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装配式水利U型渠的结构研究

2017-03-08

黑龙江水利科技 2017年12期
关键词:渠底糙率流速

胡 新

(山西省东山供水工程建设管理局,太原 030001)

0 引 言

装配式U形渠是传统的U形渠结构与工业装配工艺形式相结合的一种水利渠道形式,其施建简单,功能适用,符合我国水利发展背景,是一种不错的水渠建造适用技术。文章探究装配式U形渠的结构配筋、横断面以及支撑形式等一系列结构和施建技术要点,以为同类工程应用提供技术参考。

1 装配式U形渠简介

农田灌溉工程中我们经常会使用U形渠道,按照不同的施工方法可以把它分为现接式和预制装配式,装配U形渠成品质量容易控制,由于把材料放在相对固定的场地进行施工,因此便于批量生产,同时由于它占地面积小,可以使场地得到充分的利用,大大提高了周转效率。U形渠多采用钢筋混凝土结构,其断面特征较为统一,多为半圆形加直线的形式。渠壁顶端尺寸要比中间大,只有这样才可以有效提高U形渠自身刚度两侧的肋板起支撑作用,在拼接过程中不需要填土护坡,因此可以省下大量的土[1]。除此之外,渡槽装配U形渠内壁相对光滑,流速增大从而避免了渠道内部滋生杂草,降低了清理、维护工作量。装配式U形渠如图1所示。

图1 装配式U形渠水利应用图

装配式U形渠使用的是承插式连接方式,改变了传统的平缝连接,这种连接方式具有连接紧密、防渗性能好等优点,除此之外,承插式连接还大大提高了渠壁的抗弯强度,装配式U形渠使用范围非常广泛,除了在农田灌溉中发挥巨大作用以外,还可以用于道路排水工程以及农田渠道排水[2]。

2 装配式U形渠身结构配筋、弯矩及轴向力参数

1)UD60型号装配式U形渠身结构及配筋分布如图2所示。

图2 UD60型号装配式U形渠身结构及配筋分布

2)UD60型号装配式U形渠操向弯矩参数如表1所示。

表1 UD60型号装配式U形渠操向弯矩参数一览表

3)UD60型号装配式U形渠身轴向力参数如表2所示。

表2 UD60型号装配式U形渠身轴向力参数一览表

3 装配式U形渠横断面设计

渠道断面,具体如图如3所示。

图3 U形渠道断面

图3显示,该渠道下半部分为半圆形,上部为向外倾斜的直线段,并且半圆与直线之间存在着相切的关系。外倾角α在5°-20°之间,外倾角与渠槽深度之间存在着正比的关系,随着渠道深度的增加外倾角会随之增大。为了满足灌溉的需要,较大的U形渠断面可以稍微浅一些,宽度与深度的比为B/H=1.30-1.50,相反的如果U形渠道较小,那么渠道应该变得窄深一些,而宽深比也可以减小至1.0。

U形渠道的渠壁超高a1参数值,如表3所示。

表3 渠壁超高a1参数值表

U形渠道断面参数值的经验关系,如表4所示:

表4 装配式U形渠断面经验关系参数表

4 渠身纵向支撑形式和跨度设计

渠身放置在镇墩上,一方面可以起到纵梁支撑的作用,另外一方面也起到了很好的输水作用。但是在实际施工过程中我们往往会把渠身分为很多个小节,从而避免在地基不均匀沉降或者是温度变化过大时渠身出现裂缝[3]。温度变化的时候混凝土结构很容易出现收缩裂缝,若裂缝没有得到有效控制,对于渡槽装配U形渠来说势必造成大量水资源的浪费。因此当地基条件不利于施工或者是渠高过大的时候,必须设计的跨度也相应增大,当渠深较浅的时候使用小跨度便可满足要求。渠身发挥着纵向梁的作用,因此在施工时需要在渠身中加入较多的钢筋。查阅有关资料发现,对于小形渡槽结构设计来说,简支梁的跨度取值范围在30-70cm。

