SCL防渗膜在渡槽降糙改造的应用与效果分析

顾靖超，陆立国，王永平，朱 洁，武慧芳

(宁夏水利科学研究院，银川 750021)

0 引 言

宁夏红寺堡扬水工程建设于1998年，是上世纪为解决脱贫致富，宁夏建设的“一号工程”重点项目，项目受益区包括吴忠市红寺堡区、利通区、同心县和中卫市中宁县，设计灌溉面积3.67 万hm2，设计流量25 m3/s。20 a来，红寺堡灌区灌溉规模面积不断扩大，已由设计的3.67 万hm2发展到2015年的4.89 万hm2，计划到2020年发展到6.76 万hm2，远远超出扬水工程现有的供水能力。随着经济社会的发展、灌区的不断开发，渠道输水能力不足将成为灌区发展的制约因素，所以加快干渠的改造迫在眉睫，是解决水资源供需矛盾、确保灌区的良性稳定有序发展的必经之路[1]。

红寺堡扬水工程渠道沿线渡槽过流能力不足，可采用内衬降糙、重建、并建或更换槽壳的方案，详见表1。槽壳内衬SCL防渗膜方案投资小、施工简便。

表1 渡槽改造方案对比

甘肃省引大入秦工程中，渡槽内衬SCL防渗膜具有一定的降糙增流效果，可增流15%[2]；湖北唐王渡槽已应用超过10 a，表面上看，材料表面未出现表层风化、剥蚀、脱落等老化现象[3,4]，但湖北和宁夏2地紫外线强度相差较大，在宁夏强紫外线照射下的老化程度如何尚不能确定。同时引黄灌区渠道水含沙量大，经过几年的运行，其产品的糙率是否会受到影响等问题有待进一步的研究。选取典型渡槽，开展测流和糙率测算分析，研究渡槽实际降糙增流能力，为工程更新改造提供技术依据[1]。

1 试验渡槽基本情况

1.1 渡槽现状参数

由于红三干渠渠道长且建筑物多，改造影响大，因此选取红三干渠的渡槽进行降糙增流试验。渡槽现状参数详见表2。

表2 渡槽现状参数

1.2 测流断面布设

为减少人为量测误差，每座渡槽设置4个测量断面(渡槽3个、渠道1个)，4个测量断面同时开始量测并进行数据比对；每个测量组完成本组量测任务后带着各自设备轮转到下一测流段面，待所有测量组完成后再同时开展下一组量测任务。

槽壳内选取的3个测水断面尽可能距离渡槽上下游进出口较远一些，保证测流不受渡槽上下游渐变段的影响，槽壳内测流断面具体位置见表3；同一渡槽内断面间间距基本保持一致。选择的渠道测流断面仅作为与渡槽测流断面的测流数据对比校核。

表3 渡槽测流断面位置

1.3 渡槽比降

为准确判定渡槽流态，分别量测了渡槽的槽底比降和水面坡降。槽底比降的观测期是2018年冬灌结束后，水面比降的观测期为2018年冬灌和2019年春、夏灌。

在水力坡度测量时，由于槽壳内水流波动幅度较大，为了使测量尽可能准确，我们采取的做法是：将塔尺缓慢放至波动水面的波谷与波峰之间，固定塔尺，开始测量。

为减少测量误差，比降观测断面间距为15 m，分别取同一观测断面的左、中、右3处的平均值作为该断面的平均高程，利用所有断面观测相对高程值率定渡槽实际比降。观测数据详见表4。

表4 典型渡槽比降量测成果

2 渡槽糙率推算公式

利用2018年冬灌、2019年春灌和夏秋灌实测的水面比降和实测的槽底比降数据绘制了图1和图2，从图中可以明显看到，除通山沟渡槽2018年冬灌实测之外，实测渡槽水面比降均小于实测槽底比降，表现为典型的Ml型恒定非均匀流。

图1 上麻黄沟渡槽槽底坡降和不同灌季水面坡降

图2 通山沟渡槽槽底坡降和不同灌季水面坡降

曼宁公式为：

(1)

