關(guān)于鴻化堰導(dǎo)水堰堰頂高程計(jì)算方法的優(yōu)化

徐 大 海， 樊 璐 璐

(成都鴻策工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

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關(guān)于鴻化堰導(dǎo)水堰堰頂高程計(jì)算方法的優(yōu)化

徐 大 海， 樊 璐 璐

(成都鴻策工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

鴻化堰導(dǎo)水堰工程已經(jīng)完工并正常運(yùn)行數(shù)年，通過運(yùn)行資料來看，設(shè)計(jì)成果實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在導(dǎo)水堰的頂高程設(shè)計(jì)中，綜合考慮了各個(gè)因素對(duì)取水能力的影響，結(jié)合導(dǎo)水堰過流過程對(duì)水位的抬高作用，確定了導(dǎo)水堰的頂高程，同時(shí)也復(fù)核了導(dǎo)水堰對(duì)岷江行洪能力的影響。其計(jì)算方法清晰，計(jì)算過程科學(xué)，充分利用了各種水力學(xué)計(jì)算公式，對(duì)類似的工程設(shè)計(jì)均具有較好的指導(dǎo)意義。

鴻化堰；導(dǎo)水堰；堰頂高程；行洪計(jì)算

1 工程概況

鴻化堰地處眉山市青神縣境內(nèi)，位于岷江西岸。屬無壩引水工程，其取水閘位于眉山市東坡區(qū)松江鎮(zhèn)。鴻化堰是一座歷史悠久的古堰，始建于唐代，距今已有一千多年歷史，經(jīng)過多次的復(fù)修、續(xù)建、擴(kuò)建、配套、整治，鴻化堰有了今天的規(guī)模，使鴻化堰成為一座集灌溉、防洪、排澇、工業(yè)及城鎮(zhèn)供水為一體的多功能水利工程。目前已建成總干渠1條，長11.066 km，東、西、南干渠3條，長17.166 km，支渠42條長67.53 km，斗渠逾百公里。鴻化堰設(shè)計(jì)引水流量8.2 m3/s，設(shè)計(jì)灌面5.981 8萬畝。

近年來由于采砂等原因已經(jīng)導(dǎo)致河床降低，特別是枯期，采砂留棄的卵礫石堆迫使主流改道，導(dǎo)致取水口門前基本無水經(jīng)過。從測(cè)量資料看，鴻化堰取水口位于約2.5 km直線河道下游端，枯期平均河道寬度在400 m以上，灌區(qū)用水量較大的5月份流量較小，因此，在沒有工程措施的條件下取水閘基本無水可??；加之灌區(qū)渠系絕大部分沒有襯砌，淤積嚴(yán)重，干渠縱坡大多小于1/10 000，甚至為逆坡，造成渠道過流流量無法得到滿足，取水困難的問題日益突出，迫切需要在進(jìn)水閘前新建攔河導(dǎo)水堰工程。

經(jīng)過設(shè)計(jì)分析比較，擬在鴻化堰取水口下游約25m處新建全長442.00 m的導(dǎo)水堰，堰兩端與岷江堤防相接，軸線基本垂直岷江兩岸。導(dǎo)水堰的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是滿足小流量情況下鴻化堰的取水效果，同時(shí)不影響岷江的行洪安全。

圖1 鴻化堰取水示意圖

2 閘前水位計(jì)算

由于進(jìn)水節(jié)制閘的過水能力受下游淹沒程度影響較大，即在閘前水位一定的條件下，下游渠道水位的高低，決定了取水閘流量的大小。當(dāng)渠道用水量較大時(shí)，渠道流態(tài)接近于均勻流，此時(shí)閘門前后水位差最大，進(jìn)閘流量也趨近于最大，當(dāng)渠道用水量較小時(shí)，渠道為緩流，流速較小，流量也較小。所以采用以下步驟計(jì)算所需取水閘取8.2 m3/s時(shí)閘前水位：

(1)計(jì)算下游渠道為明渠均勻流時(shí)，渠道過流量為8.2 m3/s對(duì)應(yīng)的下游水深及下游水位。

(2)計(jì)算進(jìn)閘流量為8.2 m3/s時(shí)的閘上下游水位差，從而推得閘門上游水位即所需的取水口閘前水位。

①明渠均勻流計(jì)算

計(jì)算公式為：

式中 Q為流量，8.2m3/s；b為渠底寬，m；h為水深，m；m為渠道邊坡，1.00；i為渠底坡降；n為糙率。

由于鴻化堰引水渠道長年未進(jìn)行清淤疏浚，河道過流能力較差，且缺少渠道運(yùn)行資料，故此處計(jì)算根據(jù)業(yè)主提供數(shù)據(jù)進(jìn)行，其中渠底寬度取渠道平均寬度8.0m，渠底坡降取取水閘至防洪閘之間4.619km的平均坡降，約為0.000 8(見表1)，渠道糙率取為0.030。

