跨流域调水工程输水建筑物糙率研究

任 强

(南水北调中线建管局天津建管部 天津 300134)

1 工程概况

引洮供水工程是甘肃省在建的大型跨流域调水工程,其建设任务是重点解决中部干旱地区城镇生活及工业用水、灌溉及农村人畜饮水、生态环境用水等。引洮供水一期工程总干渠自九甸峡枢纽水库右岸取水,全长 110.47km,其中:隧洞 15座,总长度 93.52km;渡槽 9座,总长度 1.76km;暗渠22座,总长度 3.72km;明渠 11.21km;总干渠平均纵坡 i=1/1534。隧洞为总干渠主要建筑物,占全长的 84.7%。总干渠设计流量为 32m3/s,加大流量为 36m3/s,隧洞纵坡 1∶1500,矩形渡槽纵坡1∶1300,U形渡槽纵坡 1∶1250,暗渠纵坡 1∶1500和 1∶2000。隧洞工程分为钻爆法施工及 TBM全断面掘进机施工两大类,支护衬砌型式各不相同。钻爆法施工隧洞 13座,总长度 57.90km,采用一次支护喷锚,二次衬砌模筑钢筋混凝土的复合式;TBM全断面掘进机施工隧洞 2座,总长度35.49km,采用预制钢筋混凝土管片龟背式纵横向拼接衬砌;渡槽及暗渠建筑物均为模筑钢筋混凝土结构。

2 研究目的及意义

糙率 n的取值是水力计算中的一个常规问题,但对于长距离输水工程,其合理选取糙率 n值意义重大。相关设计规范中的糙率系数沿用 20世纪施工技术和工艺水平条件下的推荐值,随着施工工艺水平的提高,实际糙率 n值虽小于推荐值,但如何科学合理的选取,设计单位却没有可以准确把握的依据。

引洮供水工程是以隧洞为主的长距离输水工程,工程设计中水力糙率取值对输水建筑物断面确定起着至关重要的作用,直接影响输水断面大小和工程建设投资。评估预计南水北调中线工程北京干线糙率 n值每降低 0.001,就会使工程包括泵站的投资减小数亿元;万家寨等输水工程隧洞设计中由于糙率选取较保守,建成后均存在实际糙率较设计值偏小的问题。

因此,结合工程输水建筑物结构设计特性,以及施工方式、混凝土浇筑技术水平,选择已建成的类似工程,通过原型观测及科学研究,确定不同类型建筑物能够达到的最小及平均水力糙率,为引洮工程设计时合理选用糙率提供科学依据,并最终达到减小输水断面,降低工程建设投资的目的,其经济效益和社会效益十分显著。因此,对引洮供水一期工程总干渠输水建筑物水力糙率进行科学研究是非常必要的。

3 水力糙率研究的历史、现状与进展

1775年法国工程师谢才提出了著名的谢才公式 v=C RJ,解决了明渠流速与水面比降的关系,系数 C称为谢才系数。谢才曾认为系数 C是个常数,但经后人的大量试验和实测资料表明 C值不是常数,而与过水断面形状、壁面粗糙度以及雷诺数等因素有关。计算谢才系数的公式很多,其中应用最为普遍的是 1889年爱尔兰的曼宁提出的曼宁公式,曼宁公式首次给出了谢才系数与水力半径和糙率的关系,进一步为谢才公式的实际应用创造了方便的条件。

近几十年来,国内许多设计、研究单位先后做了大量原型观测试验工作,取得了十分珍贵的实测糙率资料。这些研究资料表明,采用现代工艺施工的输水建筑物糙率系数和目前常用设计值0.014～0.016相比,要小 20%～30%,部分实际工程原型观测得到的糙率值与设计选用糙率值见表 1。

表 1 国内部分已建成输水工程实测糙率

4 研究方式、技术路线及方案

4.1 研究方式

引洮供水一期工程总干渠输水建筑物类型较多,具备典型的不同类型输水建筑物特征。结合不同类型输水建筑物,研究方式采用已建正常运行工程原型观测为主,结合理论分析与计算、辅以模型试验等科学技术手段,做到资料翔实,论据明晰准确,结论可靠。

原型工程确定为甘肃省引大入秦工程总干渠,该工程总干渠与引洮供水工程总干渠在工程规模和技术特性等方面均具有相似性,与引洮供水工程同属于甘肃省境内,开展研究工作时也便于协调配合。

