南水北调沙河渡槽水头优化分配设计

□ 买巨喆 □张明恩 □郭晓萌（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1 工程概况

沙河渡槽是南水北调中线一期工程总干渠的组成部分，位于河南省平顶山市的鲁山县。沙河渡槽由沙河梁式渡槽、沙河至大郎河箱基渡槽、大郎河梁式渡槽、大郎河至鲁山坡箱基渡槽，鲁山坡落地槽组成，总长9050 m，其中沙河梁式渡槽长1666 m，沙河至大郎河箱基渡槽长3534 m，大郎河梁式渡槽长500 m，大郎河至鲁山坡箱基渡槽1820 m、鲁山坡落地槽长1530 m。

2 水头优化条件

沙河渡槽共分5大设计分段，各段相互间影响较大，每段渡槽结构形式及断面尺寸的变化，都会影响整座建筑物的工程量，因此，需要从投资、水头对各段渡槽的敏感性、不同渡槽比降合理性等方面进行分析论证，对水头进行科学分配。水头优化的条件为：一是除进口渐变段反坡外，其余各段间均以顺坡连接，以保证渡槽检修时能够放空；二是梁式渡槽采用U形4槽形式，下部支承采用空心墩；基础采用灌注桩；三是箱基渡槽采用单槽矩形双联布置型式；四是鲁山坡落地槽采用单槽矩形型式。

3 水力计算

3.1 设计条件

本段总干渠设计流量为320 m3/s，沙河渡槽分配的总水头为1.77 m。水力计算的设计条件为，当通过设计流量时，从上游进口渐变段起点到下游出口渐变段终点的总水头损失为1.77 m。计算中闸室、连接段及槽身部分糙率采用1.40×10-2，进出口渐变段的糙率采用1.50×10-2。水力计算时将其分为11段计算，分别为进口渐变段（包括节制闸）、沙河槽身段、沙河至大郎河箱基渡槽连接段（包括检修闸）、沙河至大郎河箱基渡槽段、箱基渡槽与大郎河连接段、大郎河槽身段、大郎河渡槽连接段、大郎河至鲁山坡箱基渡槽段、鲁山坡连接段（包括检修闸及其进出口段）、鲁山坡落地槽段、出口渐变段。

根据水头优化限制条件，选择4种U形槽直径进行比较，即直径分别为 6.40，7，8，9 m。

3.2 水力计算公式

3.2.1 渡槽水力设计的基本公式为：

式中：Z1、Z2—计算段段前、段后水位，m；V1、V2—计算段段前、段后断面流速，m/s；hw1—计算段水头损失，m。

渡槽的水头损失包括：①沿程损失；②进口墩、墙侧收缩引起的水头损失；③局部损失；④弯道附加水头损失：沙河至大郎河箱基渡槽段中包括420 m的弯道段，大郎河出口箱基渡槽段中包括320 m的弯道段，鲁山坡落地槽包括499 m弯道段。

3.2.2 各种水头损失的计算

3.2.2.1 沿程损失

槽身段:由于各段槽身段都较长，其设计流量下槽身段按明渠均匀流计算水面降落△Z为：△Z＝i·L

式中：L—槽身长度，m；i—槽底纵坡。渐变段、连接段、闸室段：△Z1=J1-2·L1式中：J1-2—计算段始末端断面间的平均水力坡降；L1—计算段的长度，m。

3.2.2.2 进口闸墩引起的水面降落值△Z2为：式中：K—隔墩头部形状系数，半圆形墩头取0.90；ω—束

窄断面流速水头与水深之比；α—隔墙总厚度与槽身净宽之比；V—槽内流速，m3/s。

3.2.2.3 局部水头损失

闸槽水头损失按计算,V为闸槽断面平均流速，ξ槽取为0.05。

渐变段、连接段水头损失按下式计算：

收缩渐变（连接）段ξ＝0.15，扩散渐变（连接）段ξ=0.25，V1、V2为渐变（连接）段首末端的流速。

3.2.2.4 弯道附加水头损失

式中：V—断面平均流速，m/s；B—水面宽，m；H—水深，m；r0—弯道半径，m；C—谢才系数，m0.5/s;R—水力半径，m；L—弯道长度，m。

3.2.3 槽身过流能力计算

槽身过设计流量时，过流能力按明渠均匀流计算，其计算公式为:

式中：Q—通过渡槽的流量，m3/s；i—槽底纵坡；A—槽身过水断面面积，m2;n—糙率，采用n＝0.14×10-1。

沿程取11个计算段、12个控制断面，逐段列能量方程进行计算。

3.3 优化方案水力计算结果

通过进行水力计算，各方案各段设计水力要素见表1。

表1 各方案水力要素表

4 工程量对比及投资分析

根据计算的各段槽身的断面参数，分别对4种方案的工程量及投资进行计算，工程量及投资对比见表2。

表2 各方案工程量及投资对比表

从表中可以看出，对于梁式渡槽，方案1投资最小，为30122万元，方案4投资最大，为34272万元。对箱基渡槽，方案4投资最小，为52534万元，方案1投资最大，为58840万元；对每段渡槽而言，比降越陡，断面越小，工程量也越省；但对于整座渡槽而言，由于箱基渡槽比较长，其比降的变化对工程投资影响较大，因此，从整座建筑物工程投资比较，方案3投资最小。

5 方案选择

根据投资最小的原则，最终选择沙河渡槽断面尺寸为：沙河梁式渡槽槽底比降1/4600，单槽直径8 m，净高7.40 m；沙河至大郎河箱基渡槽槽底比降1/5900，单槽净宽12.50 m，净高7.80 m；大郎河梁式渡槽槽底比降1/5400，单槽直径8 m，净高7.80 m；大郎河至鲁山坡箱基渡槽槽底比降1/6100，单槽净宽12.50 m，净高7.80 m；鲁山坡落地槽槽底比降1/7600，单槽净宽22.20 m，净高8.10 m。