关于鸿化堰导水堰堰顶高程计算方法的优化

徐 大 海， 樊 璐 璐

(成都鸿策工程咨询有限公司，四川 成都 610072)



关于鸿化堰导水堰堰顶高程计算方法的优化

徐 大 海， 樊 璐 璐

(成都鸿策工程咨询有限公司，四川 成都 610072)

鸿化堰导水堰工程已经完工并正常运行数年，通过运行资料来看，设计成果实现了预定的设计目标。在导水堰的顶高程设计中，综合考虑了各个因素对取水能力的影响，结合导水堰过流过程对水位的抬高作用，确定了导水堰的顶高程，同时也复核了导水堰对岷江行洪能力的影响。其计算方法清晰，计算过程科学，充分利用了各种水力学计算公式，对类似的工程设计均具有较好的指导意义。

鸿化堰；导水堰；堰顶高程；行洪计算

1 工程概况

鸿化堰地处眉山市青神县境内，位于岷江西岸。属无坝引水工程，其取水闸位于眉山市东坡区松江镇。鸿化堰是一座历史悠久的古堰，始建于唐代，距今已有一千多年历史，经过多次的复修、续建、扩建、配套、整治，鸿化堰有了今天的规模，使鸿化堰成为一座集灌溉、防洪、排涝、工业及城镇供水为一体的多功能水利工程。目前已建成总干渠1条，长11.066 km，东、西、南干渠3条，长17.166 km，支渠42条长67.53 km，斗渠逾百公里。鸿化堰设计引水流量8.2 m3/s，设计灌面5.981 8万亩。

近年来由于采砂等原因已经导致河床降低，特别是枯期，采砂留弃的卵砾石堆迫使主流改道，导致取水口门前基本无水经过。从测量资料看，鸿化堰取水口位于约2.5 km直线河道下游端，枯期平均河道宽度在400 m以上，灌区用水量较大的5月份流量较小，因此，在没有工程措施的条件下取水闸基本无水可取；加之灌区渠系绝大部分没有衬砌，淤积严重，干渠纵坡大多小于1/10 000，甚至为逆坡，造成渠道过流流量无法得到满足，取水困难的问题日益突出，迫切需要在进水闸前新建拦河导水堰工程。

经过设计分析比较，拟在鸿化堰取水口下游约25m处新建全长442.00 m的导水堰，堰两端与岷江堤防相接，轴线基本垂直岷江两岸。导水堰的设计重点是满足小流量情况下鸿化堰的取水效果，同时不影响岷江的行洪安全。

图1 鸿化堰取水示意图

2 闸前水位计算

由于进水节制闸的过水能力受下游淹没程度影响较大，即在闸前水位一定的条件下，下游渠道水位的高低，决定了取水闸流量的大小。当渠道用水量较大时，渠道流态接近于均匀流，此时闸门前后水位差最大，进闸流量也趋近于最大，当渠道用水量较小时，渠道为缓流，流速较小，流量也较小。所以采用以下步骤计算所需取水闸取8.2 m3/s时闸前水位：

(1)计算下游渠道为明渠均匀流时，渠道过流量为8.2 m3/s对应的下游水深及下游水位。

(2)计算进闸流量为8.2 m3/s时的闸上下游水位差，从而推得闸门上游水位即所需的取水口闸前水位。

①明渠均匀流计算

计算公式为：

式中 Q为流量，8.2m3/s；b为渠底宽，m；h为水深，m；m为渠道边坡，1.00；i为渠底坡降；n为糙率。

由于鸿化堰引水渠道长年未进行清淤疏浚，河道过流能力较差，且缺少渠道运行资料，故此处计算根据业主提供数据进行，其中渠底宽度取渠道平均宽度8.0m，渠底坡降取取水闸至防洪闸之间4.619km的平均坡降，约为0.000 8(见表1)，渠道糙率取为0.030。

