引大入秦景泰段输水工程渠系建筑物选择及其水力计算

朱 婷

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528400)

1 工程概况

景泰县位于甘肃省中部，是黄河流域上游重要的农业灌溉区[1]。境内水资源有限，主要水资源为景泰川电力提灌工程引入的黄河水和引大入秦工程引入的大通河水[2]。本工程自黑武分干渠黑石镇段引水[3]，设计流量为2.3 m3/s，向景泰县规划发展的14.6万亩生态农业供水，保证景泰县农业及生态用水需求。工程属Ⅲ等中型工程。输水渠线总长为20.5 km，分为前后两段，前段为渠道及渠系建筑物，自黑武分干渠分水闸至压力水池，采用明渠重力流输水，全长为18.3 km，地形高差约为35.5 m；后段为球墨铸铁管，自压力水池至水库，采用重力有压流输水，全长为2.2 km，地形高差约为50 m。

工程平面线路由西南向东北分别为黄土低山丘陵区、石质低山丘陵区。桩号0+000至1+120段，山体浑圆，相对高差为30～70 m，地形坡度为20°～40°，冲沟发育，呈树枝状，沟谷形态呈“U”字型，沟谷内无阶地分布。桩号1+120至18+300段，山体相对高差为60～120 m，地形坡度为30°～50°，局部山体呈基岩残丘、孤岛、石梁等地貌景观，冲沟较发育，多呈“U”字型，沟宽50～300 m。

根据地形地质条件，优先选择重力流输水方式，线路力求顺直，在合理布置的前提下减少工程投资[4]；其次，线路布置时尽量减少占用耕地，避开村庄、房屋、桥梁等建筑物，与建筑物交叉时应尽量与建筑物轴线垂直布置；工程线路较长，设计时充分考虑土方平衡，避免深挖方或高填方。

2 输水建筑物选择

工程线路布置时，尽量缩短线路长度，充分考虑低山丘陵地形特点，结合地勘成果，隧洞进出口位置尽可能布置在地形地质条件相对较好的地段，并采用早进晚出的原则适当延伸[5]。全线隧洞29座，全长12.9 km，占全线总长的63.1%，其中长隧洞为6.5 km/5座，中隧洞为3.0 km/4座，短隧洞为3.4 km/20座。隧洞平面布置采用直线型，穿越岩层主要为志留系板岩及白垩系下统河口群砂岩。隧洞主线断面采用圆拱直墙型，分为全封闭和半封闭衬砌两种类型，二衬全环封闭防护段的断面净高2.1 m，净宽1.6 m，顶拱半径为0.8 m，顶拱圆心角为180°，直墙高1.3 m；边墙及仰拱采用二衬支护，拱顶采用毛面支护段的断面净高2.3 m，净宽1.6 m，顶拱半径为0.8 m，顶拱圆心角为180°，直墙高1.5 m，该断面整体增设0.2 m，减少浪涌对洞顶无二衬防护面的冲刷。

渠道全线跨沟段共32处，根据隧洞进出口位置及高程，有14处沟道宽度小于30 m，沟底高于渠顶高程，渠底最大埋深不超过5 m，覆盖层多为粉土、碎石或者强风化板岩，不宜采用隧洞穿越，施工宜开挖，可选择钢筋混凝土暗渠，每延米投资为4 000～12 000元。

另18处沟道需选择跨沟建筑物，可选择的建筑物有渡槽、倒虹吸管、高填方渠道，每种建筑物适用情况不同，需因地制宜，多方比选。灌灌沟、拉牌沟等5处沟道宽度超过200 m，流域面积在10～60 km2之间，渠底高程与沟道地面相对高差超过30 m，若选择渡槽或高垫方渠道，属“高排架”“大跨度”“高填方”工程，需提高结构设计安全标准，投资高且施工难度大。倒虹吸管具有工程量少、施工方便、投资少、可工厂化生产等优点[6]，缺点是水头损失大。综上，渠道全线采用5段倒虹吸管。

