灌區(qū)渠道陡坡進(jìn)口段梯形跌口不同公式水力計算取值分析

余 林

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 陡坡

落差建筑物是在灌區(qū)渠道里的渠系建筑物之一。落差建筑物的主要類型包括有：陡坡、跌水、斜管式跌水、直落式跌井等。陡坡的主要作用是調(diào)整渠道比降，或作為引水、進(jìn)水建筑物及退水、分水、泄洪建筑物。陡坡由進(jìn)口漸變段、陡坡段、消力池和出口漸變段組成。根據(jù)不同地形條件，陡坡可修建成單級陡坡或多級陡坡，一般在落差小于5m時采用單級陡坡，在落差大于5m時宜采用多級陡坡，都需要在陡坡后接消力池段進(jìn)行消能[1- 4]。

陡坡的進(jìn)口段通常由連接漸變段和進(jìn)口控制段兩部分組成。進(jìn)口段的布置是否合理，直接決定著陡坡的泄流能力和上游水流的均勻性，并且影響下游水流流態(tài)及工程安全[5- 7]。在工程設(shè)計中，對進(jìn)口段的布置進(jìn)行水力計算尤為重要。

在實際工程中，通常在進(jìn)口控制段設(shè)置閘門以調(diào)節(jié)上游渠道水位，也可不設(shè)閘門而用跌口控制上游渠道水位。為了使上游渠道水面不雍高或不降低，常將控制段縮窄作成跌口，減小水流過水?dāng)嗝?，以保持渠?nèi)要求的水深。根據(jù)渠道斷面和流量大小，可布置成單跌口或多跌口(復(fù)式跌口)型式。本文只討論工程設(shè)計中常用的單跌口梯形型式，分析不同計算公式對不同縱坡下的梯形跌口水力計算結(jié)果取值影響。

2 陡坡梯形跌口水力計算

根據(jù)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗及研究成果，梯形跌口水力計算的主要任務(wù)是決定跌口底寬bc和邊坡系數(shù)nc，以使得渠道在通過最大流量Qmax和最小流量Qmin之間的不同流量時，跌口以上渠道內(nèi)的水位變化最小，即保證渠道正常的Q-H關(guān)系。本文討論GB 50288—99《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》、《水力計算手冊》、陡坡與跌水圖集3種計算公式對梯形跌口尺寸計算結(jié)果影響。

2.1 GB 50288—99計算公式[8- 9]

過流能力

(1)

m1=0.508-0.034(bCB+0.8mCBH0)/H0

(2)

根據(jù)渠道上游水力參數(shù)，假定梯形跌口邊坡系數(shù)mCB，計算梯形跌口底寬bCB。

2.2 《水力計算手冊》計算公式[10]

一般陡坡、跌水的上游渠道多屬緩坡，水流平均流速較小，在進(jìn)行跌口計算時，行近流速影響較小，一般可忽略不計。

(3)

則上式可以寫成：

Q=b平均H3/2

(4)

如已知

(5)

(6)

其中

H1=Hmax-0.25(Hmax-Hmin)

(7)

H2=Hmin+0.25(Hmax-Hmin)

(8)

關(guān)于流量系數(shù)M的取值，經(jīng)常是工程設(shè)計工作中的一個困難問題。經(jīng)驗證明，若陡坡跌口上游渠道發(fā)生降水或奎水現(xiàn)象，除跌口型式(梯形、矩形)以外，主要是由于流量系數(shù)M值選擇不當(dāng)所致。流量系數(shù)M值大小主要決定于堰頂水頭、跌口控制段的邊界條件及上游連接漸變段型式。對于不同的連接漸變段型式，可以采用不同的經(jīng)驗公式進(jìn)行估算。

對于扭曲面連接，在上游渠道邊坡系數(shù)m=1～2、跌口邊坡系數(shù)nc=0.25～1.00、連接段長度L1>3Hmax(Hmax為上游渠道最大水深)的條件下

(9)

式中，b平均—跌口的平均寬度。

2.3 《小型水利工程陡坡圖集》計算公式[11]

Q=M梯(bc+0.8nch)h3/2=M梯b平均h3/2

(10)

(11)

采用先假定梯形跌口邊坡系數(shù)nc，試算法求出相應(yīng)的梯形跌口底寬bc。

3 對于不同緩坡計算跌口取值計算分析

灌區(qū)渠道上的陡坡的型式多種多樣，本文利用我國已建工程，參考試驗研究成果，按照經(jīng)驗公式進(jìn)行工程設(shè)計計算。對比同一流量下，不同緩坡1∶1000、1∶2000、1∶3000、1∶4000、1∶5000，不同計算方法對渠道陡坡的梯形跌口bc、nc的計算結(jié)果影響。梯形渠道的水力參數(shù)見表1。

根據(jù)上述的水力要素，計算渠道陡坡采用梯形跌口的尺寸，計算結(jié)果統(tǒng)計表見表2、表3。

由表2、表3的計算結(jié)果可以看出，灌溉與排水設(shè)計規(guī)范計算公式與陡坡跌水圖集計算方法計算的流量系數(shù)M值比較接近，則計算的陡坡跌口尺寸結(jié)果皆比較一致，而水力計算手冊計算公式的計算結(jié)果略微有點偏差，這是由于計算的方法導(dǎo)致，灌溉與排水設(shè)計規(guī)范與陡坡圖集計算皆是先假設(shè)跌口邊坡系數(shù)nc，根據(jù)上游的水深等水力要素計算跌口底寬bc，而水力計算手冊上是先假設(shè)b平均，再同時試算渠道底寬bc與邊坡系數(shù)nc，再用校核流量進(jìn)行復(fù)核。3種計算方法計算出得跌口尺寸皆與圖集上已建的工程取值基本相近。

