山区小型灌溉渠道横断面的宽深比分析

2017-11-09 06:47闵志华
浙江水利水电学院学报 2017年4期
关键词:水力学灌溉渠道横断面

闵志华

(重庆水利电力职业技术学院,重庆 402106)

山区小型灌溉渠道横断面的宽深比分析

闵志华

(重庆水利电力职业技术学院,重庆 402106)

以重庆三峡库区山区小型灌溉渠道为例,对可能影响渠道工程造价的各种修建及维护费用进行逐次分析.在保证输水效率的前提下,利用公式推导比较两种不同宽深比条件下,即传统的宽深比2 ∶1宽浅式灌溉水渠和文中设计的宽深比1 ∶1灌溉水渠,对各项费用进行比较.发现对于山区小型灌溉渠道,采用宽深比1 ∶1的宽浅式灌溉渠道,在影响比传统的水力学最优断面在修建使用过程中投入更少.

灌溉渠道;宽深比;最优水力学断面

经典水力学认为,宽浅式灌溉渠道采用宽深比2 ∶1的横断面形式最为经济.但是,由于经典水力学只考虑了单纯的水力学因素,并没有考虑到水渠开挖及维护过程中产生的各种费用,因而忽视了宽浅式灌溉渠道普遍存在的过水断面渠道较宽,占地面积大,开挖支护的工作量大等问题.这些问题也造成了灌溉渠道在经济上的许多不必要浪费[1].本文论述一种针对重庆三峡库区山区小型灌溉渠道的横断面设计,即宽深比为1 ∶1的梯形断面灌溉渠道,其可以在保证水力因素的条件下,最大程度地减少建设使用费,是比经典水力学断面更为经济合理的断面形式,具有很好的实用价值.

1 山区小型灌溉渠道相关参数定义

图1为目前普遍采用的宽浅式灌溉渠道横断面示意图,其中渠道底部宽度为b,设计深度超高值为h0,渠顶马道宽度为b′,即开挖土体向两边的运输距离.灌溉设计水深为h,河道坡度系数为m.

同时,为便于计算,假定渠道各段的设计流量Q一定,且设定渠道各段流速V恒定.即假定区内流水为恒定流体.整体竖向坡度一致[2-4].

图1 渠道横断面示意图

2 水力因素

灌溉渠道的首要作用就是对沿岸土地进行灌溉,因此,首先需要考虑的是横断面不同对灌溉渠道输送水源的影响,即考虑其水力因素[5].

由图1的渠道横断面示意图,得到横断面的面积计算公式:

(1)

设h0=0,即假定水面平齐于地面.

(2)

由渠道过水断面的概念可知:在渠道各段的设计流量Q以及渠道各段流速V均设定为恒定的条件下,灌溉渠道在单位时间内能输送的水体体积,即渠道的设计流量,等于在单位时间内流经灌溉渠道全部过水全断面面积内的水体宏观运动距离.用公式表达为:

(3)

3 经济因素

前文考虑了灌溉渠道的水力因素,即考虑在满足灌溉运水过程中,是否最不利状态情况下(运输水面与岸面齐平,即水面超高h0=0),对两种不同比例的宽深比,求得渠道的底部宽度与过水高度各有不同.

在满足水力因素的前提下,继续考虑经济因素.由灌溉渠道的修建及后续使用直接产生的有关费用指标主要有以下几点[5-7]:

(1)开挖费用

灌溉渠道开挖所产生的费用主要包括开挖完整土体或岩体所需的人工费用,以及将开挖岩土体运送至指定弃土点所需要的运费.为了计算方便,将单位长度内灌溉渠道开挖岩土体所需费用设为C挖.C挖与所开挖岩土体的性质以及开挖机械有很大关系,对其取值有很大影响,本文讨论的应是一般条件下的平均值.