剩余13处沟道宽度在50～200 m之间，流域面积小于1 km2，在建筑物比选时，渠底与沟底相对高差小于10 m的沟道，优先选择高垫方渠道，具有施工方便、投资低、可利用洞渣减少土石方外运等优点。对粉土基础段进行原土翻夯，结合10%水泥土消除湿陷性，钢筋混凝土渠道外加铺一层防渗土工膜，下部布置排洪涵洞，根据垫方高度的不同，高垫方渠道每延米投资为5 000～12 000元。另5处沟道采用渡槽形式跨沟，槽身采用钢筋混凝土矩形槽，10 m一跨，下部支撑采用钢筋混凝土结构，高度小于20 m，置于中风化砂砾石基础上。

输水线路各建筑物长度见表1所示。

表1 输水线路建筑物长度

3 水力计算

3.1 渠道水力计算

渠道水力计算是在满足渠道输水要求的前提下，通过技术经济比较后，合理确定渠道横、纵断面，满足纵向、平面稳定要求。通常渠道线路设计尽可能短而平顺，在设计工况下保证水流安全通畅，不发生水流左右摇摆[7]。渠道输水需要合理确定工程设计规模，即设计工况、加大工况下的流量，并校核最小流量及水深。渠道横断面应按接近水力最优断面进行设计，考虑工程沿线地形地质、施工条件及工艺水平、技术经济水平、工程投资规模，同时还要兼顾后期方便维护及运营管理。

渠道采用混凝土护面，糙率系数取0.015。考虑隧洞施工方法及最小施工断面要求，渠道宽度初拟为1.6 m；渠底水力坡降设计值为1/700，代入明渠均匀流公式，计算结果见表2。

表2 渠道水力计算

根据渠线布置原则，在实测地形图上绘制渠线，转弯位置尽量布置在明渠段，保证水流不侧翻、不同建筑物衔接平顺，并且方便施工。根据渠道水头损失计算公式，可以确定除倒虹吸工程外其他建筑物的总水头损失(见表3)。

表3 渠道水头损失计算

根据地形条件进行工程布置，渠首位置的渠道底板高程为2 154.78 m，渠尾位置的渠道底板高程为2 117.75 m，起、终点高差为37.03 m，通过渠道的总水头损失计算，可知倒虹吸工程能够利用的总水头损失约为13.9 m，以此确定倒虹吸进出水位置的渠道底板高程，进一步确定渠线的纵断面高程。

3.2 倒虹吸管水力计算

倒虹吸管共5段，平面长度2 340 m。倒虹吸管采用涂塑复合钢管，能满足各种地形地质条件要求，具有安装、运输方便快捷，运行可靠，维护简单等优点。倒虹吸工程布置包括进口段、压力管道段、出口段及拦污栅、节制闸、镇墩、支墩等附属构筑物和金属结构[8]。

3.2.1管径计算

倒虹吸管初拟直径为1.4 m。在设计流量为2.3 m3/s时，对应流速为1.5 m/s，符合标准建议值；在加大流量为3.0 m3/s时，对应流速为1.9 m/s，满足不冲流速要求，且水头损失在系统允许范围内；在最小流量为1.2 m3/s时，对应流速为0.78 m/s。

本工程输水水源为大通河，水质泥沙含量较少，根据引大入秦工程资料，大通河泥沙属悬移质，年平均含砂量为0.7 kg/m3，工程年供水期为191 d，8月12日至9月30日为停水检修期共50 d，冬季停水期共124 d。参照引大入秦已建倒虹吸管设计资料及运行情况[9]，倒虹吸管在输水运行期内，管内泥沙量较少，不淤流速范围为0.40～0.80 m/s，本工程计算最小流速为0.78 m/s，基本满足设计要求，并且每段倒虹吸管均设置冲砂泄水设施，能够保证管内泥沙不发生淤积。综合以上分析后，初拟计算的倒虹吸管管径1.4 m符合设计标准要求。

