自流灌区倒虹吸工程水头损失分析

唐 波，曹 锐 ，佘 磊 ，梁爱萍

（1.宿迁市水务勘测设计研究有限公司，江苏 宿迁 223800；2.宿迁市宿城区水务局，江苏 宿迁 223800）

1 概述

平原灌区地势平坦，地面高差相差不大。灌区骨干渠系灌溉水位与骨干排涝河道的排涝水位相差不大，在渠系与排涝河道交叉时，交叉建筑物型式选择为倒虹吸结构。但在实际运行中，倒虹吸的水头损失往往大于设计预期值，本文结合众程灌区程道倒虹吸工程实例来分析其原因。

众程灌区地处江苏北部、苏北平原中部，南到京杭大运河，北至泗沭边界，西邻宿豫区，东连新华灌区，范围包括泗阳县境内众兴、八集、三庄、穿城、南刘集、张家圩、爱园、王集8个乡镇，总面积453 km2，耕地面积2.47万hm2，设计灌溉面积2.27万hm2，有效灌溉面积2.03万hm2，为京杭运河沿线大型自流灌区。

众程灌区地势特点为西高东低，南高北低，最高地面高程16.5 m（废黄河高程系，下同），最低地面高程8.5 m，平均地面坡度1/7000。灌区内土壤沙土占80%，壤土占20%。灌区土质肥沃，适宜种植水稻、小麦、油菜等多种作物，水土保持良好。

程道倒虹吸位于灌区程道干渠桩号k1+000处，功能是将干渠水通过倒虹吸穿越六塘河输送到下游干渠。倒虹吸设计流量为25 m3/s，灌区规划此处水头损失不得超过30 cm。

2 工程设计

倒虹吸采用矩形结构，总长268 m。箱涵段长173 m，总宽11.00 m，单孔净宽3.0 m，高3.0 m，共计3孔。其中：倾斜段长113 m，分10段；水平段长60 m，分5段，每段长12 m。进口段设铺盖、渐变段、进口控制段，出口段设冲砂闸、消力池、护坦；其中进口段总长39 m，出口段总长55 m。进出口与现状渠道挡墙顺接。计算简图如图1所示。

水力计算按照《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》（SL482-2011）[1]中公式计算，计算公式及结果如下。

（1）进口渐变段局部水头损失及水面降落

①进口渐变段局部水头损失

式中：

hj1—进口渐变段的局部水头损失；

ξ1—进口渐变段的局部损失系数，与渐变段的型式有关，取0.3；

v1、v2—渠道进口渐变段始末断面的平均流速；

g—重力加速度，m/s2。

②水面降落

式中：

ΔZ1—进口渐变段水面落差，m。

（2）局部水头损失

式中：

hj—倒虹吸的局部水头总损失，m；

φ、φi—管道出口断面面积和局部阻力损失处的相应断面面积，m2；

ξ1—一局部水头损失系数，如拦污栅、闸门槽、进水口、弯管、出水口等的局部水头损失系数（不包括 ξ1和 ξ2）。

（3）沿程水头损失

式中：

hf—倒虹吸沿程阻力总水头损失；

Ci—管身计算段水流的舍弃系数；

Ri—管身计算段水流的水力半径；

Li—管身计算段的长度，m；

ω—管道出口横断面面积，m2；

ωi—管身计算段横断面面积，m2；

图1 程道倒虹吸纵剖面图及横断面图

n—边壁糙率。

（4）过流能力计算公式[2]

式中：

Q—管道的泄流量，m3/s；

ω—管道出口横断面面积，m2；

v—管道断面平均流速，m/s；

ωi—管身计算段横断面面积，m2；

ΔZ2—进口渐变段末端断面至管道出口断面的水面落差，m；

g—重力加速度，m/s2

μ—流量系数

w2—进口渐变段末端的过水面面积，m2。

经计算，本次采用3孔3 m×3 m箱涵，过流为25.44 m3/s＞25.00 m3/s，满足设计要求。

（5）进、出口水面总落差计算

ΔZ=ΔZ1+ΔZ2+ΔZ3

经计算，总水头落差15 cm。水头差小于规划数值，符合要求。

3 运行现状

工程建成后，实际运行情况与设计情况却不同，上下游水位差远大于设计值，最高时达到0.90 m，如图2所示。

图2中所示位置为工程建成后倒虹吸出口处干渠的水流情况，工程建成之前灌溉期，该位置水位常位于挡墙盖顶下边缘附近，由图可清晰地看出，倒虹吸工程建成后，水位比以往低了约50 cm。据调查，工程建成后，灌溉初期倒虹吸下游水位接近规划水位，随着灌溉高峰期到来，水头损失越大，到灌溉末期水头又成减小趋势。