Ml型恒定非均匀流的主要特征为流量不发生变化，随着h沿程增加，R、A以及J均发生相应变化，糙率n不为常量，且不能判断n的变化趋势。

对于恒定非均匀流，糙率系数仍可采用曼宁公式去近似率定。因为非均匀流的各项水力要素均沿程发生变化，式中的水力参数取算术平均值，J则由能量方程确定，为两计算断面的平均水力坡度。在天然河道糙率率定中，常用水面坡度代替J。对于水平尺度远大于垂直尺度的明渠水流，水深、流速等水力参数沿垂直方向的变化较沿水平方向的变化要小得多，沿垂线的变化的这些量便可以忽略不计。

将三维流动的基本方程沿水深积分，并沿水深取平均，即得沿水深平均的二维流动的基本方程。

为了简化计算，渠道糙率的计算公式为[5-7]：

(2)

式中：Q为流量，m3/s；y为水深，m；A为过水面积，m2；R为水力半径，m；L为渠道长度，m；n为渠道糙率；s0为底坡；g为重力加速度；下标“1” 表示渡槽进口测量断面，下标“2”表示渡槽出口测量断面。

测流段的长度越大，测流段的沿程水头损失越大，糙率测算的误差相对减小。因此在用式(2)进行糙率测算时，y1、A1、R1等进口断面数据采用最上游的测流断面数据计算，y2、A2、R2等测流段出口断面数据采用最下游的测流断面数据计算。流量Q则采用上、中、下游3个测流断面的流量测量结果的平均值。

3 渡槽糙率与降糙效果分析

3.1 渡槽现状混凝土糙率

利用2018年冬灌期实测的断面水力要素，推算渡槽现状糙率。具体数据详见表5。

表5 渡槽现状糙率实测统计

上麻黄沟渡槽实测流量为11.338～14.406 m3/s，现状糙率范围为0.012 59～0.013 90，均值为0.013 20；通山沟渡槽实测流量为4.960～6.008 m3/s，现状糙率范围为0.013 07～0.013 86，均值为0.013 36。

2012年宁夏水科院主编的地方标准《灌溉渠道衬砌工程技术规范》(DB64/T-811 2012)正式发布实施，规定了现浇混凝土的糙率为0.014[8]。

2014-2016年宁夏水科院开展了“宁夏灌区骨干衬砌渠道糙率原型测试验证与研究”，分别在引黄自流灌区的唐徕渠、西干渠、汉延渠、七星渠、汉渠、大清渠和扬水灌区的固海三干渠、固海二干渠、盐环八干渠、盐环一干渠、盐环马一干渠，选择圆弧坡脚梯形断面、梯形断面和弧底梯形断面3种断面形式和多种断面衬砌结构形式，开展了渠道现状糙率测试与分析工作，研究提出现浇混凝土的建议糙率为0.013 5～0.014 0[9-11]。

本次试验结论与以往相关试验成果是基本一致的，实测的现状混凝土糙率较规范和建议糙率值偏小约10%。

3.2 SCL防渗膜改造后渡槽糙率

根据2019年春、夏灌的实测断面水力要素，推算渡槽现状糙率。具体数据详见表6。

表6 SCL防渗膜改造后渡槽糙率统计表

3.3 误差分析

分别利用上麻黄沟渡槽、通山沟渡槽更新改造前后用过现场观测率定的综合糙率值进行点误差分析，见表7。所有测次的点测量误差均小于5%，符合流速仪测流精测法的要求。

表7 典型渡槽糙率测量误差统计

3.4 降糙增流效果分析

根据上麻黄沟渡槽和通山沟渡槽2018年冬灌，2019年春、夏灌期间的现场观测试验推算的糙率值，得到SCL防渗膜降糙增流效果，详见表8、图3。

表8 SCL防渗膜降糙增流效果对比

图3 渡槽工程改造前后流量～糙率关系分布

4 结 语

(1)通过在渡槽槽壳内衬SCL防渗膜，渡槽的现状糙率可降低至0.011 5～0.012 0，较原有混凝土槽壳，糙率可降低0.001 17～0.001 82，降幅为8.86%～13.62%，相对应的增流效果为9.75%～14.99%。

(2)宁夏引黄灌区渠道水含沙量大，经过几年的运行后，水中泥沙附着在SCL防渗膜表面，SCL防渗膜的糙率是否会受到影响，有待于进一步的研究。

(3)宁夏紫外线等级高、风沙天数多，SCL防渗膜的抗老化程度及耐久性尚不能确定，需要长期监测。