运城市北赵引黄灌区二期工程渠道断面的优化设计与研究

2015-07-25刘文亮

山西水利科技 2015年1期

刘文亮

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原 030024）

1 工程概况

运城市北赵引黄灌区二期工程位于临猗、万荣、盐湖、闻喜四县（区）境内，主要解决以上四县（区）的峨嵋台地旱地问题。该区域水资源缺乏，耕地无法灌溉，通过兴建北赵引黄二期工程，可以充分利用北赵引黄工程现有的水利设施，有效地解决灌区干旱缺水问题，促进当地农业经济的发展。

2 渠道断面设计

运城市北赵引黄灌区二期工程渠道设计流量为4.05 m3/s，在限定流量的条件下，渠道断面的优化设计已成为渠道水力条件、输水效率及工程的经济性最重要的制约因素之一。结合工程实际，按照水力最佳断面的设计原理，研究梯形断面与U形断面的设计。

2.1 明渠均匀流计算

渠道断面尺寸是根据渠道设计流量通过水力计算加以确定，通常采用明渠均匀流计算公式计算，计算公式如下：

式中：Q——渠道设计流量，m3/s；

A——渠道过水断面面积，m2。

R——水力半径，m；

Χ——湿周，m；

i——渠道比降；

C——谢才系数；

n——粗糙系数。

本工程在流量Q=4.05 m3/s，渠底坡度i=1/2 000，粗糙系数n=0.015的条件下进行研究。

2.2 水力最佳断面

在流量、渠底坡度和粗糙系数等一定条件下，得到的最小过流断面面积。或者是在一定的过流断面面积、渠底坡度和粗糙系数等条件下，使渠道通过的流量最大。满足上述条件的断面形式称为水力最优断面。

2.2.1 梯形断面

按照明渠均匀流计算原理，梯形断面见图1，有如下公式：

式中：h——水深，m；

b——底宽，m；

B——水面宽，m；

m——边坡系数，m=1.25。

图1 梯形渠道断面

梯形断面的水力最优条件,即在工程条件下，得到的最小过流断面面积或者最小湿周。

明渠均匀流的计算公式（1）可改写为

可以看出：在i、n及A给定的情况下，水力半径R最大，即湿周Χ最小的断面可以通过最大的流量。

湿周Χ最小：

取最小值，其中，在i、n及A给定的情况下，A可近似为常数。

求导：

说明水力最优断面为正六边形下半部分，代入原式即为最优断面。

2）若边坡系数m受限制被取定后，湿周仅随水深而变化,最小的条件是：

求导：

得

说明：梯形水力最优断面的水力半径等于水深的一半，且与边坡系数无关。

我们认识王维，多是通过他颇富禅意的诗句：“远看山有色，近听水无声。春去花还在，人来鸟不惊。”在远处，我们好像可以看见山川青翠的颜色，走近看，却听不到流水的声音。春天已经过去，花儿还在那儿开着，人来了，鸟儿却丝毫没有受到惊吓。读他的《画》，便如同画在眼前，怪不得苏轼称赞他说：“味摩诘之诗，诗中有画；观摩诘之画，画中有诗。”

上式为梯形断面水力最优断面的水深公式，其为Q、n、i和m的函数，比起以前的查表、试算，更加快捷、高效，对工程设计有积极的意义。

2.2.2 U形断面

按照明渠均匀流计算原理，U形断面见图2，有如下公式：

图2 U型断面图

式中：B——水面宽，m；

h——水深，m；

h1——圆弧段水深，m；

h2——直线段水深，m；

r——弧底圆弧半径，m；

l——圆弧上部水深为h时直线段长度，m；

θ——圆心角（rad），θ=2β；

α——直线段外倾角（rad），α与β互余；

m——边坡系数，m=cotβ=tanα=1.25

渠道过水断面面积A最小：即，式（19），取最小值。

渠道过水断面面积A最小的条件是：

求导：

此时，由上式可知，水面过圆心。也就是，r=h=h1+h2时，U形断面满足水力最优条件。

上式为U形断面水力最优断面的水深公式，其为Q、n、i、α、β和θ的函数，α、β和θ具有关联性，由一个可求知另两个，也可由m推求。比起以前的查表、试算，更加快捷、高效，对工程设计有积极的意义。

2.3 梯形断面和U形断面对比及分析

按照运城市北赵引黄灌区二期工程的实际工程条件，通过水力计算，结果如表1。

表1 梯形断面及U形断面水力计算表

通过对梯形断面和U形断面水力计算，结果见表1，我们可以得出这样的结论：在给定的工程条件下，U形断面的过流能力大于梯形断面的过流能力；U形断面的湿周小于梯形断面的湿周，即相应在工程量方面，U形断面较之梯形断面的工程量将减小1%。

在工程设计中，除了考虑断面的过流能力，还需要考虑施工、经济等多方面的因素。U形断面渠道是采用底部为半圆或弧形、上部为一定倾角直线段的断面形式，与梯形断面渠道相比，具有流速分布均匀，近似最佳水力断面，过流能力强。随着施工工艺的提高，U形断面渠道，采用机械施工工效高，速度快，质量好，整体性强，投资少，且便于管理。故，本工程渠道采用U形断面设计。