渠道特性曲线与断面计算及渗漏分析

陈居乾

(甘肃省兰州市就业和人才服务局，兰州　730000)



渠道特性曲线与断面计算及渗漏分析

陈居乾

(甘肃省兰州市就业和人才服务局，兰州730000)

摘要：在调水、引水及供水工程中，各类引输水渠道通常多与隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物间断分布，构成引输水连接建筑物，通常可分为黄土、岩石及砂砾石与碎石土等不同渠基类型。通过实例对局部水头损失、不淤流速和渗漏损失进行计算分析，以及通过黄土及岩石典型渠基类型渠道实例水力学计算确定水力要素，绘制设计断面与相应水力参数特性曲线，确定水力最佳断面范围，选定设计实用经济断面，为引输水渠道工程设计提供借鉴和参考。

关键词：渠道类型；渗漏分析；水力要素；特性曲线；实用经济断面

1渠道及其断面类型

在调水、引水及供水工程中，各类引输水渠道通常多与隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物间断分布，构成引输水的连接建筑物。渠道地基通常有黄土渠基、岩石渠基，以及砂砾石与碎石土渠基等，按照渠基类型的不同，分别确定其断面和衬砌形式。随着水资源的日益紧缺，全社会节水意识的提高，各类引输水渠道大都采用不透水材料衬砌，以大力提高引输水水量的利用效率，提高工程效益，并确保渠道安全。

(1) 确定渠道断面形式基本原则

渠道断面形式确定的基本原则[1]，主要包括挖填土方与衬砌工程量及投资节省；运用稳定、安全可靠；调水、引水及供水工程渠系总体设计控制高程；引输水不淤和不冲；与隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物引输水水流总能量相等，水深一致，水面平顺衔接，且正坡相接，便于放空排水和维护检修[2]；断面形式不宜过多变化，便于施工，不应选择复杂的多级复式断面形式；尽量符合水力最佳断面的条件[3]。

(2) 不同渠基类型渠道

按照不同基础，渠道通常可分为黄土、岩石及砂砾石与碎石土等不同渠基类型[4]。

1) 黄土渠基类型渠道：一般采用梯形、矩形及“U”形断面。梯形和矩形适用于中、大输水流量渠道；“U”形适用于小流量渠道；矩形断面特别适用于与其所衔接的垂直直墙形式隧洞、暗渠、明洞和渡槽等输水建筑物[5]。梯形渠道一般采用预制混凝土板(块)或现浇混凝土衬砌形式；矩形渠道一般采用现浇混凝土重力式两侧挡墙、分离式底板结构形式衬砌，以及现浇钢筋混凝土整体式结构衬砌形式；“U”形渠道采用混凝土预制构件形式。其工程设计主要考虑采取防渗、防地基湿陷及抗冻胀处理技术措施。

2) 岩石渠基类型渠道：一般采用矩形断面，为现浇混凝土重力式两侧挡墙、分离式底板结构形式衬砌，以及现浇钢筋混凝土整体式结构衬砌形式。

3) 砂砾石与碎石土渠基类型渠道：一般结合黄土渠基及岩石渠基类型，主要考虑地基工程地质条件综合确定，一般有梯形、矩形及“U”形等断面形式，其工程设计主要考虑采取防渗、防地基湿陷及抗冻胀处理技术措施。

(3) 渠道设计纵坡

渠道与各类引输水隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物短距离连接时，其设计纵坡与所衔接不同建筑物相同[6-7]，一般为1/1 000～1/3 000；当渠道渠线较长时，设计纵坡一般按照不淤和不冲流速、引输水水面平顺衔接，以及调水、引水及供水工程渠系总体设计控制高程确定，一般为1/1 000～1/6 000。

2渠道实用经济断面类型及其计算选定步骤

2.1实用经济断面类型

引输水渠道断面一般均采用实用经济断面，其断面形式[8]一般可划分为以下3类：

窄深式：0.6 ≤B/h≤2.5；

宽浅式：2.5 ≤B/h≤10；

极宽浅式：10 ≤B/h≤50。

式中：B为渠底宽，m；h为渠道水深，m。

2.2实用经济断面主要计算选定步骤

(1) 在渠道引输水水力糙率n、纵坡i、流量Q，以及渠坡边坡系数m已确定的条件下，通过水力学计算并绘制B=f(h)关系曲线[9]。

(2) 在B=f(h)关系曲线上找出最佳过水断面的范围，即当过水断面面积ω和湿周χ变化很小时，水深h和底宽B变化幅度却比较大。因此，在水力最佳断面范围内选择一种合适的断面尺寸，此即为实用经济断面。

