寇思飛,宮 爍,王 媛,顧嵋杰,王軍忠

(1.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710065;2.陜西省寶雞峽引渭灌溉中心,陜西 西安 712000;3.陜西省渭河生態(tài)區(qū)保護中心,陜西 西安 710004)

1 工程概況

某水庫工程位于新疆阿克蘇地區(qū)臺蘭河,通過在河道修建攔河閘,引水注入河道左岸臺地的水庫庫盆,對汛期洪水進行調(diào)蓄,形成以灌溉、工業(yè)供水、地下水庫補水的綜合利用水利工程。工程規(guī)模為中型,主要由引水閘、引水渠道、水庫庫盆和供水渠道四部分組成,其中引水渠道長3.98 km,設(shè)計流量40 m3/s,為3級建筑物。由于水庫在汛期引水,洪水泥沙含量較大、推移質(zhì)較多,在引水渠道進口之前設(shè)置特殊沉沙池漏斗,以保證引水水質(zhì)良好。針對地形特點以及引水渠道比降要求,將渠道高程落差適當(dāng)集中,設(shè)置跌水建筑物連接上下游引水渠道。

2 引水渠道平面布置

引水渠道沿線地形平坦開闊,地勢西北高東南低,軸線的布置分別從地質(zhì)條件、工程總體布置、工程量、禁建區(qū)界線和工程投資等方面進行綜合分析比選,結(jié)合了沉沙池漏斗排沙通暢的布置,且避開了沖洪溝等不良地質(zhì)區(qū)域。沉沙池末端接引水渠渠首節(jié)制閘,渠道沿節(jié)制閘中心軸線向下游延伸,在樁號(K1+906.47)處向西南方向偏轉(zhuǎn)圓弧連接下游,圓弧半徑200.0 m,軸線順時針轉(zhuǎn)角27°,之后到達(dá)水庫進水口,引水渠線總長度3.98 km。

3 渠道縱斷面設(shè)計

本工程引水渠道起點為排沙漏斗末端處的節(jié)制閘后,起點高程為1 579.00 m;終點位于水庫進水口漸變段前,終點高程為1 518.60 m;起訖點高差60.4 m,總長度為3.98 km,原地面平均比降1.55%。渠道縱坡的擬定主要依據(jù)渠線所經(jīng)過的地形、地貌條件和輸水流量,保證設(shè)計輸水能力、邊坡穩(wěn)定、水流安全通暢,使渠道不產(chǎn)生沖刷和淤積;還要考慮工程占地相對較少,工程量相對較小,施工、運行和管理方便。經(jīng)過土石方挖填平衡、運行管理等方面充分論證之后,選定1/200的縱坡降,沿線布置14座跌水建筑物以降低落差。

4 渠道橫斷面設(shè)計

引水渠道橫斷面的設(shè)計內(nèi)容包括:斷面形式、渠道邊坡、渠道底寬、襯砌結(jié)構(gòu)分析、渠道岸頂超高等渠道設(shè)計參數(shù)。

4.1 引水渠道斷面形式

引水渠道布置在中低山丘陵地貌區(qū)以北臺蘭河左岸寬緩臺地,自下而上為砂卵礫石層和冰磧塊碎石層,渠基土均為非凍脹性土;渠道沿線地下水埋深較深,不考慮地下水影響。根據(jù)水文、地質(zhì)、施工等條件,確定引水渠道斷面形式采用梯形斷面。

4.2 引水渠道邊坡

表1 渠道邊坡穩(wěn)定計算成果表

4.3 引水渠道底寬的確定

按下述公式進行水力最佳斷面水力要素的計算:

(1)

(2)

(3)

(4)

R0=A0/x0

(5)

V0=Q/A0

(6)

式中:Q、m、i、n分別為渠道設(shè)計流量、內(nèi)邊坡系數(shù)、渠底比降、渠床糙率;h0、b0、A0、χ0、R0、V0分別為水力最佳斷面水深、底寬、過水?dāng)嗝婷娣e、濕周、水力半徑、流速。

經(jīng)計算:h0=2.228 m,b0=1.183 m,A0=11.319 m2,χ0=10.164 m,R0=1.114 m,V0=3.534 m/s。由標(biāo)準(zhǔn)中查出與α=1.00、1.01、1.02、1.03、1.04相應(yīng)的h/ho值,以及與α、m相應(yīng)的β值,再分別按下述公式計算相應(yīng)的h、b及V、A、R值。

(7)

(8)

(9)

