，確定水力最佳斷面范圍，選定設(shè)計實用經(jīng)濟(jì)斷面，為引輸水渠道工程設(shè)計提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：渠道類型；滲漏分析；水力要素；特性曲線；實用經(jīng)濟(jì)斷面

1渠道及其斷面類型

在調(diào)水、引水及供水工程中，各類引輸水渠道通常多與隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物間斷分布，構(gòu)成引輸水的連接建筑物。渠道地基通常有黃土渠基、巖石渠基，以及砂礫石與碎石土渠基等，按照渠基類型的不同，分別確定其斷面和襯砌形式。隨著水資源的日益緊缺，全社會節(jié)水意識的提高，各類引輸水渠道大都采用不透水材料襯砌，以大力提高引輸水水量的利用效率，提高工程效益，并確保渠道安全。

(1) 確定渠道斷面形式基本原則

渠道斷面形式確定的基本原則[1]，主要包括挖填土方與襯砌工程量及投資節(jié)省；運用穩(wěn)定、安全可靠；調(diào)水、引水及供水工程渠系總體設(shè)計控制高程；引輸水不淤和不沖；與隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物引輸水水流總能量相等，水深一致，水面平順銜接，且正坡相接，便于放空排水和維護(hù)檢修[2]；斷面形式不宜過多變化，便于施工，不應(yīng)選擇復(fù)雜的多級復(fù)式斷面形式；盡量符合水力最佳斷面的條件[3]。

(2) 不同渠基類型渠道

按照不同基礎(chǔ)，渠道通?？煞譃辄S土、巖石及砂礫石與碎石土等不同渠基類型[4]。

1) 黃土渠基類型渠道：一般采用梯形、矩形及“U”形斷面。梯形和矩形適用于中、大輸水流量渠道；“U”形適用于小流量渠道；矩形斷面特別適用于與其所銜接的垂直直墻形式隧洞、暗渠、明洞和渡槽等輸水建筑物[5]。梯形渠道一般采用預(yù)制混凝土板(塊)或現(xiàn)澆混凝土襯砌形式；矩形渠道一般采用現(xiàn)澆混凝土重力式兩側(cè)擋墻、分離式底板結(jié)構(gòu)形式襯砌，以及現(xiàn)澆鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)襯砌形式；“U”形渠道采用混凝土預(yù)制構(gòu)件形式。其工程設(shè)計主要考慮采取防滲、防地基濕陷及抗凍脹處理技術(shù)措施。

2) 巖石渠基類型渠道：一般采用矩形斷面，為現(xiàn)澆混凝土重力式兩側(cè)擋墻、分離式底板結(jié)構(gòu)形式襯砌，以及現(xiàn)澆鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)襯砌形式。

3) 砂礫石與碎石土渠基類型渠道：一般結(jié)合黃土渠基及巖石渠基類型，主要考慮地基工程地質(zhì)條件綜合確定，一般有梯形、矩形及“U”形等斷面形式，其工程設(shè)計主要考慮采取防滲、防地基濕陷及抗凍脹處理技術(shù)措施。

(3) 渠道設(shè)計縱坡

渠道與各類引輸水隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物短距離連接時，其設(shè)計縱坡與所銜接不同建筑物相同[6-7]，一般為1/1 000～1/3 000；當(dāng)渠道渠線較長時，設(shè)計縱坡一般按照不淤和不沖流速、引輸水水面平順銜接，以及調(diào)水、引水及供水工程渠系總體設(shè)計控制高程確定，一般為1/1 000～1/6 000。

2渠道實用經(jīng)濟(jì)斷面類型及其計算選定步驟

2.1實用經(jīng)濟(jì)斷面類型

引輸水渠道斷面一般均采用實用經(jīng)濟(jì)斷面，其斷面形式[8]一般可劃分為以下3類：

窄深式：0.6 ≤B/h≤2.5；

寬淺式：2.5 ≤B/h≤10；

極寬淺式：10 ≤B/h≤50。

式中：B為渠底寬，m；h為渠道水深，m。

2.2實用經(jīng)濟(jì)斷面主要計算選定步驟

(1) 在渠道引輸水水力糙率n、縱坡i、流量Q，以及渠坡邊坡系數(shù)m已確定的條件下，通過水力學(xué)計算并繪制B=f(h)關(guān)系曲線[9]。

(2) 在B=f(h)關(guān)系曲線上找出最佳過水?dāng)嗝娴姆秶?，即?dāng)過水?dāng)嗝婷娣eω和濕周χ變化很小時，水深h和底寬B變化幅度卻比較大。因此，在水力最佳斷面范圍內(nèi)選擇一種合適的斷面尺寸，此即為實用經(jīng)濟(jì)斷面。

(3) 工程設(shè)計實踐當(dāng)中，只要符合下述3個條件，可確定符合水力最佳斷面條件：

1) 當(dāng)水深h變化為最佳斷面水深的60%～160%；

2) 底寬B變化范圍在40%～290%之間；

3) 過水?dāng)嗝婷娣eω較最佳斷面面積減少2%或增加4%。

3渠道設(shè)計中需注意的關(guān)鍵問題

3.1局部水頭損失計算

引輸水渠道與隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物連接，其局部水頭損失按淹沒寬頂堰公式計算[10]：

