設(shè)有保水堰的有壓輸水箱涵超設(shè)計過流能力研究

李傳夫 董丹丹 何利華

我國水資源分布不平衡，隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及人口日益流動和集中，水資源分布和經(jīng)濟發(fā)展不平衡的狀況日漸突出。為滿足人們的用水需求，解決生產(chǎn)和生活中的用水矛盾，近些年來，各地陸續(xù)興建了一系列長距離引調(diào)水工程，長距離輸水包括有壓流、無壓流及有壓和無壓相結(jié)合等3種形式。這些工程極大地緩解了用水短缺的問題，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

近年來，隨著地方用水需求逐年增加和工程運行時間的增長，復(fù)核引調(diào)水工程的過流能力并對其超設(shè)計過流能力進行研究，對了解和掌握工程的實際供水能力，并在不突破原設(shè)計準(zhǔn)則、確保工程安全運行的前提下充分發(fā)揮工程潛能、提高輸水效益等方面具有重要的意義。

1 項目背景

南水北調(diào)中線天津干線工程西起河北省保定市徐水縣西黑山村，東至天津市外環(huán)河西，全長155.3 km，主要任務(wù)是向天津市及天津干線河北省境內(nèi)部分受水區(qū)城市供水。天津干線的設(shè)計流量為50～18 m3/s，加大流量為60～28 m3/s。工程采用全箱涵無壓接有壓全自流輸水方案，有壓段全長約145 km，分段階梯狀設(shè)置8座保水堰井，堰型為實用堰，其作用是保證任何輸水工況下兩相鄰保水堰間的箱涵均為有壓流輸水狀態(tài)。工程縱斷面示意圖如圖1所示。

圖1 天津干線輸水工程縱斷面示意圖

南水北調(diào)中線一期工程天津干線于2014年末進入初期通水運行階段，截止至2019年末，已通水運行近5年，累計向沿線地區(qū)供應(yīng)水量已超過45億m3。供水運行過程中，區(qū)域的不均勻沉降、建筑物的侵蝕淤積以及水生生物的滋生等因素均會使得箱涵過水?dāng)嗝娴男詰B(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致其糙率、局部損失系數(shù)等發(fā)生變化，從而對箱涵過流能力產(chǎn)生影響。

另外，天津干線穿過我國的“千年大計”雄安新區(qū)，因天津干線建設(shè)早于雄安新區(qū)的規(guī)劃，當(dāng)時并未考慮新區(qū)的用水需求，在國家提出建設(shè)雄安新區(qū)后，為雄安新區(qū)供水，滿足新區(qū)建設(shè)順利進行的用水需求，在距離雄安新區(qū)較近的4#堰附近為新區(qū)分水，成了天津干線一個潛在的工程任務(wù)。且天津干線受水區(qū)對水量的需求逐年增加，在水源地豐水期，有通過有壓箱涵向受水區(qū)進行超設(shè)計能力輸水的訴求。因此，有必要對其有壓箱涵的過流能力進行復(fù)核，并研究其超設(shè)計過流的可能性和超設(shè)計過流的能力。

2 研究思路

根據(jù)恒定流能量方程（見式（1））可知，在過流斷面尺寸、來流情況和上下游水位差已知的情況下，有壓箱涵過流能力與沿程水頭損失和局部水頭損失相關(guān)。過流時的能量損失越小，過流能力越強；反之，過流時的能量損失越大，則過流能力越差。沿程水頭損失和局部水頭損失的影響因素分別為過水?dāng)嗝娴牟诼蕁和過水結(jié)構(gòu)各處的局部損失系數(shù)ζ，見式（2）～（5）。因此，通過測量實際供水流量下的各處水位變化，可以計算出糙率n和局部損失系數(shù)ζ，進而可計算天津干線的輸水壓力水頭線，由此可得出天津干線的最大供水能力。

恒定流能量方程：

式中H1、H2兩個斷面處的水位；

v1、v2——流經(jīng)兩個斷面時的流速；

hf、hj——流經(jīng)兩個斷面途中的沿程水頭損失和局部水頭損失；

g——重力加速度。

達(dá)西—魏斯巴赫公式：

式中λ——沿程水頭損失系數(shù)；

L——水流經(jīng)的距離；

R——水力學(xué)半徑。

式中C——謝才系數(shù)；

謝才系數(shù)的經(jīng)驗公式曼寧（R.Manning）公式：

式中n——流道的糙率。

式中ζ——水流的局部損失系數(shù)。

根據(jù)以上理論，本文在對天津干線沿線實測水位數(shù)據(jù)進行計算和分析的基礎(chǔ)上，復(fù)核有壓箱涵的過流能力并對超設(shè)計能力供水的可能性進行研究。研究思路如下：

（1）通過實測典型流量下的沿線水面線數(shù)據(jù)，研究輸水箱涵當(dāng)前的實際糙率。

（2）如果實際糙率小于設(shè)計糙率，則按實際糙率和各保水堰的過流能力推算輸水壓力水頭線，計算整個輸水箱涵的最大過流能力。

（3）如果實際糙率大于等于設(shè)計糙率，則不能進行超設(shè)計能力輸水，并給出按本工程內(nèi)水壓力設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下當(dāng)前供水能力的下降值。