表1 梯形渠道水力要素表

表2 不同計算方法跌口尺寸計算結(jié)果統(tǒng)計表

表3 水力計算手冊跌口尺寸計算結(jié)果統(tǒng)計表

4 不同流態(tài)的縱坡計算跌口取值計算分析

近年來，新疆和田地區(qū)進(jìn)行了諸多中型灌區(qū)節(jié)水配套改造項目。和田地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，塔克拉瑪干大沙漠西南側(cè)，昆侖山北麓。灌區(qū)內(nèi)地形平坦開闊，渠道多位于河床階地、山前沖洪積扇、沖洪積細(xì)土平原區(qū)，巖性主要為砂卵礫石等粗粒土，少部分為細(xì)粒土，分布耕地及居民區(qū)。該地區(qū)的灌區(qū)渠道落差皆比較大，渠道較陡，對其中一條渠道陡坡進(jìn)行分析，陡坡的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

渠道設(shè)計流量為7.621m3/s，渠道縱坡為1∶95.141，其余5組作為類比，梯形渠道水力要素表見表4。

根據(jù)上述的水力要素，計算渠道陡坡采用梯形跌口的尺寸，計算結(jié)果見表5、6。

由表5、6的計算結(jié)果可以看出，不論縱坡如何改變，灌溉與排水設(shè)計規(guī)范計算公式與陡坡跌水圖集計算方法計算的流量系數(shù)M值及求出的陡坡梯形跌口底寬bc與nc值比較接近，而水力計算手冊的計算公式中，由于渠道的二特性流量水深在工程設(shè)計中也是取值估算，計算則與之略有偏差?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著縱坡的逐漸變緩，3個計算公式的結(jié)果越來越接近，這是由于在梯形渠道中考慮了水流的行進(jìn)流速水頭的原因，渠底越緩，流速越小，流量系數(shù)M值之間的變化也越小。

從第6組渠道的計算結(jié)果可以看出，水力計算手冊的梯形跌口無法通過假設(shè)的b平均試算出梯形跌口的底寬bc與nc，這是由于該地區(qū)的渠道落差較大，整體渠道較陡，從渠道的水力要素可以看出渠道的正常水深h0小于渠道的臨界水深hk，已屬于急流，該渠道流速較大，同時假設(shè)跌口bc與邊坡nc，行進(jìn)水頭過大導(dǎo)致二特性流量水深加大，梯形跌口的實際過流量增大，則無法試算出合適的梯形跌口尺寸。文中也提到一般在渠道陡坡多屬緩坡，水流平均流速較小，在進(jìn)行梯形跌口計算時，行進(jìn)流速影響較小，可以忽略，但在本來就很陡的渠道，行進(jìn)流速不可忽略，因此水力手冊計算公式并不適用于急流狀態(tài)的渠道陡坡。而灌溉與排水設(shè)計規(guī)范與陡坡圖集計算都是先假定跌口邊坡nc，再試算梯形跌口底寬bc，對于急流也可以使用，其計算結(jié)果作為工程設(shè)計中作為取值參考。

圖1 陡坡結(jié)構(gòu)剖面圖

類型上游渠道流量Q/(m3/s)上游渠道邊坡/m上游渠道底寬B/m上游渠道糙率n上游渠道縱坡i上游水深h0/m上游流速V/(m/s)上游總水頭H0/m臨界水深hk17.6211.5002.2000.0251/10001.4891.1551.5570.87127.6211.5002.2000.0251/20001.7620.8931.8030.87137.6211.5002.2000.0251/30001.9410.7681.9710.87147.6211.5002.2000.0251/40002.0770.6902.1020.87157.6211.5002.2000.0251/50002.1890.6352.2090.87267.6211.5002.2000.0251/95.140.8162.7261.1950.871

表5 不同計算方法跌口尺寸計算結(jié)果統(tǒng)計表

表6 水力計算手冊跌口尺寸計算結(jié)果統(tǒng)計表

對于同一流量，不同渠底縱坡的梯形渠道，渠道底坡越緩，行進(jìn)流速較小，梯形跌口的底寬越窄，邊坡越陡。相反，底坡越陡，梯形跌口的底寬越寬，邊坡取值越緩。陡坡梯形跌口類似于寬頂堰進(jìn)行計算，這可有效防止上游渠道的水位不發(fā)生雍水和降水現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)對于同一流量，不同渠底縱坡的梯形渠道，縱坡越緩，梯形跌口的底寬取值越窄，邊坡取值越陡。相反，縱坡越陡，梯形跌口底寬取值越寬，邊坡取值越緩。

(2)對于同一流量，不同渠底縱坡的梯形渠道，上游渠底縱坡越緩，3種計算公式計算的流量系數(shù)M值也就越接近，梯形跌口底寬與邊坡取值越接近。

(3)對于上游渠道緩坡，水流處于緩流狀態(tài)時，3種計算方法都可以使用，且計算結(jié)果偏差不大；對于上游渠道陡坡，水流處于急流狀態(tài)時，計算的流量系數(shù)M值偏差較大，水力計算手冊的計算公式不適用，而灌排與排水設(shè)計規(guī)范、陡坡圖集計算公式可以適用，且計算結(jié)果可以作為工程設(shè)計參考依據(jù)。