鄂北水资源配置工程2016年11标输水干渠水面线衔接分析

常 峻 左文涛 杨 凡 唐 昕

1 工程概况

鄂北水资源配置工程2016年第11标段（张家桥明渠—河口湾明渠，桩号217+150—233+855）位于湖北省广水市，设计输水流量7.4m3/s，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，设计洪水标准30年，校核洪水标准100年。干渠建筑物总长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

本工程干渠距离较长，建筑物种类多样，且本标段与前后标段衔接水位分别为106.84m和104.81m，水头分配有限。水面线衔接需要综合考虑沿程和局部水头损失、流速水头等影响，并以上下游水面平顺衔接、无突变段（点）、防止壅水或跌落、各输水建筑物渠底正坡连接、断面水流能量相等或近似相等为原则进行分析。

首先确定各类型建筑物均匀流条件下的正常水深，参照正常水深的不同，确定不同类型建筑物衔接位置处的底板高差，通过渐变段连接相邻建筑物，并根据干渠起始点水位以及建筑物纵坡推算出全线各类建筑物渠底设计高程。由此确定的干渠水面线在不同类型建筑物衔接位置的水面高程非常接近，水面衔接平顺，能有效降低因壅水或跌水造成的水头损失。

3 水力计算

3.1 正常水深计算

无压输水建筑物满足明渠均匀流条件，过水能力按明渠均匀流公式计算，其计算公式如下：

式中 Q——设计流量，m3/s；

A——过水断面面积，m2；

C——谢才系数；

n——糙率；

R——水力半径；

i——建筑物纵坡。

针对各种断面形式的明渠均匀流正常水深的计算，传统采用查表、试算、迭代等方法，计算过程繁琐，公式复杂并且精度不高。目前国内外学者对各类型无压输水建筑物断面形式的水力计算问题进行了较为深入的分析和研究，并且得到了许多直接近似计算公式，解决了不少工程实际问题。本文对矩形、梯形、马蹄形和城门洞形明渠均匀流正常水深的计算分别采用文献[1-3]中所列出的近似计算公式，此处不再详列。

3.2 水头损失计算

3.2.1 无压输水建筑物水头损失计算

式中 Δh——水头总损失，m；

L——建筑物长度，m；

λ——局部水头损失系数，渐扩断面λ=0.3；渐缩断面λ=0.2；

v——断面流速，m/s；

g——重力加速度，g=9.81m/s2。

3.2.2 有压输水建筑物水头损失计算

式中 hf——沿程水头损失；

hj——局部水头损失。

3.3 渠底高程计算

输水干渠全线采用无压结合有压的自流输水方式。在求解线路水面高程时，先沿线将线路分解为若干个有压和无压输水段，其中无压输水建筑物按均匀流计算，流态为缓流。为尽量缩短在建筑物断面变化位置附近出现的非均匀流段长度，可根据相邻建筑物均匀流状态下的正常水深调整渠底高程，通过渐变段连接。进行水力设计时，无压与有压输水建筑物相交断面的水深和流速为无压输水建筑物均匀流正常水深和相应流速，输水线路示意图如图1所示。

图1 输水线路示意图

在图1中选取A-F段线路进行水面高程分析计算，该段线路分为无压段1、有压段、无压段2。已知沿线无压输水建筑物中隧洞、暗涵、明渠长度分别为 l1、l2、l3，纵坡分别为 i1、i2、i3，均匀流正常水深分别为h1、h2、h3，流速分别为v1、v2、v3，线路起始断面A的底板高程为ZA，水面高程为HA，设沿线典型断面B、C、D、E、F渠底高程分别为 ZB、ZC、ZD、ZE、ZF。

首先对无压段1进行分析，典型断面B、C之间是两种建筑物断面的衔接段，为保证上下游水面平顺衔接，拟定HB≈HC，可由ZB推出ZC。线路起始断面A处渠底高程ZA可由起始断面水面高程减去正常水深h1得到，同一类型建筑物可由纵坡推算出各断面渠底高程，由此可从前至后推算出各无压段渠底高程，计算公式如下：

接着分析有压段，上游断面D水深和流速等于暗涵均匀流正常水深h2和流速v2，已知有压段水头损失经计算为hw，根据能量方程可计算有压段首末端底板高程差，并由此推算前后无压段渠底高程，计算公式如下：

4 计算条件

4.1 断面尺寸

鄂北水资源配置工程11标段干渠建筑物包括明渠7座，其中矩形断面明渠5座，梯形断面明渠2座；无压隧洞8座，其中城门洞形断面隧洞5座，马蹄形断面隧洞3座；暗涵5座，均为矩形断面；渡槽1座，为矩形断面；倒虹吸1座，为矩形断面。由于本标段全线设计流量均为7.4m3/s，为方便水面线衔接，同一类型建筑物断面尺寸保持一致，各建筑物断面尺寸见表1。

表1 干渠建筑物断面尺寸

4.2 水力计算参数

4.2.1 建筑物纵坡

隧洞之间交叉建筑物设计纵坡主要以隧洞水力设计参数控制，保证与隧洞水流连接平顺过渡；渡槽以适当减小断面尺寸，降低槽身重量，并使水面衔接平顺的原则设计纵坡；矩形明渠和暗涵均与隧洞相连接，设计纵坡和相邻隧洞保持一致；梯形明渠位于干渠下段，按照前后连接建筑物水力特性及水头分配等因素确定设计纵坡。鄂北工程11标干渠矩形明渠、暗涵以及隧洞的设计纵坡均为1/9600，渡槽的设计纵坡为1/3500，梯形明渠的设计纵坡为1/25000。

4.2.2 糙率

张家桥明渠—河口湾明渠段，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 净空高及净空面积比

本阶段隧洞、渡槽、暗涵净空面积比均按20%左右控制；隧洞净空高度不小于400mm，矩形暗涵和渡槽净空高度不小于净高的1/6。

5 计算成果与分析

鄂北水资源配置工程第11标段输水干渠在正常运行工况下全线水力学计算成果见表2。

计算结果表明，不同建筑物类型以及断面型式对应的明渠均匀流正常水深差别较大，通过对不同建筑物衔接段水面线分析确定建筑物渠底高程，并由渐变段相互连接组成的输水干渠，全线水面线衔接平顺，未发生壅水和跌水现象，水面坡降与建筑物渠底坡降相当，充分利用了本标段分配的水头；并且各输水建筑物过流能力充足，净空高度与净空率均能满足设计要求。

表2 输水干渠全线水力学计算成果