通过对渠道断面的几何分析,可以得到开挖费用C挖的计算公式为:

(4)

(2)占地费用

开挖渠道需要占用一定的土地面积,与工程开挖相匹配的工程设施安置等也需要消耗一定的土地资源,可以假设所需消耗的必要的土地资源,单位面积占地费用为C地,其取值决定于当地的土地政策.

C地={b+2m(h+h0)+2b’}

(5)

(3)衬砌费用

为避免运输水体在水下对两坡岸的持续冲刷,在灌溉渠道设计水面以下部分,应添加喷射混凝土衬砌,保护水底土体.在工程中,一般采用C25混凝土进行喷射衬砌.可设单位面积的衬砌费用为C衬.

(6)

(4)渗透损失费用

由于自然条件以及施工情况的不同,灌溉渠道的衬砌不可能做到滴水不漏,因为水力渗透产生的损失,即为渗透损失费用,用C渗表示.渗透损失费用与灌溉渠道所处的自然环境、渠道的衬砌质量有关.

(5)蒸发损失费用

灌溉渠道中运输水体,不可避免的要受到蒸发损失影响.灌溉渠道的年蒸发损失费用可用C蒸表示.C蒸与灌溉渠道所处位置的年平均降雨及年平均蒸发量、水面蒸发面积有关.

(6)维修管理费用

渠道建成之后,需要定期对渠道进行疏通、维修,所产生的费用可用C修表示.

在以上介绍的6种费用中,开挖费用和占地费用以及衬砌费用属于一次费用,都是在灌溉渠道开始使用之前产生的费用,渠道开挖完成后,无此项费用.而后3项费用,是伴随着渠道整个使用过程中的,是以“a”为时间单位所产生的持续性费用.

4 两种宽深比渠道的比较

4.1 横断面尺寸

前面讨论了灌溉水渠的过水横断面面积A与设计流量Q以及设定流速V之间的数学关系.下面将要结合上文所述内容,通过公式计算,来论证在过水断面面积、流量和流速都相同的情况下,两种不同宽深比条件下灌溉水渠的经济耗费.

在考虑最大设计流量的最不利状态下,为保证水渠的水力条件,取水渠的水面以上超高值h0为0,则考虑宽深比为1 ∶1时,有b=h,代入式(2),得过水断面积:

A1=(1+m)h2

结合式(3),此时有:

同样,当考虑传统水力学宽深比为2 ∶1时,有b=2h,代入有式(2),得过水断面积:

A2=(2+m)h2

4.2 经济性比较

依次代入并比较两者的经济耗费,所得结果如下:

(1)开挖费用

宽深比1 ∶1时,由式(4),开挖费用C挖1取值如下:

宽深比2 ∶1时,由式(4),开挖费用C挖2取值为:

(2)占地费用

宽深比1 ∶1时,由式(5),占地费用C地1取值如下:

宽深比2 ∶1时,由式(5),占地费用C地2取值如下:

(3)衬砌费用

宽深比1 ∶1时,由式(6),衬砌费用C衬1取值如下:

宽深比2 ∶1时,由式(6),衬砌费用C衬2取值如下:

综合以上,宽深比1 ∶1时的灌溉水渠总费用C1=C挖1+C地1+C衬1,宽深比2 ∶1时的灌溉水渠总费用C2=C挖2+C地2+C衬2,有C1

5 施工作业技术

5.1 开挖作业

为了更好的增加灌溉水渠输水能力,提高水渠利用率,同时考虑到施工的难易程度,一般会将水渠选取在地势较高或地形分界线位置.在开挖之前,需要对开挖现场及周边地形环境进行考察测量.开挖时需要注意开挖顺序,采用由浅入深、自上而下的开挖顺序.其目的是为了保证施工过程中的排水通畅.为了确保排水效果,通常在开挖时还要预留一定厚度的保护层.开挖过程中如果发现有地质裂缝或出现地下水渗流的情况,应立即停止开挖,制定好相应处理措施后再行施工.

