引大入秦景泰段輸水工程渠系建筑物選擇及其水力計算

朱 婷

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

1 工程概況

景泰縣位于甘肅省中部，是黃河流域上游重要的農業灌溉區[1]。境內水資源有限，主要水資源為景泰川電力提灌工程引入的黃河水和引大入秦工程引入的大通河水[2]。本工程自黑武分干渠黑石鎮段引水[3]，設計流量為2.3 m3/s，向景泰縣規劃發展的14.6萬畝生態農業供水，保證景泰縣農業及生態用水需求。工程屬Ⅲ等中型工程。輸水渠線總長為20.5 km，分為前后兩段，前段為渠道及渠系建筑物，自黑武分干渠分水閘至壓力水池，采用明渠重力流輸水，全長為18.3 km，地形高差約為35.5 m；后段為球墨鑄鐵管，自壓力水池至水庫，采用重力有壓流輸水，全長為2.2 km，地形高差約為50 m。

工程平面線路由西南向東北分別為黃土低山丘陵區、石質低山丘陵區。樁號0+000至1+120段，山體渾圓，相對高差為30～70 m，地形坡度為20°～40°，沖溝發育，呈樹枝狀，溝谷形態呈“U”字型，溝谷內無階地分布。樁號1+120至18+300段，山體相對高差為60～120 m，地形坡度為30°～50°，局部山體呈基巖殘丘、孤島、石梁等地貌景觀，沖溝較發育，多呈“U”字型，溝寬50～300 m。

根據地形地質條件，優先選擇重力流輸水方式，線路力求順直，在合理布置的前提下減少工程投資[4]；其次，線路布置時盡量減少占用耕地，避開村莊、房屋、橋梁等建筑物，與建筑物交叉時應盡量與建筑物軸線垂直布置；工程線路較長，設計時充分考慮土方平衡，避免深挖方或高填方。

2 輸水建筑物選擇

工程線路布置時，盡量縮短線路長度，充分考慮低山丘陵地形特點，結合地勘成果，隧洞進出口位置盡可能布置在地形地質條件相對較好的地段，并采用早進晚出的原則適當延伸[5]。全線隧洞29座，全長12.9 km，占全線總長的63.1%，其中長隧洞為6.5 km/5座，中隧洞為3.0 km/4座，短隧洞為3.4 km/20座。隧洞平面布置采用直線型，穿越巖層主要為志留系板巖及白堊系下統河口群砂巖。隧洞主線斷面采用圓拱直墻型，分為全封閉和半封閉襯砌兩種類型，二襯全環封閉防護段的斷面凈高2.1 m，凈寬1.6 m，頂拱半徑為0.8 m，頂拱圓心角為180°，直墻高1.3 m；邊墻及仰拱采用二襯支護，拱頂采用毛面支護段的斷面凈高2.3 m，凈寬1.6 m，頂拱半徑為0.8 m，頂拱圓心角為180°，直墻高1.5 m，該斷面整體增設0.2 m，減少浪涌對洞頂無二襯防護面的沖刷。

渠道全線跨溝段共32處，根據隧洞進出口位置及高程，有14處溝道寬度小于30 m，溝底高于渠頂高程，渠底最大埋深不超過5 m，覆蓋層多為粉土、碎石或者強風化板巖，不宜采用隧洞穿越，施工宜開挖，可選擇鋼筋混凝土暗渠，每延米投資為4 000～12 000元。

另18處溝道需選擇跨溝建筑物，可選擇的建筑物有渡槽、倒虹吸管、高填方渠道，每種建筑物適用情況不同，需因地制宜，多方比選。灌灌溝、拉牌溝等5處溝道寬度超過200 m，流域面積在10～60 km2之間，渠底高程與溝道地面相對高差超過30 m，若選擇渡槽或高墊方渠道，屬“高排架”“大跨度”“高填方”工程，需提高結構設計安全標準，投資高且施工難度大。倒虹吸管具有工程量少、施工方便、投資少、可工廠化生產等優點[6]，缺點是水頭損失大。綜上，渠道全線采用5段倒虹吸管。