图2 运行时地涵出口水流

4 原因分析

干渠水头损失变大后，将给地方灌区灌溉造成较大影响。为尽量减少损失，经调查分析研究，发现倒虹吸产生水位差远大于设计值的主要原因有如下几点：

（1）下游渠系未按规划的轮灌制度灌溉，下游2条分干渠同时开闸续灌，灌溉高峰期用水量增大，远大于设计流量25 m3/s，过流量增大，造成倒虹吸内水流的流速增大，进而增大了局部和沿程损失。为了解流量的增加对上下游水头损失的影响，按理论公式[3]计算，假定上游水位恒定，通过流量增大进行不同工况的计算，得出流量和水头损失的对照表，如表1所示。

表1 程道倒虹吸水头损失和过流量关系表

由表1可看出，倒虹吸上下游水头损失随着流量的增大，数量成倍的增大，根据表1数据绘制倒虹吸上下游水位差～流量曲线图，如图3所示。

图3 倒虹吸上下游水位差～流量曲线图

由图3可看出，干渠中流量增大以后，倒虹吸的水头损失也明显增大，可以解释灌溉不同时期，水位差不同的原因。在灌溉初期及末期灌溉用水量小，所以倒虹吸上下游水头差大，而灌溉高峰期灌溉用水量大，所以倒虹吸上下游水头差大。

（2）渠道上游来水中含有大量水草，在通过倒虹吸上游拦污栅时，缠绕在拦污栅栅条上，堵塞拦污栅，减小了栅条的过水面积，增大了拦污栅的局部水头损失。

经现场调查和当地居民反映，造成拦污栅前大量杂物的原因主要有：①人为因素。因程道地涵至程道渠首之间为敞口明渠，明渠两岸被当地百姓种植作物，当地居民在耕作时，将田间的杂草杂物等均抛入渠道中，导致大量杂物被水冲至拦污栅前，形成淤积；②运河中有少量水草经程道渠首流入干渠。

拦污栅前拦蓄的杂草堵塞拦污栅栅条，减小过水断面，根据拦污栅水头损失计算公式[4]，复核计算过水断面减小与水头损失之间的关系如表2所示。

根据表2数据绘制水头损失～拦污栅总挡水面积与过水断面总面积比值之间的关系图，如图5所示。

由表2及图5可以看出，当拦污栅前栅条上挂满水草，阻挡拦污栅过水以后，拦污栅上下游水头损失随着阻水面积的增大成抛物线式增长，远超过设计值。

图5 水头损失～拦污栅挡水面积与过水总面积比值关系图

（3）箱涵实际施工过程中，混凝土表面糙率系数与设计工况不一致，表面可能因施工模板接缝或振捣不密实等原因造成，表面粗糙，糙率系数增大，进而造成水头损失大于设计值。

5 处理措施

针对上述问题，在工程后期运行管理过程中，采取如下措施，有效地减少了倒虹吸上下游的水位差，具体做法如下：

（1）加强了运行管理，下游渠道按照设计工况进行调度，即按规定的轮灌制度进行分期灌溉，保证干渠过水量维持在设计值附近。

（2）渠道上游增加拦污清污设施，即在倒虹吸上游设置回转式清污机，将渠道中的杂物及时清除，极大地减少了拦污栅前杂草、杂物，保证拦污的水头损失控制在设计范围内。

（3）在后期运行管护过程中，有条件时在箱涵内壁涂抹一些光滑涂层，减小糙率，降低倒虹吸的沿程水头损失。

6 结语

本文通过对程道倒虹吸工程不同运行工况水力计算分析，了解倒虹吸实际运行水位差大于设计值的主要原因。在后期的设计过程中需充分调查，重点考虑运行流量、水质、边界条件等因素，确保工程在不同工况下运行均满足设计要求。

表2 程道倒虹吸进水侧拦污栅水头损失和拦污栅堵塞情况关系表