3.2.2水头损失计算

倒虹吸管在输水过程中，因克服水流阻力，将水流具有的机械能转化为热能而散失，从而造成管道进出口水面形成水位落差。换言之，进出水池的水面高差的大小，取决于倒虹吸管内的总水头损失[10]。

由于倒虹吸管管道较短，局部水头损失计算时不能采用比例估算，应按照管件局损系数逐段计算[11]，本工程涉及倒虹吸各位置及管件的局部水头损失系数见表4。

表4 倒虹吸管局损失系数选取[12]

根据倒虹吸管平面及纵断面布置，通过计算得到倒虹吸管总水头损失(见表5)。由表5可知，在设计流量为2.3 m3/s时，5段倒虹吸管的总水头损失为5.497 m，输水系统的富裕水头计算值为13.9-5.497=8.403 m；在流量为3.0 m3/s时，总水头损失为9.878 m，输水系统的富裕水头计算值为13.9-9.878=4.022 m。

4 线路纵断的优化设计

前述小节已经完成渠道线路的平面布置、渠道水力要素计算及系统总水头损失的计算等工作，下一步进行渠线的纵断面设计，确定各建筑物底板、进出口衔接等高程。渠道、渡槽及隧洞的设计底坡采用1/700，接下来设计的关键是确定倒虹吸进出口水位高程，也就是确定与倒虹吸进出口衔接的渠道底板高程。通过计算可知，在加大流量为3.0 m3/s的工况下，整个输水系统仍有4.022 m的富裕水头。当系统短时通过超3.0 m3/s的流量时，渠道、渡槽的安全超高及隧洞的净空面积均能满足要求，从长远角度考虑，将输水工程的富裕水头合理分配给各段倒虹吸工程，使得整个系统能够在短时超设计流量的情况下，做到安全输水，不发生壅水、翻水等情况。根据前述原则，通过不断调整输水流量，试算倒虹吸管的总水头损失，使得总水头损失数值接近系统的富裕水头数值，当输水系统超设计最大流量达到3.4 m3/s时，倒虹吸进出水口衔接的渠道底板预留落差值计算结果见表6。

表6 倒虹吸管进出口预留落差值校核 m

通过不断试算，确定倒虹吸进出水口衔接的渠道底板高程差，进而确定输水工程各建筑物的设计高程。这种试算方法，一方面保证在设计工况下，满足规范标准的要求，输水系统经济合理；另一方面能够有效利用输水线路的地形高差，在系统存在多个倒虹吸工程时，合理分配富裕水头，保证系统在不同设计工况均能满足要求(渠道纵断面见图1)。

图1 渠道纵断面示意

5 结语

引大入秦景泰段输水工程，经方案比选及计算验证，得出如下结论：

1)输水工程由渠道及渠系建筑物组成时，应依据地形地质条件，综合考虑建筑物适用条件、施工技术条件及经济投资要求，合理选择各段建筑物形式。明渠均匀流设计时尽量减少断面突变、跌水、壅水等不利于水流运行的情况出现。

2)渠道线路较长，遇到沟道时，需合理选择交叉建筑物形式，如渡槽、高垫方渠道、管桥、倒虹吸管等。当选用倒虹吸管时，应合理确定管道直径，直径过大时，流速及总水头损失会减小，但投资将增加，造成工程设计不经济；直径过小时，流速及总水头损失会增加，可能造成倒虹吸进出水口处设计水位落差不足，致使上游渠道发生壅水、翻水现象，给工程运行安全埋下隐患。

3)输水工程设计时需从整体出发，合理分配可利用的地形高差。重力输水工程是一种经济方便的输水形式，需要综合考虑各建筑物的总水头损失，将系统的富裕水头按流量增加分配给各段倒虹吸管段，保证方案经济合理可行。