(1)

式中：Q為引輸水流量，m3/s；ε為側(cè)收縮系數(shù)，取ε=0.95；φ為流速系數(shù)，取φ=0.95；ω為過水?dāng)嗝婷娣e，m2。

(2)

式中：Z0為包括行進(jìn)流速在內(nèi)的進(jìn)口水頭損失，m；Z1為進(jìn)口局部水頭損失，m；α為流速分布系數(shù)，α=1.0；V為平均流速，m/s；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

局部水頭損失計算以渡槽為例，引輸水流量36.0 m3/s、過水?dāng)嗝婷娣e15.03 m2、進(jìn)出口銜接渠道流速1.378 m/s，則按照上式計算得Z0=0.361 m、Z1=0.264 m。

渡槽出口由于流速由大變小，動能轉(zhuǎn)化為勢能，致使水位回升Z3，采用原水電部北京勘測設(shè)計院編制的“進(jìn)口水頭損失與出口水位回升關(guān)系表”(表1)查表取值。

表1　渡槽進(jìn)口水頭損失與出口水位回升關(guān)系表

根據(jù)渡槽進(jìn)口局部水頭損失Z0、Z1計算結(jié)果，查表1得出口水位回升Z3=0.09 m，進(jìn)而求得考慮出口水位回升后的局部水頭損失Δh局=0.174 m。依據(jù)局部水頭損失計算，可確定渠道與其它引輸水建筑物隧洞、暗渠、明洞及渡槽之間的水面銜接。

3.2不淤流速驗算

當(dāng)渠道引輸水流量較小、流速較低時，需要核驗是否產(chǎn)生淤積[11]。按引輸水流量15.0 m3/s，允許帶入渠道泥沙粒徑d≤0.15 mm要求進(jìn)行驗算。

吉爾土坎公式：

(3)

扎西―崗察洛夫公式：

(4)

式中：R為水力半徑，m。

若按扎西―崗察洛夫公式計算結(jié)果，渠內(nèi)流速大于不淤流速；若按吉爾土坎公式計算結(jié)果，則渠內(nèi)流速基本上大于或接近不淤流速，可結(jié)合具體情況分析確定。

3.3渠道滲漏損失計算

(1) 未防滲梯形渠道滲漏量計算

按引輸水流量32.0 m3/s，中等透水土壤渠基進(jìn)行未防滲渠道滲漏量計算[12]。

考斯加可夫公式：

(5)

維捷爾尼科夫公式：

(6)

式中：A、m分別為渠基相關(guān)系數(shù)，根據(jù)渠基狀況，分別取1.9、0.4;δ為每公里渠長水量損失率；β為每米渠長滲漏損失流量，m3/s；B′為水面寬，m；K為滲漏系數(shù)，m/d；根據(jù)渠基狀況，取0.040～0.231 m/d；α為邊坡夾角；K/K1值根據(jù)B/h值確定。

考斯加可夫公式計算得每公里渠長水量損失率0.475%、損失流量0.152 m3/s；維捷爾尼科夫公式計算得每公里渠長水量損失率1.706%、損失流量0.546 m3/s。因此，渠道若不采取防滲工程技術(shù)措施，其水量滲漏損失較大，不僅會降低工程效益，還會影響渠道安全運行[14]。

(2) 混凝土預(yù)制板(塊)襯砌梯形渠道滲漏量計算[15]

烏里希公式：

(7)

式中：q為單位時間滲漏量,m3/d；δ1為渠道邊坡防滲層厚度,m；δ2為渠底防滲層厚度,m。

根據(jù)原水利部西北水科所資料，混凝土預(yù)制板(塊)滲漏系數(shù)為0.000 5 m/d。當(dāng)引輸水流量32.0 m3/s、h=3.58 m、B=2.5 m、δ1=δ2=0.08 m、α=33°41′，以及邊坡系數(shù)1.5時，計算得單位時間滲漏量0.207 m3/d；每公里渠長水量損失率(7.487×10-5)‰；每公里渠長損失流量2.396×10-6m3/s。

由計算可知，渠道襯砌后水量利用率可達(dá)99.8%以上，質(zhì)量良好的混凝土預(yù)制板(塊)防滲漏效果優(yōu)異，其它引輸水建筑物隧洞、暗渠、明洞及渡槽一般采用混凝土襯砌，防滲漏效果更佳，水量損失甚微，可忽略不計。

4典型渠基渠道實用經(jīng)濟(jì)斷面計算及斷面選定實例

4.1黃土渠基渠道

黃土渠基梯型斷面引輸水渠道[5]，預(yù)制混凝土板(塊)襯砌，以邊坡系數(shù)1.5、縱坡1/6000、引輸水流量36.0 m3/s、水力糙率0.017為計算條件。通過水力學(xué)計算確定不同渠底寬情況下的水深及流速等水力要素，其中包括水力最佳斷面計算1組，水力計算成果見表2，并據(jù)此繪制黃土渠基渠道特性曲線，見圖1。