式中:α為水力最佳斷面流速與實用經(jīng)濟斷面流速的比值;β為實用經(jīng)濟斷面底寬與水深的比值;h、V、A、χ、R、b、β分別為實用經(jīng)濟斷面水深、流速、過水?dāng)嗝婷娣e、濕周、水力半徑、底寬;

經(jīng)計算,實用經(jīng)濟斷面成果表詳見表2。

表2 實用經(jīng)濟斷面計算成果表

本工程渠道沿線地質(zhì)條件較好、不受地下水干擾;僅洪水季節(jié)引水,最大引水流量為40 m3/s,考慮小流量渠道運行的流速、水深條件,結(jié)合工程的施工條件,確定引水渠采用寬淺式梯形斷面,考慮減少渠道滲漏與蒸發(fā)的損失,渠底寬擬定為4.0 m,對應(yīng)的40 m3/s引水流量時水力要素見表3。

表3 引水渠道水力要素表

4.4 渠道水流流態(tài)判別

渠道臨界水深以hk表示,根據(jù)《水力學(xué)》臨界水深應(yīng)滿足的條件為:

(10)

(11)

對于梯形斷面面積Ak=(b+mhk)hk和水面寬度Bk= b+2mhk代入臨界流方程可得:

(12)

將上式整理成迭代公式為:

(13)

以hk=0代入上述等式右端可得迭代初值公式為:

(14)

由上述公式計算出迭代初值為2.169,迭代計算過程及結(jié)果列于表4中:

表4 迭代計算結(jié)果

經(jīng)過迭代計算,得出臨界水深hk=1.688 m,對應(yīng)的臨界流速vk=3.41 m/s,本次設(shè)計正常水深h=1.75 m,對應(yīng)流速v=3.26 m/s,因此判斷引水渠道中水流為緩流,重力作用大于水流慣性力作用,流態(tài)較穩(wěn)定,可為渠道設(shè)置多跌水創(chuàng)造有利條件。

4.5 襯砌結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)項目所在地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、當(dāng)?shù)夭牧蠗l件,結(jié)合工程使用耐久性、施工便利性、工程投資、管理運行等方面的因素,對當(dāng)?shù)爻Ｒ姷娜N渠道襯砌結(jié)構(gòu)形式進行比較選擇,綜合確定襯砌方案,見表5。

(1)方案一:渠道底采用厚30 cm厚C25細(xì)粒砼砌卵石,渠底以上邊坡0.5 m高度采用厚30 cm的細(xì)粒砼砌卵石,其余邊坡采用15 cm厚的C25現(xiàn)澆砼板襯砌。

(2)方案二:渠道底部及邊坡采用30 cm厚C25細(xì)粒砼砌卵石。

(3)方案三:渠道全斷面襯砌C25現(xiàn)澆砼板,渠道底部砼板厚30 cm,邊坡砼板厚15 cm。

通過上述方案比選,方案一單位長度投資較適中,采用復(fù)式襯砌結(jié)構(gòu)斷面,利用了各類襯砌材料的優(yōu)勢,施工技術(shù)成熟,引水安全,耐久性好;方案二單位長度投資較少,施工難度大,且大面積砌石施工進度慢,施工質(zhì)量難以保證;方案三單位長度投資較高,雖然該方案施工工藝簡單、維修方便,但砼板抗磨損能力差。

因此,結(jié)合臺蘭河多泥沙的實際情況,渠道橫斷面防滲方案采用方案一,即在同一斷面不同位置采用不同襯砌結(jié)構(gòu),渠道底板及下邊坡襯砌細(xì)粒砼卵砌石,上部邊坡襯砌砼板。根據(jù)當(dāng)?shù)厍肋\行經(jīng)驗,結(jié)合運行常水位,渠底至邊坡50 cm以下部分采用細(xì)粒砼卵砌石,襯砌厚度相應(yīng)加厚可有效抗凍脹和防沖刷破壞,且形成的戧臺可為邊坡襯砌砼板提供良好的基礎(chǔ)條件。由于引水渠道渠基主要為冰磧塊碎石層和砂卵礫石層,透水性強,在襯砌材料底部自下而上鋪設(shè)5 cm厚M10砂漿墊層、兩布一膜(150 g/m2+0.3 mm+150 g/m2)作為渠道防滲。綜上形成的復(fù)式襯砌結(jié)構(gòu)既利用了渠底卵石材料抗沖耐磨的優(yōu)勢,也發(fā)揮了現(xiàn)澆砼板工期較短的優(yōu)勢,同時鋪設(shè)土工膜,增強了垂直防滲的性能,減少輸水滲漏損失,對于多泥沙河流引水,能有效改善工程使用年限,具有施工便捷、造價經(jīng)濟、耐久性好、輸水效率高等特點。復(fù)式襯砌結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