研究内容结合引洮供水一期工程总干渠输水建筑物类型及混凝土浇筑或预制的不同施工条件,选择以下几种类型过水断面进行研究:①钻爆法施工隧洞、组合钢模板浇筑二次衬砌钢筋混凝土;②TBM全断面掘进机施工隧洞,预制钢筋混凝土管片衬砌;③组合钢模板浇筑钢筋混凝土矩形渡槽;④组合钢模板浇筑钢筋混凝土 U形渡槽;⑤小块混凝土预制板衬砌梯形明渠;⑥组合钢模板浇筑钢筋混凝土矩形明渠。

上述施工方式及断面形式均可在引大入秦工程选取相应渠段进行糙率原型观测研究。经过现场踏勘,试验观测渠段共选定 5处,分别为 30A隧洞,盘道岭隧洞,大沙沟渡槽,林坪沟 U形渡槽和林坪沟弧底梯形明渠。

4.2 研究技术路线与方案

输水建筑物糙率试验研究的关键技术是水位与流量的量测,这些数据应在原型输水工程中通过原型观测获取。输水建筑物的糙率与过水断面形状尺寸有关,模型试验研究很难达到原型观测的效果,因此研究以原型观测为主,采用先进量测设备和技术手段,获取高质量的原型观测数据,结合理论分析的技术路线进行研究。

本着安全、可靠、准确、先进的原则,对试验难度最大的隧洞水位量测,采用压力传感器和高精度超声波双水位监测技术,隧洞水位数据传输采用国际先进的 CAN(Controller Area Network)控制器局域网现场总线技术,试验过程实现了隧洞水位数据的自动化实时采集。为取得与水位数据同步完整的流量资料,隧洞流量亦采用自动化监测;考虑到试验成本,渡槽、明渠水位与流量量测采用人工测量的方案。

4.3 流量量测方案

本次试验流量量测实施人工量测与量水槽自动监测两种方案进行。鉴于隧洞采用水位自动监测系统,为取得与隧洞水位对应的实时流量数据,在引大入秦工程 30A隧洞出口疙瘩沟渡槽下游与盘道岭隧洞进口上游的车道口两处修建矩形渠道机翼形量水槽,并安装压力传感器进行水位自动监测,以实现试验过程中流量资料的连续实时采集。

(1)量水槽自动监测方案。隧洞流量用机翼形量水槽量测,机翼形量水槽是西北农林科技大学水建学院吕宏兴教授根据文丘里型量水槽的测流原理研究的新型量水槽,其量水槽外形仿真飞机机翼,具有良好的流体力学特征,适用于 U形渠道量水。为解决本次糙率原型观测流量量测的需要,专门在矩形渠道上对该量水槽进行了试验研究。试验研究结果表明,该量水槽用于矩形渠道流量量测效果十分理想,测流精度高,配用水位传感器可实现流量的自动监测。

矩形渠道机翼形量水槽是在矩形渠道两侧修筑仿机翼形槽壁,使之形成收缩断面,水流通过时产生临界流,从而具有稳定的水位流量关系,量测上游水深,可计算出渠道流量。

(2)流速仪测流方案。流速仪断面测流应在顺直渠段选定测流断面,测流垂线不少于 5条,每个测流垂线流速测点根据水深取六点法,测点设在0.0(水面 )、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0(渠底 )相对水深处。水深取六点法时,平均流速测算方法根据 SL 20—92《水文测流规范》计算。

5 引大入秦工程原型测验

2006年 7月下旬分阶段开始了原型水力糙率测验研究方案的设计、现场选点等前期准备工作,2006年 8月 10～20日完成了试验隧洞、渠道、渡槽观测段纵横断面的测量,2006年 8月 21日至 9月 11日进行隧洞水位自动监测方案的优化比较和方案的最终确定,同期进行了试验设备的采购、数据采集系统设计、软件开发、传感器标定以及系统预调试。9月 15日研究人员及设备全部按计划抵达引大工程试验所在地,两套隧洞水位自动采集系统于 9月 16日开始在盘道岭隧洞和 30A隧洞进行安装,同时对水位自动监测系统在安装前进行了室内 72h不间断调试,调试过程中系统运行稳定。9月 29日完成安装,同日进行了通水前的调试,调试过程一切顺利,两套隧洞水位自动监测系统工作正常。