圖1　黃土渠基渠道特性曲線圖

依據(jù)水力最佳斷面要素，由渠道特性曲線(圖1)可知，水深在2.98～3.92 m范圍內(nèi)都接近水力最佳斷面，相應(yīng)渠底寬2.0～6.0 m。

按照渠道斷面形式確定基本原則，根據(jù)水力最佳斷面要素，設(shè)計選定黃土渠基梯形實用經(jīng)濟(jì)斷面渠底寬2.5 m、水深3.78 m，水力要素計算結(jié)果列于表3。

表2　黃土渠基渠道水力學(xué)計算成果表

表3　黃土渠基渠道實用經(jīng)濟(jì)斷面水力要素表

4.2巖石渠基渠道

巖石渠基矩形斷面引輸水渠道，現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌，以縱坡1/4000、引輸水流量35.0 m3/s、水力糙率0.017為計算條件。通過水力學(xué)計算確定不同渠底寬情況下的水深及流速等水力要素，其中包括水力最佳斷面計算1組，水力計算成果見表4，并據(jù)此繪制巖石渠基渠道特性曲線，見圖2。

依據(jù)水力最佳斷面要素，由渠道特性曲線(圖2)可知，水深在3.04～4.30 m范圍內(nèi)都接近水力最佳斷面，相應(yīng)渠道底寬6.0～8.5 m。同樣道理，設(shè)計選定巖石渠基矩形實用經(jīng)濟(jì)斷面渠底寬6.9 m、水深3.7 m，水力要素計算結(jié)果列于表5。

圖2　巖石渠基渠道特性曲線圖

底寬B/m水深h/m過水面積ω/m2濕周χ/m水力半徑R/m流速V/(m·s-1)超高Δh/m渠深H/m渠口寬B1/m襯砌周長X/m渠槽挖方W/m3渠槽以上挖方W上/m3流量Q/(m3·s-1)備注4.07.0728.1218.061.5551.2470.67.634.0019.2530.527.235 4.56.0227.1016.541.6361.2900.66.624.5017.7229.831.335 6.04.3025.8014.601.7701.3550.64.906.0015.8029.445.035 7.03.6625.6014.321.7871.3610.64.267.0015.5129.855.535 7.153.5825.6014.311.7871.3670.64.187.1515.5129.957.335水力最佳斷面8.03.2225.7514.441.7801.3600.63.828.0015.6430.667.235 10.02.6326.3015.261.7201.3300.63.2310.0016.4632.393.835

表5　巖石渠基渠道實用經(jīng)濟(jì)斷面水力要素表

5結(jié)語

在調(diào)水、引水及供水工程中，各類引輸水渠道通常多與隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物間斷分布，構(gòu)成引輸水的連接建筑物，通常可劃分為黃土、巖石及砂礫石與碎石土等不同渠基類型。渠道斷面形式一般劃分為窄深式、寬淺式與極寬淺式3類，通過水力學(xué)計算并繪制水深與底寬等關(guān)系曲線，找出最佳過水?dāng)嗝娣秶⑦x擇實用經(jīng)濟(jì)斷面。工程設(shè)計實踐中，依據(jù)水深變化占最佳斷面水深百分比、底寬變化幅度，以及過水?dāng)嗝婷娣e較最佳斷面面積增減幅度等，確定是否符合水力最佳斷面條件。

對局部水頭損失、不淤流速，以及水量滲漏損失率和損失流量等渠道設(shè)計中需注意的關(guān)鍵問題，進(jìn)行了針對性舉例計算分析。通過黃土及巖石渠基兩典型類型渠道工程實例水力學(xué)計算，確定水力要素，繪制水深與底寬、水力參數(shù)、襯砌周長、挖方量之間特性曲線，確定水力最佳斷面范圍，選定設(shè)計實用經(jīng)濟(jì)斷面，為引輸水渠道工程設(shè)計提供借鑒和參考。

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Canal Feature Curve and Section Calculation and Seepage Analysis

CHEN Juqian

(Lanzhou Municipal Bureau of Employment and Talent Service, Lanzhou730000，China)

Abstract:In water diversion and supply projects, the water transmission canals mostly are connected to tunnels, underground canals, open tunnels and aqueducts, etc which are discontinuously distributed and form the water transmission structure. The canals are classified in loess soil, rock and sandy gravel & gravel soil, etc in type. Through analysis on local head loss, flow velocity without sediment and seepage loss as well as the hydraulic calculation and determination of the hydraulic factors of the canal practice in loess soil and rock, the design sections and corresponding hydraulic parameter curves are mapped respectively so that the optimum hydraulic section scope is determined, the practical and economic section is selected and designed. This provides the engineering design of water transmission canal with reference.

Key words:canal type; seepage analysis; hydraulic factor; feature curve; practical economic section

中圖分類號：TV133

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.011

作者簡介：陳居乾(1992- ),男,甘肅省會寧縣人,從事水利水電工程設(shè)計.

收稿日期：2015-06-09

文章編號：1006—2610(2016)01—0043—05

致謝：本文承蒙甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院副總工程師陳曉東審閱和指導(dǎo)，特此致謝！