经试算，当下游水深为2.08m时，渠道明渠均匀流流量为8.2m3/s，此时闸下游水位为396.77m。

表1 鸿化堰干渠主要控制段坡降

②闸前水位计算

计算方法一：

按闸孔过流计算闸孔的过流能力，计算当闸孔过流为8.2 m3/s时，闸门前后水位差，闸孔过流计算公式为：

经计算，当闸上下游水位差为0.002m时，闸孔过流流量恰为8.2m3/s，故可得出需要的闸前水位约为396.77m。

计算方法二：

由于下游水位较高，当闸门取水8.2m3/s时闸门的过流能力实际上由下游过流能力控制，按闸门过流的水头损失计算水流通过闸门损失的水头，即为闸门前后水位差，由于闸室长度较短，不计沿程水头损失，只计算局部水头损失，局部水头损失计算公式为：

式中 hj为局部水头损失，m；ζ为局部水头损失系数，进口处取0.15，门槽处取0.10；v为闸门处的水流流速，约为0.50m/s

经计算，水流经过闸门处的水头损失为0.003 m，故也可得出闸前水位约为396.77 m。

3 堰顶高程确定

对已有资料5月每日流量排频，得到供水保证率为P=85%的流量为95.5 m3/s，因此设计要求转化为在岷江来流量95.5 m3/s时，满足鸿化堰取水闸门闸前水位为396.77 m，此时鸿化堰取水流量8.20 m3/s，导水堰过流量为87.3 m3/s。由于导水堰仅在取水口下游约25 m处，故不计此段的水力坡降，认为导水堰上游水位与鸿化堰取水口水位相同，故当堰上游水位为396.77 m，导水堰溢流流量应为87.3 m3/s。经分析，初拟导水堰堰顶宽度为1.5 m，在此流量时导水堰应按宽顶堰流计算其过流能力。

计算公式为：

式中 Q为流量，87.3m3/s；σs为淹没系数，取1.0；σc为侧收缩系数，取1.0；m为堰的流量系数，小流量时堰上水头较小，取0.36；b为导水堰长度，本设计堰前水位396.77m，仅中间段和冲沙口溢流；g为重力加速度；H0为包括行进流速的堰前水头，设计时堰前行进流速为0；

经试算，当堰顶高程为396.54m时，恰好满足要求，导水堰过流总量为87.3m3/s，故最终确定堰顶高程为396.55m。

4 导水堰行洪计算

导水堰在设计洪水11 565m3/s时，堰上水头较大，此时按堰流计算导水堰的过流能力已不合理，为验证导水堰对岷江设计洪水过流的影响，按潜坝过流来进行验算其对水位的抬高作用[2]。

计算公式为：

Δz=H-(ht-h1)

式中：Δz为壅水高度，m；H为潜坝堰顶水头，m；ht为下游水深，m；h1为潜坝高度，m；Q为过堰流量，取11 565m3/s；B为导水堰长度，m；m为流量系数，通过表格查得；v0为堰前行进流速，近似取为2.5m/s；

通过试算，本工程按潜坝计算流量系数为0.28，对应的雍高水位为0.45m，由于鸿化堰取水口河段岷江堤防的防洪标准20年一遇洪水，其对应安全超高值为0.6m(不允许越浪)，因此导水堰对已建岷江堤防安全不构成影响。

5 结 语

目前鸿化堰导水堰工程已经完工并正常运行数年，通过运行资料来看，设计成果实现了预定的设计目标。在导水堰的顶高程设计中，综合考虑了各个因素对取水能力的影响，结合导水堰过流过程对水位的抬高作用，确定了导水堰的顶高程，同时也复核了导水堰对岷江行洪能力的影响。其计算方法清晰，计算过程科学，充分利用了各种水力学计算公式，对类似的工程设计均具有较好的指导意义。

[1] 华东水利学院主编.水工设计手册第六卷. 北京：水利电力出版社，1982

[2] 李炜主编. 水力计算手册. 北京：中国水利水电出版社，2006

(责任编辑：卓政昌)

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樊璐璐(1987-)，女，山西临汾人，毕业于四川大学锦城学院土木工程专业，助理工程师，成都鸿策工程咨询有限公司从事水利水电设计工作.