剩余13處溝道寬度在50～200 m之間，流域面積小于1 km2，在建筑物比選時，渠底與溝底相對高差小于10 m的溝道，優先選擇高墊方渠道，具有施工方便、投資低、可利用洞渣減少土石方外運等優點。對粉土基礎段進行原土翻夯，結合10%水泥土消除濕陷性，鋼筋混凝土渠道外加鋪一層防滲土工膜，下部布置排洪涵洞，根據墊方高度的不同，高墊方渠道每延米投資為5 000～12 000元。另5處溝道采用渡槽形式跨溝，槽身采用鋼筋混凝土矩形槽，10 m一跨，下部支撐采用鋼筋混凝土結構，高度小于20 m，置于中風化砂礫石基礎上。

輸水線路各建筑物長度見表1所示。

表1 輸水線路建筑物長度

3 水力計算

3.1 渠道水力計算

渠道水力計算是在滿足渠道輸水要求的前提下，通過技術經濟比較后，合理確定渠道橫、縱斷面，滿足縱向、平面穩定要求。通常渠道線路設計盡可能短而平順，在設計工況下保證水流安全通暢，不發生水流左右搖擺[7]。渠道輸水需要合理確定工程設計規模，即設計工況、加大工況下的流量，并校核最小流量及水深。渠道橫斷面應按接近水力最優斷面進行設計，考慮工程沿線地形地質、施工條件及工藝水平、技術經濟水平、工程投資規模，同時還要兼顧后期方便維護及運營管理。

渠道采用混凝土護面，糙率系數取0.015?？紤]隧洞施工方法及最小施工斷面要求，渠道寬度初擬為1.6 m；渠底水力坡降設計值為1/700，代入明渠均勻流公式，計算結果見表2。

表2 渠道水力計算

根據渠線布置原則，在實測地形圖上繪制渠線，轉彎位置盡量布置在明渠段，保證水流不側翻、不同建筑物銜接平順，并且方便施工。根據渠道水頭損失計算公式，可以確定除倒虹吸工程外其他建筑物的總水頭損失(見表3)。

表3 渠道水頭損失計算

根據地形條件進行工程布置，渠首位置的渠道底板高程為2 154.78 m，渠尾位置的渠道底板高程為2 117.75 m，起、終點高差為37.03 m，通過渠道的總水頭損失計算，可知倒虹吸工程能夠利用的總水頭損失約為13.9 m，以此確定倒虹吸進出水位置的渠道底板高程，進一步確定渠線的縱斷面高程。

3.2 倒虹吸管水力計算

倒虹吸管共5段，平面長度2 340 m。倒虹吸管采用涂塑復合鋼管，能滿足各種地形地質條件要求，具有安裝、運輸方便快捷，運行可靠，維護簡單等優點。倒虹吸工程布置包括進口段、壓力管道段、出口段及攔污柵、節制閘、鎮墩、支墩等附屬構筑物和金屬結構[8]。

3.2.1管徑計算

倒虹吸管初擬直徑為1.4 m。在設計流量為2.3 m3/s時，對應流速為1.5 m/s，符合標準建議值；在加大流量為3.0 m3/s時，對應流速為1.9 m/s，滿足不沖流速要求，且水頭損失在系統允許范圍內；在最小流量為1.2 m3/s時，對應流速為0.78 m/s。

本工程輸水水源為大通河，水質泥沙含量較少，根據引大入秦工程資料，大通河泥沙屬懸移質，年平均含砂量為0.7 kg/m3，工程年供水期為191 d，8月12日至9月30日為停水檢修期共50 d，冬季停水期共124 d。參照引大入秦已建倒虹吸管設計資料及運行情況[9]，倒虹吸管在輸水運行期內，管內泥沙量較少，不淤流速范圍為0.40～0.80 m/s，本工程計算最小流速為0.78 m/s，基本滿足設計要求，并且每段倒虹吸管均設置沖砂泄水設施，能夠保證管內泥沙不發生淤積。綜合以上分析后，初擬計算的倒虹吸管管徑1.4 m符合設計標準要求。