(3) 工程设计实践当中，只要符合下述3个条件，可确定符合水力最佳断面条件：

1) 当水深h变化为最佳断面水深的60%～160%；

2) 底宽B变化范围在40%～290%之间；

3) 过水断面面积ω较最佳断面面积减少2%或增加4%。

3渠道设计中需注意的关键问题

3.1局部水头损失计算

引输水渠道与隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物连接，其局部水头损失按淹没宽顶堰公式计算[10]：

(1)

式中：Q为引输水流量，m3/s；ε为侧收缩系数，取ε=0.95；φ为流速系数，取φ=0.95；ω为过水断面面积，m2。

(2)

式中：Z0为包括行进流速在内的进口水头损失，m；Z1为进口局部水头损失，m；α为流速分布系数，α=1.0；V为平均流速，m/s；g为重力加速度，g=9.81 m/s2。

局部水头损失计算以渡槽为例，引输水流量36.0 m3/s、过水断面面积15.03 m2、进出口衔接渠道流速1.378 m/s，则按照上式计算得Z0=0.361 m、Z1=0.264 m。

渡槽出口由于流速由大变小，动能转化为势能，致使水位回升Z3，采用原水电部北京勘测设计院编制的“进口水头损失与出口水位回升关系表”(表1)查表取值。

表1　渡槽进口水头损失与出口水位回升关系表

根据渡槽进口局部水头损失Z0、Z1计算结果，查表1得出口水位回升Z3=0.09 m，进而求得考虑出口水位回升后的局部水头损失Δh局=0.174 m。依据局部水头损失计算，可确定渠道与其它引输水建筑物隧洞、暗渠、明洞及渡槽之间的水面衔接。

3.2不淤流速验算

当渠道引输水流量较小、流速较低时，需要核验是否产生淤积[11]。按引输水流量15.0 m3/s，允许带入渠道泥沙粒径d≤0.15 mm要求进行验算。

吉尔土坎公式：

(3)

扎西―岗察洛夫公式：

(4)

式中：R为水力半径，m。

若按扎西―岗察洛夫公式计算结果，渠内流速大于不淤流速；若按吉尔土坎公式计算结果，则渠内流速基本上大于或接近不淤流速，可结合具体情况分析确定。

3.3渠道渗漏损失计算

(1) 未防渗梯形渠道渗漏量计算

按引输水流量32.0 m3/s，中等透水土壤渠基进行未防渗渠道渗漏量计算[12]。

考斯加可夫公式：

(5)

维捷尔尼科夫公式：

(6)

式中：A、m分别为渠基相关系数，根据渠基状况，分别取1.9、0.4;δ为每公里渠长水量损失率；β为每米渠长渗漏损失流量，m3/s；B′为水面宽，m；K为渗漏系数，m/d；根据渠基状况，取0.040～0.231 m/d；α为边坡夹角；K/K1值根据B/h值确定。

考斯加可夫公式计算得每公里渠长水量损失率0.475%、损失流量0.152 m3/s；维捷尔尼科夫公式计算得每公里渠长水量损失率1.706%、损失流量0.546 m3/s。因此，渠道若不采取防渗工程技术措施，其水量渗漏损失较大，不仅会降低工程效益，还会影响渠道安全运行[14]。

(2) 混凝土预制板(块)衬砌梯形渠道渗漏量计算[15]

乌里希公式：

(7)

式中：q为单位时间渗漏量,m3/d；δ1为渠道边坡防渗层厚度,m；δ2为渠底防渗层厚度,m。

根据原水利部西北水科所资料，混凝土预制板(块)渗漏系数为0.000 5 m/d。当引输水流量32.0 m3/s、h=3.58 m、B=2.5 m、δ1=δ2=0.08 m、α=33°41′，以及边坡系数1.5时，计算得单位时间渗漏量0.207 m3/d；每公里渠长水量损失率(7.487×10-5)‰；每公里渠长损失流量2.396×10-6m3/s。

由计算可知，渠道衬砌后水量利用率可达99.8%以上，质量良好的混凝土预制板(块)防渗漏效果优异，其它引输水建筑物隧洞、暗渠、明洞及渡槽一般采用混凝土衬砌，防渗漏效果更佳，水量损失甚微，可忽略不计。

4典型渠基渠道实用经济断面计算及断面选定实例

4.1黄土渠基渠道

黄土渠基梯型断面引输水渠道[5]，预制混凝土板(块)衬砌，以边坡系数1.5、纵坡1/6000、引输水流量36.0 m3/s、水力糙率0.017为计算条件。通过水力学计算确定不同渠底宽情况下的水深及流速等水力要素，其中包括水力最佳断面计算1组，水力计算成果见表2，并据此绘制黄土渠基渠道特性曲线，见图1。