經(jīng)試算，當(dāng)下游水深為2.08m時(shí)，渠道明渠均勻流流量為8.2m3/s，此時(shí)閘下游水位為396.77m。

表1 鴻化堰干渠主要控制段坡降

②閘前水位計(jì)算

計(jì)算方法一：

按閘孔過流計(jì)算閘孔的過流能力，計(jì)算當(dāng)閘孔過流為8.2 m3/s時(shí)，閘門前后水位差，閘孔過流計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)閘上下游水位差為0.002m時(shí)，閘孔過流流量恰為8.2m3/s，故可得出需要的閘前水位約為396.77m。

計(jì)算方法二：

由于下游水位較高，當(dāng)閘門取水8.2m3/s時(shí)閘門的過流能力實(shí)際上由下游過流能力控制，按閘門過流的水頭損失計(jì)算水流通過閘門損失的水頭，即為閘門前后水位差，由于閘室長度較短，不計(jì)沿程水頭損失，只計(jì)算局部水頭損失，局部水頭損失計(jì)算公式為：

式中 hj為局部水頭損失，m；ζ為局部水頭損失系數(shù)，進(jìn)口處取0.15，門槽處取0.10；v為閘門處的水流流速，約為0.50m/s

經(jīng)計(jì)算，水流經(jīng)過閘門處的水頭損失為0.003 m，故也可得出閘前水位約為396.77 m。

3 堰頂高程確定

對(duì)已有資料5月每日流量排頻，得到供水保證率為P=85%的流量為95.5 m3/s，因此設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)化為在岷江來流量95.5 m3/s時(shí)，滿足鴻化堰取水閘門閘前水位為396.77 m，此時(shí)鴻化堰取水流量8.20 m3/s，導(dǎo)水堰過流量為87.3 m3/s。由于導(dǎo)水堰僅在取水口下游約25 m處，故不計(jì)此段的水力坡降，認(rèn)為導(dǎo)水堰上游水位與鴻化堰取水口水位相同，故當(dāng)堰上游水位為396.77 m，導(dǎo)水堰溢流流量應(yīng)為87.3 m3/s。經(jīng)分析，初擬導(dǎo)水堰堰頂寬度為1.5 m，在此流量時(shí)導(dǎo)水堰應(yīng)按寬頂堰流計(jì)算其過流能力。

計(jì)算公式為：

式中 Q為流量，87.3m3/s；σs為淹沒系數(shù)，取1.0；σc為側(cè)收縮系數(shù)，取1.0；m為堰的流量系數(shù)，小流量時(shí)堰上水頭較小，取0.36；b為導(dǎo)水堰長度，本設(shè)計(jì)堰前水位396.77m，僅中間段和沖沙口溢流；g為重力加速度；H0為包括行進(jìn)流速的堰前水頭，設(shè)計(jì)時(shí)堰前行進(jìn)流速為0；

經(jīng)試算，當(dāng)堰頂高程為396.54m時(shí)，恰好滿足要求，導(dǎo)水堰過流總量為87.3m3/s，故最終確定堰頂高程為396.55m。

4 導(dǎo)水堰行洪計(jì)算

導(dǎo)水堰在設(shè)計(jì)洪水11 565m3/s時(shí)，堰上水頭較大，此時(shí)按堰流計(jì)算導(dǎo)水堰的過流能力已不合理，為驗(yàn)證導(dǎo)水堰對(duì)岷江設(shè)計(jì)洪水過流的影響，按潛壩過流來進(jìn)行驗(yàn)算其對(duì)水位的抬高作用[2]。

計(jì)算公式為：

Δz=H-(ht-h1)

式中：Δz為壅水高度，m；H為潛壩堰頂水頭，m；ht為下游水深，m；h1為潛壩高度，m；Q為過堰流量，取11 565m3/s；B為導(dǎo)水堰長度，m；m為流量系數(shù)，通過表格查得；v0為堰前行進(jìn)流速，近似取為2.5m/s；

通過試算，本工程按潛壩計(jì)算流量系數(shù)為0.28，對(duì)應(yīng)的雍高水位為0.45m，由于鴻化堰取水口河段岷江堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇洪水，其對(duì)應(yīng)安全超高值為0.6m(不允許越浪)，因此導(dǎo)水堰對(duì)已建岷江堤防安全不構(gòu)成影響。

5 結(jié) 語

目前鴻化堰導(dǎo)水堰工程已經(jīng)完工并正常運(yùn)行數(shù)年，通過運(yùn)行資料來看，設(shè)計(jì)成果實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在導(dǎo)水堰的頂高程設(shè)計(jì)中，綜合考慮了各個(gè)因素對(duì)取水能力的影響，結(jié)合導(dǎo)水堰過流過程對(duì)水位的抬高作用，確定了導(dǎo)水堰的頂高程，同時(shí)也復(fù)核了導(dǎo)水堰對(duì)岷江行洪能力的影響。其計(jì)算方法清晰，計(jì)算過程科學(xué)，充分利用了各種水力學(xué)計(jì)算公式，對(duì)類似的工程設(shè)計(jì)均具有較好的指導(dǎo)意義。

[1] 華東水利學(xué)院主編.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第六卷. 北京：水利電力出版社，1982

[2] 李煒主編. 水力計(jì)算手冊(cè). 北京：中國水利水電出版社，2006

(責(zé)任編輯：卓政昌)

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