2006年 9月 30日引大灌区冬灌开始,渠首开闸放水,水位监测记录显示水头于当日到达 30A隧洞 13断面 (桩号 60+700),流量稳定在 8m3/s后试验正式开始。由于采用了量水槽水位自动监测,两隧洞试验过程中 9月 30日至 11月 5日的流量变化过程一目了然。试验中渡槽和明渠试验段的水位采用人工观测,流量采用流速仪断面测流方法量测,流速仪量测与量水槽结果取得较好的一致。试验过程中曾多次发生雷雨天气,两只压力传感器因雷电而损坏,但所有超声波传感器完好无损,超声波传感器采集的水位试验数据完整,满足了试验要求。试验结果表明,本次试验关键的隧洞水位(包括量水槽上游水位)自动监测系统从软件、硬件技术到施工安装和电缆布设连接各个环节都经受了试验过程中洞内环境、外界雷电的考验,所采用的压力传感器和超声波水位双保险量测方案是正确而且十分必要的。

6 糙率原型测验结果与分析

30A隧洞试验段 6个水位监测断面共采集流量、水位数据 5144组,按不同流量级选取水位过程相对平稳的 25个时段的水位流量数据计算糙率,隧洞实测预制钢筋混凝土管片衬砌圆形断面平均糙率 0.012627。盘道岭隧洞试验段由三心圆拱直墙平底板矩形断面和圆拱直墙反底拱断面两段组成。由于断面形状不同,糙率监测计算分两段进行,两洞段各布置 3个水位监测断面,各段长度约 600m,共采集流量、水位数据 4970组,按不同流量级选取水位过程相对平稳的 17个时段的水位流量数据计算糙率,三心圆拱直墙平底板矩形断面实测平均糙率 0.01155,圆拱直墙反底拱断面实测平均糙率0.011521,与引滦入津隧洞原型观测的糙率 0.012比较,其施工条件与盘道岭隧洞均为钢筋混凝土钢模浇注衬砌,不同之处在于引滦入津隧洞糙率是包含了弯道在内的综合糙率值,而本试验隧洞均选在直线洞段,因此平均糙率略小于引滦入津隧洞糙率。30A隧洞平均糙率因存在管片缝隙影响,平均糙率则大于引滦入津隧洞的糙率。另外,上述 3种隧洞断面形状的糙率随水深的变化说明,过水断面形状是影响糙率值的一个重要因素。林坪沟 U形渡槽试验段设上下游两个观测断面,采用流速仪断面测流量,垂球法量测水位,试验共量测了 11组水位与流量,实测平均糙率为 0.01193。林坪沟弧底梯形明渠观测段量测了 8组水位与流量,实测平均糙率为 0.01369。大沙沟渡槽试验段选取 11组水位与流量,各级流量计算的平均糙率为 0.013364,糙率普遍偏大,经分析其主要原因是该糙率试验段下游车道口由于修建量水槽,导致量水槽上游水位壅高约 0.1～0.3m,从而使渡槽观测段水位壅高,致使反算得出的糙率系数偏大。

7 引洮工程总干渠设计糙率取值建议及应用

工程设计中为保证安全,应将壁面粗糙度、断面几何形状、弯道、渐变段、渠系建筑物、渠道淤积物、施工质量、使用年限、养护条件等因素一并归结到糙率中考虑,这时的糙率系数为综合糙率。在综合考虑以上因素的前提下,通过此次研究,建议钢模混凝土浇注施工隧洞设计糙率取值 0.013～0.0135,TBM全断面掘进机预制管片施工隧洞设计糙率取值 0.0135～0.014,小块混凝土预制板衬砌施工弧底梯形明渠设计糙率 0.014～0.015。

在依据本科研报告推荐糙率值的基础上,设计单位分析了引洮供水一期总干渠隧洞的具体运行状况、工程特点等因素,类比引大入秦总干渠隧洞断面设计特征,并参照现行水工隧洞相关规范的要求,综合考虑引洮供水工程总干渠实际能达到的二次衬砌浇筑水平,进行了隧洞设计方案优化,对初步设计报告批准的各类建筑物糙率值进行了调整,调整后各隧洞断面均有不同程度减少,总干渠工程节约投资约 3000万元。

8 结语

输水建筑物糙率取值问题随着我国长距离输水工程建设的发展和工程规模的扩大,愈来愈显示出其重要性。近年来,国内的有关设计研究单位对引滦入津、引黄、南水北调、以礼河、大朝山、碧口等工程做了输水糙率的原型观测试验研究,取得了十分有价值的研究成果。本次原型观测糙率科学试验断面类型更全 (5个断面形状),隧洞水位、流量观测技术更先进,取得了预期研究结果并在引洮工程得到了应用,可为类似工程设计提供借鉴。

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