表5 渠道復(fù)式襯砌結(jié)構(gòu)分析

圖1 渠道襯砌結(jié)構(gòu)圖

由于引水渠道沿線較長,跨越的溝道較多,引水渠道可能易受暴雨沖刷,或者由于施工原因?qū)⒉豢杀苊獾爻霈F(xiàn)防滲膜破壞,造成膜下滲水、積水,導(dǎo)致砼板頂托破壞情況的發(fā)生,如果設(shè)置了橫隔梁可以把襯砌板破壞限制在一定范圍內(nèi),遏制發(fā)生連續(xù)破壞。因此,引水渠道沿線每隔50 m設(shè)置一道寬0.3 m、深0.5 m的現(xiàn)澆砼橫隔墻。

4.6 綜合糙率的確定

本次設(shè)計的引水渠道防滲方式采用復(fù)式襯砌結(jié)構(gòu),渠道底板及下邊坡采用細(xì)粒砼砌卵石,渠道上邊坡采用現(xiàn)澆砼板,根據(jù)《灌區(qū)建筑物的水力計算與結(jié)構(gòu)計算》一書中有關(guān)推薦,按照下列公式計算綜合糙率。

(15)

(16)

(17)

式中:n綜為綜合糙率;n1為深槽部分的糙率,本次設(shè)計細(xì)粒砼砌卵石糙率取0.028;n2為灘槽部分的糙率,本次設(shè)計混凝土糙率取0.017;x1為深槽部分的濕周;x2為灘槽部分的濕周;其余符號意義同前。

經(jīng)計算,本次設(shè)計的引水渠道復(fù)式襯砌結(jié)構(gòu)斷面的綜合糙率為0.023 3,由于經(jīng)過多次試算調(diào)整,因此與確定實用經(jīng)濟斷面進行計算時的綜合糙率一致。

4.7 渠道岸頂超高

引水渠道為3級建筑物,根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,渠道岸頂超高按土石壩設(shè)計要求論證確定。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,渠頂在設(shè)計水位以上的超高按下式計算。

Y=R+e+A

(18)

式中:Y為渠頂超高(m);R為最大波浪在迎水坡上的爬高(m);e為最大風(fēng)壅水面高度(m);A為安全加高(m);渠道的級別為3級,A 設(shè)計=0.7 m;

通過確定設(shè)計風(fēng)速、風(fēng)區(qū)長度、波浪的平均波高、波浪的平均波長等參數(shù)計算平均波浪爬高和風(fēng)壅水面高度,得出渠頂安全超高計算結(jié)果見表6。

表6 引水渠道岸頂超高計算結(jié)果 m

根據(jù)表6計算結(jié)果,引水渠道岸頂超高為1.10 m,渠頂高度取2.90 m。根據(jù)灌溉排水規(guī)范,渠道襯砌超高值在設(shè)計水位以上可采用0.3～0.8 m,為了渠道施工方便以及渠道的穩(wěn)定運行,保證邊坡與壓頂?shù)慕Y(jié)合連續(xù),襯砌超高與岸頂超高同取1.10 m,即渠道全斷面襯砌。

4.8 渠堤寬度

根據(jù)灌溉排水規(guī)范,堤頂寬度應(yīng)根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析、渠堤管理及交通要求確定,中型及以上灌區(qū)干、支渠頂寬度不應(yīng)小于2.0 m,引水渠道為3級渠道,考慮工程建成后在左側(cè)渠堤設(shè)巡渠道路,確定引水渠左側(cè)渠堤寬度為5.0 m,右側(cè)渠堤寬度為2.0 m。

5 結(jié)語

本文以某平原水庫引水渠道為例,分析研究了梯形斷面渠道設(shè)計過程,由于斷面的復(fù)式襯砌結(jié)構(gòu),確定底寬試算的同時,綜合糙率發(fā)生相應(yīng)的變化,導(dǎo)致確定渠道實用經(jīng)濟斷面尺寸具有一定的聯(lián)動性,需要反復(fù)試算并驗證確定。引水渠道工程斷面通過比選分析研究采用復(fù)式襯砌結(jié)構(gòu),針對透水性強地區(qū)、多泥沙河流引輸水工程,具有引輸水利用率高、造價經(jīng)濟、施工便利、耐久性好的優(yōu)勢,極大地改善了工程使用年限。