灌区渠道陡坡进口段梯形跌口不同公式水力计算取值分析

余 林

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 陡坡

落差建筑物是在灌区渠道里的渠系建筑物之一。落差建筑物的主要类型包括有：陡坡、跌水、斜管式跌水、直落式跌井等。陡坡的主要作用是调整渠道比降，或作为引水、进水建筑物及退水、分水、泄洪建筑物。陡坡由进口渐变段、陡坡段、消力池和出口渐变段组成。根据不同地形条件，陡坡可修建成单级陡坡或多级陡坡，一般在落差小于5m时采用单级陡坡，在落差大于5m时宜采用多级陡坡，都需要在陡坡后接消力池段进行消能[1- 4]。

陡坡的进口段通常由连接渐变段和进口控制段两部分组成。进口段的布置是否合理，直接决定着陡坡的泄流能力和上游水流的均匀性，并且影响下游水流流态及工程安全[5- 7]。在工程设计中，对进口段的布置进行水力计算尤为重要。

在实际工程中，通常在进口控制段设置闸门以调节上游渠道水位，也可不设闸门而用跌口控制上游渠道水位。为了使上游渠道水面不雍高或不降低，常将控制段缩窄作成跌口，减小水流过水断面，以保持渠内要求的水深。根据渠道断面和流量大小，可布置成单跌口或多跌口(复式跌口)型式。本文只讨论工程设计中常用的单跌口梯形型式，分析不同计算公式对不同纵坡下的梯形跌口水力计算结果取值影响。

2 陡坡梯形跌口水力计算

根据现有的工程经验及研究成果，梯形跌口水力计算的主要任务是决定跌口底宽bc和边坡系数nc，以使得渠道在通过最大流量Qmax和最小流量Qmin之间的不同流量时，跌口以上渠道内的水位变化最小，即保证渠道正常的Q-H关系。本文讨论GB 50288—99《灌溉与排水工程设计规范》、《水力计算手册》、陡坡与跌水图集3种计算公式对梯形跌口尺寸计算结果影响。

2.1 GB 50288—99计算公式[8- 9]

过流能力

(1)

m1=0.508-0.034(bCB+0.8mCBH0)/H0

(2)

根据渠道上游水力参数，假定梯形跌口边坡系数mCB，计算梯形跌口底宽bCB。

2.2 《水力计算手册》计算公式[10]

一般陡坡、跌水的上游渠道多属缓坡，水流平均流速较小，在进行跌口计算时，行近流速影响较小，一般可忽略不计。

(3)

则上式可以写成：

Q=b平均H3/2

(4)

如已知

(5)

(6)

其中

H1=Hmax-0.25(Hmax-Hmin)

(7)

H2=Hmin+0.25(Hmax-Hmin)

(8)

关于流量系数M的取值，经常是工程设计工作中的一个困难问题。经验证明，若陡坡跌口上游渠道发生降水或奎水现象，除跌口型式(梯形、矩形)以外，主要是由于流量系数M值选择不当所致。流量系数M值大小主要决定于堰顶水头、跌口控制段的边界条件及上游连接渐变段型式。对于不同的连接渐变段型式，可以采用不同的经验公式进行估算。

对于扭曲面连接，在上游渠道边坡系数m=1～2、跌口边坡系数nc=0.25～1.00、连接段长度L1>3Hmax(Hmax为上游渠道最大水深)的条件下

(9)

式中，b平均—跌口的平均宽度。

2.3 《小型水利工程陡坡图集》计算公式[11]

Q=M梯(bc+0.8nch)h3/2=M梯b平均h3/2

(10)

(11)

采用先假定梯形跌口边坡系数nc，试算法求出相应的梯形跌口底宽bc。

3 对于不同缓坡计算跌口取值计算分析

灌区渠道上的陡坡的型式多种多样，本文利用我国已建工程，参考试验研究成果，按照经验公式进行工程设计计算。对比同一流量下，不同缓坡1∶1000、1∶2000、1∶3000、1∶4000、1∶5000，不同计算方法对渠道陡坡的梯形跌口bc、nc的计算结果影响。梯形渠道的水力参数见表1。

根据上述的水力要素，计算渠道陡坡采用梯形跌口的尺寸，计算结果统计表见表2、表3。

由表2、表3的计算结果可以看出，灌溉与排水设计规范计算公式与陡坡跌水图集计算方法计算的流量系数M值比较接近，则计算的陡坡跌口尺寸结果皆比较一致，而水力计算手册计算公式的计算结果略微有点偏差，这是由于计算的方法导致，灌溉与排水设计规范与陡坡图集计算皆是先假设跌口边坡系数nc，根据上游的水深等水力要素计算跌口底宽bc，而水力计算手册上是先假设b平均，再同时试算渠道底宽bc与边坡系数nc，再用校核流量进行复核。3种计算方法计算出得跌口尺寸皆与图集上已建的工程取值基本相近。

