田家渡槽水深计算方法浅析

刘　胜，张立华

（1．山东农业大学，山东 泰安 271000；2．山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

田家渡槽水深计算方法浅析

刘胜1，张立华2

（1．山东农业大学，山东 泰安 271000；2．山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

【摘要】渡槽是渠道设计中常见的穿越建筑物，本文通过田家渡槽水深和渡槽水头损失计算，提出规范计算公式中存在的问题，阐述了渡槽水深的计算方法和过程。

【关键词】田家渡槽；水深；水头损失；计算方法

田家渡槽位于某灌区西总干渠桩号6+115～6+185处，跨越大寺河，建筑物级别为3级，设计流量为3m3/s，加大流量为3.75m3/s，槽身长度70m，共7跨，每跨长10m，坡降i=1/8000。槽身为钢筋混凝土结构，底宽3.0m，截面为矩形。渡槽进口段、出口段均以浆砌石扭曲面型式与上、下游干渠平顺连接，连接段长度均为10m。根据大寺河的行洪水位要求，渡槽的槽底高程要高于干渠渠底0.5m。渡槽下游干渠的水深为1.19m，水位17.91m，渠底高程16.72m。渡槽末端的槽底高程17.22m。设计中渠系分配给渡槽体系的水头损失值为0.3m。

1　渡槽水深计算

根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）附录M.0.1，渡槽过水能力按下式计算：

式中：L为渡槽长度，70m；Q为渡槽设计流量，3m3/s；h1为渡槽水深，m；v1为渡槽内流速，m/s。H0为渡槽含流速水头的水深，m；A为渡槽过水断面面积，m2；B为渡槽净宽，3m；R为水力半径，m；i为槽底比降，1/8000；n为槽底糙率，取0.015；σ为淹没系数，由hs/H0查淹没系数曲线；hs为渡槽下游渠道水位超出槽底末端的水深，0.69m；m为流量系数，取0.36～0.385；ε为侧收缩系数，取0.9～0.95；α为流速分别系数，取1.0～1.05。经计算，按式 （1）计算的设计水深为1.59m，加大水深为1.89m；按式（2）（3）计算的设计水深为0.70m，加大水深为0.88m。这两种计算结果相差1倍以上。

分析两种计算结果相差较大的原因，式（1）为明渠均匀流公式，计算的水深为渡槽正常水深，正常水深形成的条件为渡槽足够长时，渡槽上游才能逐渐接近均匀流水深，或者按式（2）（3）计算出的渡槽水深与正常水深一致（或接近）时，整个渡槽均为正常水深。田家渡槽长70m，末端渠道水位又较低，所以渡槽内没有形成正常水深的条件，按式（1）计算田家渡槽水深是不妥的；式（2）（3）为宽顶堰堰流公式，计算的水深为渡槽末端的水深，在渡槽很短，可以忽略渡槽的沿程损失时适宜使用，田家渡槽长度70m，大于15h1，也不宜按式（2）（3）确定渡槽水深。

渡槽的水流流态一般为恒定非均匀渐变流，应先按式（2）（3）计算出渡槽末端水深，再根据能量守恒方程依次推算上游水位，计算公式如下：

式中：z1、z2为断面1、2距基准面的高度，m；h1、h2为断面1、2的水深，m；v1、v2为断面1、2流速，m/s；hf为断面1、2间的沿程水头损失，m。

为验证以上分析，按以上公式对田家渡槽不同长度的渡槽水深进行计算，渡槽的尺寸、设计流量同上，渡槽末端水深为式（2）（3）计算的水深，渡槽糙率取0.015，计算结果见表1。由表1看出，当田家渡槽长度在7km以上时，渡槽始端水深才接近正常水深。

表1渡槽距末端不同距离水深 m

田家渡槽长70m，设计流量时渡槽末端水深0.70m，始端水深0.78m，渡槽水深与渡槽正常水深相差较大。根据渡槽始端水深，用能量方程公式，可算出渡槽始端上游干渠水深。经计算，设计流量时渡槽始端上游干渠水深为1.43m，加大流量时为1.58m。

根据上述分析，笔者认为，渡槽的水流流态一般为恒定非均匀缓流渐变流，其水深按恒定均匀流计算是不恰当的，渡槽水深的计算方法应按式（2）（3）计算渡槽末端水深，并根据能量方程计算渡槽始端水深和渡槽上游干渠水深，进而确定渡槽高度。

2　渡槽水头损失计算

渡槽水头损失由3部分组成，进口段水头损失、槽身段水头损失和出口段水头损失，根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）附录M.0.2计算公式计算，设计流量时渡槽总损失为0.21m，加大流量时渡槽总损失为0.24m。

为验证计算结果，用能量守恒方程计算渡槽水头损失，计算断面为渡槽上游和下游干渠断面，计算公式与公式（4）基本一致，其中的水头损失为沿程损失和局部损失之和，即渡槽总水头损失。计算结果为：设计流量时渡槽总损失为0.24m，加大流量时渡槽总损失为0.26m，与上述公式计算结果基本一致。不同方法计算的渡槽水头损失均小于设计中渠系分配给渡槽体系的水头损失 （0.3m），满足工程设计要求。

3　结语

渡槽的水流流态一般为恒定非均匀缓流渐变流，其水深按恒定均匀流计算是不恰当的，除断面尺寸、底坡、糙率等因素对渡槽水深有影响外，下游渠道水位也对渡槽水深有较大影响。在渡槽水深计算中，应先按堰流公式，根据渡槽的出流条件和下游水位，计算渡槽末端水深，再根据能量方程，从下游到上游，依次计算渡槽各位置的水深及渡槽上游干渠水深，确定渡槽水头损失，进而优化渡槽断面设计。

（责任编辑 赵其芬）

【中图分类号】TV134

【文献标识码】B

【文章编号】1009-6159（2015）-02-0049-02

收稿日期：2014-12-26

作者简介：刘胜（1993—），男，本科在读