5.2 衬砌作业

灌溉水渠衬砌在水渠通水运用过程中,起到保护水渠过水断面不受流水冲刷侵蚀的作用,对提高水渠使用效率及使用寿命有很大作用.从方便施工及经济性的角度考虑,一般采用素混凝土衬砌.混凝土衬砌浇筑过程中,应注意混凝土搅拌的均匀性,防止出现混凝土泥水分离.同时,注意保持混凝土在养护龄期时间内表面湿润.混凝土浇筑之后6 h之内必须对其采取养护工作,这样才能满足其强度要求.

5.3 防渗作业

在水渠施工技术中,要做好防渗处理工作,必要时建立具有抗渗基岩层的防渗墙.如果水渠底部出现沙砾岩层,为了增加防渗效果,采用在两侧墙壁进行帷幕灌浆的施工技术进行.如果水渠修筑工程经过陡峭的山坡,采用帷幕灌浆法进行防渗处理.按照提前规划好的防渗墙施工流程,首先对顶部轴线进行布局,然后增强防渗墙的硬度,再采用挖槽连接或多段连接的方式将混凝土防渗墙连接,要注意尽可能控制好接缝节的数量,提高防渗墙的防渗效果,确保水渠工程建设的施工质量.

6 结 论

针对重庆三峡库区灌溉渠道以及其他以山区为主的该类型灌溉渠道,采用传统水力学的“最优水力学断面”(即宽深比为2 ∶1的宽浅式灌溉渠道),其过水断面渠道较宽,占地面积大,且开挖支护的工作量也较大,因而造成许多不必要的浪费,使其经济效益与使用效率并不能达到最大化.考虑到以上问题,设计采用宽深比为1 ∶1的宽浅式灌溉渠道,在同样的输水流量以及流动速度情况下,通过公式运算比较得出:其在修建和使用过程的投入费用较传统水力学断面更为优异,有很好的实用价值.

[1] 李 锐.东河塘干渠梯形渠道实用经济断面设计分析[J].水利技术监督,2017,25(2):111-113.

[2] 潘起来.渠道经济断面的优化设计[J].青海大学学报,2004,22(1):31-33.

[3] 史才德.弧底梯形渠道实用经济断面计算及施工[J].农业科技与信息,2009(22):37-38.

[4] 苏东喜.梯形、矩形渠道实用经济断面低次方系数法应用分析[J].水利水电工程设计,2012,31(4):21-22.

[5] 吴晓明.农村饮水安全工程效益分析[J].水利技术监督,2016,24(1):50-52.

[6] 匡野锋.水库大坝混凝土施工和防渗漏措施采用[J].中国水运,2009(5):43-45.

[7] 刘智光,丁仕辉.太园抽水站进水渠施工方案优化[J].西部探矿工程,2000(6):19-20.

OnWidthDepthRatioofCrossSectionofSmallIrrigationChannelinMountainAreas

MIN Zhi-hua

(Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402106, China)

In order to ensure good water efficiency of irrigation canals as well as the engineering cost and economic benefit, this paper takes the mountainous small irrigation channel in Chongqing as an example, and analyzes the project cost and maintenance cost of various channels. On the premise of ensuring successive water efficiency, the cost is compared by using the comparative formula for two different aspect ratio conditions, namely the traditional design of wide shallow irrigation canals with width to depth ratio 2 ∶1 and that of the ratio of acequias with width to depth 1 ∶1. For small mountain irrigation channels, wide and shallow irrigation channels with the ratio of width to depth 1 ∶1 are less input than traditional optimal hydraulics section in construction.

irrigation channel; width depth ratio; optimum hydraulic section

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.04.006

TV131

B

1008-536X(2017)04-0032-04

2017-05-26

2017年重庆市教委科研资助项目(KJ1735447)

闵志华(1980-),重庆永川人,硕士,副教授,主要研究方向为水利工程设计、施工及教学.

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