5 渠道断面水力设计的相关参数

5.1 渠床糙率系数

渠床粗糙度通常用糙率系数n表示,n是一个常数,它可以通过计算求出也可以根据以往施工经验确定。糙率系数与渠道设计质量有着密切的关系,若n取值不精确势必影响设计精度,对于后期农田灌溉来说非常不利[4]。一般情况下取值越大,那么工作量就会增加,与之对应施工成本也会居高不下。若取值过小,可能导致U形渠尺寸不够,达不到理想的输水能力。具体选择糙率系数的时候应该根据施工材料的质量确定,并确保日后落实管理制度,做好相应的养护工作[5]。糙率系数n取值情况如表5中所示。

表5 渠床糙率系数n值表

5.2 临界不冲流速和临界不淤流速

临界不淤流速是指在稳定渠道条件下所最小的允许平均流速,临界不淤流速也称不淤流速,用Vcd表示。临界不冲流速是指在稳定渠道条件下所允许的最高流速平均数,临界不冲流速也简称为不冲流速,一般用Vcs表示。为了保证能够维持渠床的稳定运行,设计流量通过渠道时,其平均流速Vd值,要求满足如下条件,即Vd>Vcd,且

5.3 装配U型渠道渠底比降

U形渠渠底比降是衡量设计质量的重要参数,它指的是在某一单位长度内(设坡度均为一)渠道两端的高度差与该渠段长的比值。U形渠渠底比降的选择与工程造价、施工占地面积等方面有直接关系,具体选择的时候应该按照渠道沿线的地面坡度以及进水口等要求,施工经验也是确定装配式U形渠渠底比降必不可少的。此外,设计流量也是设计人员应该着重考虑的,但是无论是哪种设计方案,都应该坚持以不增加工作量的原则,而通过合理选择比降能够有效降低工程量[6]。由经验可知,当设计流量逐渐减小的时候,U形渠渠底比降反而会增大。当支渠上下流量差别较大的时候,应该在不同的部位使用不同的比降,上游相对平缓、下游则比降陡峭。清水渠很容易出现冲刷现象,因此比降应该相应缓和。比如某灌区输水渠道的比降为1/10000-1/28000。另一某灌区的U形渠渠底比降为1/2000-1/5000。对于抽水灌区的渠道而言,应该在满足要求的情况下尽可能选择平缓的比降,以防止泥沙淤堵,妨碍农田灌溉,同时选用平缓的比降也会降低灌溉成本。我国黄土高原地区农田灌溉多使用黄河水,这也意味着渠道中流动着含沙量较高的水,针对这一特殊情况,在选择装配式U形渠渠底比降的时候应该参考下列公式:

(1)

式中:i为装配式U形渠渠底比降;ρ0为水流的饱和挟沙量,kg/m3);ω为泥沙平均沉速,mm/s。初步进行设计的时候,如果施工条件允许,那我们选用的装配式U形渠渠底比降应该尽可能大一下,选择比降在1/500-1/1500之间。若>1/1500,将会增加工程造价,也就不符合经济性原则。除了比降范围有所要求外,临界坡度也是一个重要的参数,根据渠道过水断面尺寸先拟定一个比降,然后在正常通流的情况下对比降进行校核,若满足要求说明取值合理。若不符合要求,重新选定比降并计算校核。

6 结 论

文章探究了装配式U形渠身结构配筋、弯矩及轴向力参数;装配式U形渠横断面设计;渠身纵向支撑形式和跨度设计;以及渠床糙率系数、临界不淤不冲流速、装配U型渠道渠底比降,等一系列装配式U形渠技术要点。足见其技术易行、功能适用和施建简单,是一种不错的水渠建造适用技术,值得在标准化农田水利建设中,尤其适合在土壤资源稀少或丘陵地区选择使用。

[1]巩伟军.明渠均匀流流速分布规律研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2016.

[2]高杨.U形渠道水力特性及测流试验研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2011.

[3]王亚林.灌溉U型渠道挟沙水流流速分布规律的分析研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2012.

[4]杨岑.明渠均匀流糙率系数及紊动特性试验研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2010.

[5]郝晶晶.U形渠道抛物线形量水槽数值模拟研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2008.

[6]杨仕松.农田建设中混凝土U形防渗渠技术的推广[J].湖南:湖南水利水电,2010(04):67-68.

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