鄂北水資源配置工程2016年11標輸水干渠水面線銜接分析

常 峻 左文濤 楊 凡 唐 昕

1 工程概況

鄂北水資源配置工程2016年第11標段（張家橋明渠—河口灣明渠，樁號217+150—233+855）位于湖北省廣水市，設計輸水流量7.4m3/s，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，設計洪水標準30年，校核洪水標準100年。干渠建筑物總長16.705km，包括明渠0.705km、隧洞13.82km、暗涵0.99km、渡槽0.73km、倒虹吸0.35km。

2 分析思路

本工程干渠距離較長，建筑物種類多樣，且本標段與前后標段銜接水位分別為106.84m和104.81m，水頭分配有限。水面線銜接需要綜合考慮沿程和局部水頭損失、流速水頭等影響，并以上下游水面平順銜接、無突變段（點）、防止壅水或跌落、各輸水建筑物渠底正坡連接、斷面水流能量相等或近似相等為原則進行分析。

首先確定各類型建筑物均勻流條件下的正常水深，參照正常水深的不同，確定不同類型建筑物銜接位置處的底板高差，通過漸變段連接相鄰建筑物，并根據干渠起始點水位以及建筑物縱坡推算出全線各類建筑物渠底設計高程。由此確定的干渠水面線在不同類型建筑物銜接位置的水面高程非常接近，水面銜接平順，能有效降低因壅水或跌水造成的水頭損失。

3 水力計算

3.1 正常水深計算

無壓輸水建筑物滿足明渠均勻流條件，過水能力按明渠均勻流公式計算，其計算公式如下：

式中 Q——設計流量，m3/s；

A——過水斷面面積，m2；

C——謝才系數；

n——糙率；

R——水力半徑；

i——建筑物縱坡。

針對各種斷面形式的明渠均勻流正常水深的計算，傳統采用查表、試算、迭代等方法，計算過程繁瑣，公式復雜并且精度不高。目前國內外學者對各類型無壓輸水建筑物斷面形式的水力計算問題進行了較為深入的分析和研究，并且得到了許多直接近似計算公式，解決了不少工程實際問題。本文對矩形、梯形、馬蹄形和城門洞形明渠均勻流正常水深的計算分別采用文獻[1-3]中所列出的近似計算公式，此處不再詳列。

3.2 水頭損失計算

3.2.1 無壓輸水建筑物水頭損失計算

式中 Δh——水頭總損失，m；

L——建筑物長度，m；

λ——局部水頭損失系數，漸擴斷面λ=0.3；漸縮斷面λ=0.2；

v——斷面流速，m/s；

g——重力加速度，g=9.81m/s2。

3.2.2 有壓輸水建筑物水頭損失計算

式中 hf——沿程水頭損失；

hj——局部水頭損失。

3.3 渠底高程計算

輸水干渠全線采用無壓結合有壓的自流輸水方式。在求解線路水面高程時，先沿線將線路分解為若干個有壓和無壓輸水段，其中無壓輸水建筑物按均勻流計算，流態為緩流。為盡量縮短在建筑物斷面變化位置附近出現的非均勻流段長度，可根據相鄰建筑物均勻流狀態下的正常水深調整渠底高程，通過漸變段連接。進行水力設計時，無壓與有壓輸水建筑物相交斷面的水深和流速為無壓輸水建筑物均勻流正常水深和相應流速，輸水線路示意圖如圖1所示。

圖1 輸水線路示意圖

在圖1中選取A-F段線路進行水面高程分析計算，該段線路分為無壓段1、有壓段、無壓段2。已知沿線無壓輸水建筑物中隧洞、暗涵、明渠長度分別為 l1、l2、l3，縱坡分別為 i1、i2、i3，均勻流正常水深分別為h1、h2、h3，流速分別為v1、v2、v3，線路起始斷面A的底板高程為ZA，水面高程為HA，設沿線典型斷面B、C、D、E、F渠底高程分別為 ZB、ZC、ZD、ZE、ZF。

首先對無壓段1進行分析，典型斷面B、C之間是兩種建筑物斷面的銜接段，為保證上下游水面平順銜接，擬定HB≈HC，可由ZB推出ZC。線路起始斷面A處渠底高程ZA可由起始斷面水面高程減去正常水深h1得到，同一類型建筑物可由縱坡推算出各斷面渠底高程，由此可從前至后推算出各無壓段渠底高程，計算公式如下：

接著分析有壓段，上游斷面D水深和流速等于暗涵均勻流正常水深h2和流速v2，已知有壓段水頭損失經計算為hw，根據能量方程可計算有壓段首末端底板高程差，并由此推算前后無壓段渠底高程，計算公式如下：

4 計算條件

4.1 斷面尺寸

鄂北水資源配置工程11標段干渠建筑物包括明渠7座，其中矩形斷面明渠5座，梯形斷面明渠2座；無壓隧洞8座，其中城門洞形斷面隧洞5座，馬蹄形斷面隧洞3座；暗涵5座，均為矩形斷面；渡槽1座，為矩形斷面；倒虹吸1座，為矩形斷面。由于本標段全線設計流量均為7.4m3/s，為方便水面線銜接，同一類型建筑物斷面尺寸保持一致，各建筑物斷面尺寸見表1。

表1 干渠建筑物斷面尺寸

4.2 水力計算參數

4.2.1 建筑物縱坡

隧洞之間交叉建筑物設計縱坡主要以隧洞水力設計參數控制，保證與隧洞水流連接平順過渡；渡槽以適當減小斷面尺寸，降低槽身重量，并使水面銜接平順的原則設計縱坡；矩形明渠和暗涵均與隧洞相連接，設計縱坡和相鄰隧洞保持一致；梯形明渠位于干渠下段，按照前后連接建筑物水力特性及水頭分配等因素確定設計縱坡。鄂北工程11標干渠矩形明渠、暗涵以及隧洞的設計縱坡均為1/9600，渡槽的設計縱坡為1/3500，梯形明渠的設計縱坡為1/25000。

4.2.2 糙率

張家橋明渠—河口灣明渠段，梯形明渠糙率采用0.016，隧洞、矩形明渠、暗涵、渡槽糙率均采用0.015。

4.2.3 凈空高及凈空面積比

本階段隧洞、渡槽、暗涵凈空面積比均按20%左右控制；隧洞凈空高度不小于400mm，矩形暗涵和渡槽凈空高度不小于凈高的1/6。

5 計算成果與分析

鄂北水資源配置工程第11標段輸水干渠在正常運行工況下全線水力學計算成果見表2。

計算結果表明，不同建筑物類型以及斷面型式對應的明渠均勻流正常水深差別較大，通過對不同建筑物銜接段水面線分析確定建筑物渠底高程，并由漸變段相互連接組成的輸水干渠，全線水面線銜接平順，未發生壅水和跌水現象，水面坡降與建筑物渠底坡降相當，充分利用了本標段分配的水頭；并且各輸水建筑物過流能力充足，凈空高度與凈空率均能滿足設計要求。

表2 輸水干渠全線水力學計算成果