表1 梯形渠道水力要素表

表2 不同计算方法跌口尺寸计算结果统计表

表3 水力计算手册跌口尺寸计算结果统计表

4 不同流态的纵坡计算跌口取值计算分析

近年来，新疆和田地区进行了诸多中型灌区节水配套改造项目。和田地区位于新疆维吾尔自治区西南部，塔克拉玛干大沙漠西南侧，昆仑山北麓。灌区内地形平坦开阔，渠道多位于河床阶地、山前冲洪积扇、冲洪积细土平原区，岩性主要为砂卵砾石等粗粒土，少部分为细粒土，分布耕地及居民区。该地区的灌区渠道落差皆比较大，渠道较陡，对其中一条渠道陡坡进行分析，陡坡的结构剖面图如图1所示。

渠道设计流量为7.621m3/s，渠道纵坡为1∶95.141，其余5组作为类比，梯形渠道水力要素表见表4。

根据上述的水力要素，计算渠道陡坡采用梯形跌口的尺寸，计算结果见表5、6。

由表5、6的计算结果可以看出，不论纵坡如何改变，灌溉与排水设计规范计算公式与陡坡跌水图集计算方法计算的流量系数M值及求出的陡坡梯形跌口底宽bc与nc值比较接近，而水力计算手册的计算公式中，由于渠道的二特性流量水深在工程设计中也是取值估算，计算则与之略有偏差。可以发现随着纵坡的逐渐变缓，3个计算公式的结果越来越接近，这是由于在梯形渠道中考虑了水流的行进流速水头的原因，渠底越缓，流速越小，流量系数M值之间的变化也越小。

从第6组渠道的计算结果可以看出，水力计算手册的梯形跌口无法通过假设的b平均试算出梯形跌口的底宽bc与nc，这是由于该地区的渠道落差较大，整体渠道较陡，从渠道的水力要素可以看出渠道的正常水深h0小于渠道的临界水深hk，已属于急流，该渠道流速较大，同时假设跌口bc与边坡nc，行进水头过大导致二特性流量水深加大，梯形跌口的实际过流量增大，则无法试算出合适的梯形跌口尺寸。文中也提到一般在渠道陡坡多属缓坡，水流平均流速较小，在进行梯形跌口计算时，行进流速影响较小，可以忽略，但在本来就很陡的渠道，行进流速不可忽略，因此水力手册计算公式并不适用于急流状态的渠道陡坡。而灌溉与排水设计规范与陡坡图集计算都是先假定跌口边坡nc，再试算梯形跌口底宽bc，对于急流也可以使用，其计算结果作为工程设计中作为取值参考。

图1 陡坡结构剖面图

类型上游渠道流量Q/(m3/s)上游渠道边坡/m上游渠道底宽B/m上游渠道糙率n上游渠道纵坡i上游水深h0/m上游流速V/(m/s)上游总水头H0/m临界水深hk17.6211.5002.2000.0251/10001.4891.1551.5570.87127.6211.5002.2000.0251/20001.7620.8931.8030.87137.6211.5002.2000.0251/30001.9410.7681.9710.87147.6211.5002.2000.0251/40002.0770.6902.1020.87157.6211.5002.2000.0251/50002.1890.6352.2090.87267.6211.5002.2000.0251/95.140.8162.7261.1950.871

表5 不同计算方法跌口尺寸计算结果统计表

表6 水力计算手册跌口尺寸计算结果统计表

对于同一流量，不同渠底纵坡的梯形渠道，渠道底坡越缓，行进流速较小，梯形跌口的底宽越窄，边坡越陡。相反，底坡越陡，梯形跌口的底宽越宽，边坡取值越缓。陡坡梯形跌口类似于宽顶堰进行计算，这可有效防止上游渠道的水位不发生雍水和降水现象。

5 结论

(1)对于同一流量，不同渠底纵坡的梯形渠道，纵坡越缓，梯形跌口的底宽取值越窄，边坡取值越陡。相反，纵坡越陡，梯形跌口底宽取值越宽，边坡取值越缓。

(2)对于同一流量，不同渠底纵坡的梯形渠道，上游渠底纵坡越缓，3种计算公式计算的流量系数M值也就越接近，梯形跌口底宽与边坡取值越接近。

(3)对于上游渠道缓坡，水流处于缓流状态时，3种计算方法都可以使用，且计算结果偏差不大；对于上游渠道陡坡，水流处于急流状态时，计算的流量系数M值偏差较大，水力计算手册的计算公式不适用，而灌排与排水设计规范、陡坡图集计算公式可以适用，且计算结果可以作为工程设计参考依据。