3 有壓箱涵的糙率研究

如圖1所示，天津干線有壓輸水箱涵存在保水堰的阻隔，由于保水堰流態(tài)復(fù)雜，且保水堰過流的水頭損失以局部損失為主，糙率的變化主要對輸水的沿程水頭損失產(chǎn)生影響，因此，為避開保水堰的干擾，選擇兩保水堰間的箱涵段為研究對象。按照保水堰分布，把天津干線箱涵分割成8個區(qū)段，在各分段的起止位置安裝水位計，通過水位同步測量技術(shù)測得各段起止位置處的實時水位差，根據(jù)式（2）～（5）即可計算得各段內(nèi)的箱涵糙率（各分段內(nèi)的局部水頭損失根據(jù)《水力計算手冊》中的規(guī)定和類似工程經(jīng)驗，按其占該段內(nèi)沿程水頭損失的5%～10%考慮）。通過測量和計算后所得的糙率結(jié)果見表1。

表1 各計算區(qū)段的糙率n

取計算所得各區(qū)段糙率的最大值0.012 9為當(dāng)前箱涵段的實際過水糙率，以此作為天津干線有壓箱涵的糙率，才能保證用于供水能力或供水水頭計算，其結(jié)果是合理且偏于安全的。天津干線有壓箱涵輸水段設(shè)計采用糙率為n0=0.013 5，其實際運行糙率小于設(shè)計糙率，故認(rèn)為箱涵內(nèi)表面實際狀態(tài)比設(shè)計狀態(tài)“光滑”，具有一定的“超設(shè)計過流”能力，有壓箱涵段具有進一步提高其供水能力的可能性。

4 “超設(shè)計能力”供水研究

天津干線設(shè)計最大供水流量為60 m3/s，設(shè)計采用糙率為n0=0.013 5，在設(shè)計最大供水能力Q=60 m3/s時，沿線各處的設(shè)計壓力水頭線已知。對于某一供水工況，由實測糙率n可計算各保水堰段之間總水頭損失，采用傳統(tǒng)堰流的水力學(xué)公式（見式（6）），可計算過保水堰時的水位變化，兩者結(jié)合即可推算出天津干線沿程各處的水面線。

傳統(tǒng)水力學(xué)公式中實用堰堰流公式：

式中σ——過堰流的淹沒系數(shù)，可由《水力計算手冊》查得；

ε——過堰流的側(cè)收縮系數(shù)，天津干線各堰無側(cè)收縮，取ε=1；

M——過堰流的流量系數(shù)；

B——堰寬；

H0——堰上水頭；

Q——過堰流量。

由此，采用當(dāng)前選取的實際糙率n=0.012 9，結(jié)合式（6），在不改變設(shè)計安全超高設(shè)置原則的前提下，計算當(dāng)沿線壓力水頭線與已知的設(shè)計最大供水能力Q=60 m3/s時的壓力水頭線重合一致時的實際供水流量，即可得到天津干線有壓箱涵的超設(shè)計過流能力。

已知供水流量為60 m3/s時，4＃保水堰上游側(cè)的設(shè)計水位為18.038 m，若以此高程為起算點，往上游推算，水位推算結(jié)果見表2。

表2 水位推算結(jié)果表（3#堰下游達(dá)到設(shè)計水位時） m

由表2可知，天津干線輸水流量僅提高至62.79 m3/s，十分有限。且上述計算是從天津干線整個有壓箱涵段中間部位為比較的起點進行計算，如果把比較計算的起點后移到有壓箱涵的末端，根據(jù)以上計算可知整個箱涵的“超過流”能力將隨保水堰數(shù)量增加進一步降低。

綜上所述，經(jīng)對水位實測后，計算所得的箱涵實際糙率要小于設(shè)計糙率值，且個別區(qū)段還遠(yuǎn)小于設(shè)計糙率值，這意味著箱涵的過流能力具有較大的增加余地。但表2中的結(jié)果表明，從上游調(diào)節(jié)池到4#堰（雄安新區(qū)附近）段可增加的供水量非常小，這是由于在實測糙率小于設(shè)計糙率的前提下，箱涵段的過流能力會有所增加，但根據(jù)式（6），保水堰的過流能力僅與保水堰的布置形式和水頭有關(guān)，過堰處的沿程水頭損失在過堰總水頭損失中占比很小，因此與沿程水頭損失緊密相關(guān)的糙率對保水堰過流能力的影響也非常小。保水堰這種不受糙率影響的過流能力限制了天津干線整個有壓箱涵系統(tǒng)輸水能力的提高，故從當(dāng)前技術(shù)來看，天津干線過流能力提高的余地非常小，對滿足雄安新區(qū)和下游受水區(qū)的用水需求不具有實際意義。

5 結(jié) 語

本文通過對天津干線沿線各區(qū)段實測水位數(shù)據(jù)進行分析計算可知，箱涵段實際糙率比設(shè)計糙率取值小，故認(rèn)為箱涵內(nèi)表面較“光滑”，其具有一定的“超過流”能力；而保水堰主要水力要素為以局部損失為主的過堰流，過流面的光滑度對其過流能力影響不大，相較于設(shè)計值，保水堰不具有“超過流”能力，這限制了整個箱涵過流能力的提高。