论述干渠纵断面设计理论

孙江霞

(新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100)

1、工程概况

1.1 工程规模及布置

团结干渠位于以畜牧业为主的旱卡子滩乡境内，原设计流量3.5m3/s，系一条人工开凿的渠道。

该段渠道多为山区石洞、土洞、明洞、渡槽、明渠等形式，并有退水闸、渠顶过洪渡槽等建筑物，长度10.433km，其中的石洞段长2.267km，土洞段长1.405km，其它段均为明渠。

现状存在的主要问题:1)现状隧洞过水能力不足;2)现状渡槽过水能力不足;3)现状部分隧洞塌陷、断裂、淤积现象严重;4)隧洞衬砌结构老化破损现象严重

该工程为老渠道改造工程，总体线路按照原渠线，对局部受场地和渠线防洪安全受影响的部分渠段进行调整，尽量利用现有的过水桥涵布置渠线。主要处理方案为:1)对渠线进行调坡，使流速达到规范允许的范围之内，避免渠道遭受冲刷危害。2)增设跨河渡槽、过洪涵洞和渡槽、桥涵等。保障渠线畅通和防洪安全。

1.2 工程等别

团结干渠设计流量为3.50m3/s，工程规模Ⅳ等小 (Ⅰ)型，主要建筑物4级，次要建筑物和临时性建筑物级别为5级。

2、干渠纵断面设计

2.1 项目设计目标及原则

(1)项目设计目标

1)对渠道进行衬砌，减少灌溉渗漏水量，恢复渠道历史引水流量;2)增大人工饲草料基地面积，减缓对天然草场破坏;3)早日实现草原生态平衡，促进生态良性循环，对改善草场退化现状起到一定的作用。

(2)项目设计原则

本工程是按照原有渠线设计，其地形高程满足自流灌溉，渠道设计纵坡基本结合地形情况而设计，根据新疆对不冲不淤流速经验，本渠道工程设计流速控制在1.22～3.50m/s之间。

干渠的设计纵坡在满足自流引水的条件下，按照技术经济纵坡确定，以求得合理最小的各类建筑物所需尺寸，取得较小的工程量，较低的工程造价，最优的效益费用比。

2.2 纵断面的设计

(1)设计方法

干渠纵断面设计高程的推算综合考虑沿程及局部水头损失、流速水头的影响等，以上下游水面平顺衔接、无突变段(点)、防止壅水或跌落、各种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计算。首先确定水流总能量，即水面高程，进而确定渠底设计高程，以加大输水流量进行控制计算。

渠底设计高程按照以下公式计算:

式中:H—渠底设计高程 (m2);

E上—上一断面的总能量 (m)，E上=H+h+v/(2g);

V—断面加大流速 (m/s);

h—断面加大水深 (m);

Δh—水头总损失 (m)。

渠底设计高程推算的同时，也进行全线水面连接设计，渠道全线为恒定均匀流，通过计算，渠道全线水面连接平顺，水流顺畅，水面均匀。

(2)设计纵坡分析

根据建筑材料和实地渠线资料，兼顾现有渠段原状，在原有闸口基础上，调整了纵坡，以满足渠道的不冲、不淤要求，并结合地形纵坡，使工程尽量减少，各段渠道纵坡断面尽可能一致等条件为原则进行纵断面设计。

本次改建渠道全长 10.433km，原渠底起始高程1432.70m，末端高程为1399.35m，总落差33.35m。为保证大流量不冲、小流量不淤，尽量接近原始地形纵坡，优化方案，降低投资。

表1 渠道设计纵坡表

3)连接物的设计

纵坡渠道之间的连接建筑物设计纵坡主要以渠道水力设计参数控制，保证与渠道水流连接平顺过渡，断面能量相等的原则确定设计纵坡。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确定设计纵坡;石洞或土洞均与渠道相连接，设计纵坡采用与其相邻的渠道一致;梯型明渠位于渠道与渠道之间较长的连接段，长度较大，为节省水头，并考虑梯型明渠的过流工程特性，亦采用较缓纵坡为宜;矩型明渠按照前后连接建筑物的水力特性、水头分配等因素确定设计纵坡。

4)设计结论

综合上述设计原则、设计方法及分析论证，确定团结干渠工程渠道设计纵坡为 i=1.8～20.9‰。

2.3 设计中的问题

(1)断面及建筑物糙率

渠道桩号0+000～6+303段中石洞段总长2267m，该段对部分轻微破损衬砌进行修补，底板采用φ8钢筋网混凝土衬砌。对部分衬砌破损严重洞段重新衬砌。暗渠段总长1037m，该段原有衬砌较为规整，在满足过流情况下对部分轻微破损衬砌进行修补，底板采用φ8钢筋网混凝土衬砌。该段设计糙率取 n=0.015。

桩号6+303～10+433段中土洞段总长1405m，现状衬砌条件良好，本次设计对底板进行修补，底板采用φ8钢筋网混凝土衬砌。该段设计糙率取 n=0.015。

其它段干渠采用梯形明渠型式，改建后明渠底宽0.75m，高1.8～2.0m，采用6cm厚C20F200预制砼板衬砌，该段设计糙率按照常规取 n=0.017。

(2)跨沟建筑物型式选择

渠道沿线途经许多冲洪沟，为保证渠道能正常运行，根据原地形条件，在冲洪沟上设置渡槽从冲洪沟顶部跨越。

3、结束语

本文在坡度、渠道实用经济断面和费用最小优化设计的基础上，考虑渠道输水流量和渠道水流流速约束条件，建立了包含渠道底宽、水深、边坡坡度3个优化变量的梯形或矩形渠道优化设计模型，探讨了优化变量的取值方法，提出基于边坡稳定和费用最小的梯形或矩形渠道优化设计方法。