3.2.2水頭損失計算

倒虹吸管在輸水過程中，因克服水流阻力，將水流具有的機械能轉化為熱能而散失，從而造成管道進出口水面形成水位落差。換言之，進出水池的水面高差的大小，取決于倒虹吸管內的總水頭損失[10]。

由于倒虹吸管管道較短，局部水頭損失計算時不能采用比例估算，應按照管件局損系數逐段計算[11]，本工程涉及倒虹吸各位置及管件的局部水頭損失系數見表4。

表4 倒虹吸管局損失系數選取[12]

根據倒虹吸管平面及縱斷面布置，通過計算得到倒虹吸管總水頭損失(見表5)。由表5可知，在設計流量為2.3 m3/s時，5段倒虹吸管的總水頭損失為5.497 m，輸水系統的富裕水頭計算值為13.9-5.497=8.403 m；在流量為3.0 m3/s時，總水頭損失為9.878 m，輸水系統的富裕水頭計算值為13.9-9.878=4.022 m。

4 線路縱斷的優化設計

前述小節已經完成渠道線路的平面布置、渠道水力要素計算及系統總水頭損失的計算等工作，下一步進行渠線的縱斷面設計，確定各建筑物底板、進出口銜接等高程。渠道、渡槽及隧洞的設計底坡采用1/700，接下來設計的關鍵是確定倒虹吸進出口水位高程，也就是確定與倒虹吸進出口銜接的渠道底板高程。通過計算可知，在加大流量為3.0 m3/s的工況下，整個輸水系統仍有4.022 m的富裕水頭。當系統短時通過超3.0 m3/s的流量時，渠道、渡槽的安全超高及隧洞的凈空面積均能滿足要求，從長遠角度考慮，將輸水工程的富裕水頭合理分配給各段倒虹吸工程，使得整個系統能夠在短時超設計流量的情況下，做到安全輸水，不發生壅水、翻水等情況。根據前述原則，通過不斷調整輸水流量，試算倒虹吸管的總水頭損失，使得總水頭損失數值接近系統的富裕水頭數值，當輸水系統超設計最大流量達到3.4 m3/s時，倒虹吸進出水口銜接的渠道底板預留落差值計算結果見表6。

表6 倒虹吸管進出口預留落差值校核 m

通過不斷試算，確定倒虹吸進出水口銜接的渠道底板高程差，進而確定輸水工程各建筑物的設計高程。這種試算方法，一方面保證在設計工況下，滿足規范標準的要求，輸水系統經濟合理；另一方面能夠有效利用輸水線路的地形高差，在系統存在多個倒虹吸工程時，合理分配富裕水頭，保證系統在不同設計工況均能滿足要求(渠道縱斷面見圖1)。

圖1 渠道縱斷面示意

5 結語

引大入秦景泰段輸水工程，經方案比選及計算驗證，得出如下結論：

1)輸水工程由渠道及渠系建筑物組成時，應依據地形地質條件，綜合考慮建筑物適用條件、施工技術條件及經濟投資要求，合理選擇各段建筑物形式。明渠均勻流設計時盡量減少斷面突變、跌水、壅水等不利于水流運行的情況出現。

2)渠道線路較長，遇到溝道時，需合理選擇交叉建筑物形式，如渡槽、高墊方渠道、管橋、倒虹吸管等。當選用倒虹吸管時，應合理確定管道直徑，直徑過大時，流速及總水頭損失會減小，但投資將增加，造成工程設計不經濟；直徑過小時，流速及總水頭損失會增加，可能造成倒虹吸進出水口處設計水位落差不足，致使上游渠道發生壅水、翻水現象，給工程運行安全埋下隱患。

3)輸水工程設計時需從整體出發，合理分配可利用的地形高差。重力輸水工程是一種經濟方便的輸水形式，需要綜合考慮各建筑物的總水頭損失，將系統的富裕水頭按流量增加分配給各段倒虹吸管段，保證方案經濟合理可行。