图1　黄土渠基渠道特性曲线图

依据水力最佳断面要素，由渠道特性曲线(图1)可知，水深在2.98～3.92 m范围内都接近水力最佳断面，相应渠底宽2.0～6.0 m。

按照渠道断面形式确定基本原则，根据水力最佳断面要素，设计选定黄土渠基梯形实用经济断面渠底宽2.5 m、水深3.78 m，水力要素计算结果列于表3。

表2　黄土渠基渠道水力学计算成果表

表3　黄土渠基渠道实用经济断面水力要素表

4.2岩石渠基渠道

岩石渠基矩形断面引输水渠道，现浇钢筋混凝土衬砌，以纵坡1/4000、引输水流量35.0 m3/s、水力糙率0.017为计算条件。通过水力学计算确定不同渠底宽情况下的水深及流速等水力要素，其中包括水力最佳断面计算1组，水力计算成果见表4，并据此绘制岩石渠基渠道特性曲线，见图2。

依据水力最佳断面要素，由渠道特性曲线(图2)可知，水深在3.04～4.30 m范围内都接近水力最佳断面，相应渠道底宽6.0～8.5 m。同样道理，设计选定岩石渠基矩形实用经济断面渠底宽6.9 m、水深3.7 m，水力要素计算结果列于表5。

图2　岩石渠基渠道特性曲线图

底宽B/m水深h/m过水面积ω/m2湿周χ/m水力半径R/m流速V/(m·s-1)超高Δh/m渠深H/m渠口宽B1/m衬砌周长X/m渠槽挖方W/m3渠槽以上挖方W上/m3流量Q/(m3·s-1)备注4.07.0728.1218.061.5551.2470.67.634.0019.2530.527.235 4.56.0227.1016.541.6361.2900.66.624.5017.7229.831.335 6.04.3025.8014.601.7701.3550.64.906.0015.8029.445.035 7.03.6625.6014.321.7871.3610.64.267.0015.5129.855.535 7.153.5825.6014.311.7871.3670.64.187.1515.5129.957.335水力最佳断面8.03.2225.7514.441.7801.3600.63.828.0015.6430.667.235 10.02.6326.3015.261.7201.3300.63.2310.0016.4632.393.835

表5　岩石渠基渠道实用经济断面水力要素表

5结语

在调水、引水及供水工程中，各类引输水渠道通常多与隧洞、暗渠、明洞及渡槽等不同建筑物间断分布，构成引输水的连接建筑物，通常可划分为黄土、岩石及砂砾石与碎石土等不同渠基类型。渠道断面形式一般划分为窄深式、宽浅式与极宽浅式3类，通过水力学计算并绘制水深与底宽等关系曲线，找出最佳过水断面范围并选择实用经济断面。工程设计实践中，依据水深变化占最佳断面水深百分比、底宽变化幅度，以及过水断面面积较最佳断面面积增减幅度等，确定是否符合水力最佳断面条件。

对局部水头损失、不淤流速，以及水量渗漏损失率和损失流量等渠道设计中需注意的关键问题，进行了针对性举例计算分析。通过黄土及岩石渠基两典型类型渠道工程实例水力学计算，确定水力要素，绘制水深与底宽、水力参数、衬砌周长、挖方量之间特性曲线，确定水力最佳断面范围，选定设计实用经济断面，为引输水渠道工程设计提供借鉴和参考。

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Canal Feature Curve and Section Calculation and Seepage Analysis

CHEN Juqian

(Lanzhou Municipal Bureau of Employment and Talent Service, Lanzhou730000，China)

Abstract:In water diversion and supply projects, the water transmission canals mostly are connected to tunnels, underground canals, open tunnels and aqueducts, etc which are discontinuously distributed and form the water transmission structure. The canals are classified in loess soil, rock and sandy gravel & gravel soil, etc in type. Through analysis on local head loss, flow velocity without sediment and seepage loss as well as the hydraulic calculation and determination of the hydraulic factors of the canal practice in loess soil and rock, the design sections and corresponding hydraulic parameter curves are mapped respectively so that the optimum hydraulic section scope is determined, the practical and economic section is selected and designed. This provides the engineering design of water transmission canal with reference.

Key words:canal type; seepage analysis; hydraulic factor; feature curve; practical economic section

中图分类号：TV133

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.011

作者简介：陈居乾(1992- ),男,甘肃省会宁县人,从事水利水电工程设计.

收稿日期：2015-06-09

文章编号：1006—2610(2016)01—0043—05

致谢：本文承蒙甘肃省水利水电勘测设计研究院副总工程师陈晓东审阅和指导，特此致谢！