梯形灌溉渠道横断面设计分析.pdf

2 0 1 3年第4期 ( 第 4 1 卷) 黑龙江水利科技 H e i lo n g j i a n g S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n cy NO 4 201 3 ( T o t M N o 4 1 ) 文章编号 ： 1 0 0 7 7 5 9 6 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 8 5 0 4 梯 形灌溉渠道横 断面设计分析 周春 霞 ( 黑龙江农垦勘测设计研究院 ， 哈尔滨 1 5 0 0 9 0 ) 摘要： 依据黑龙江省三江平原二九。灌区渠道横断面设计， 探讨水力最佳断面在渠道设计中 的应用及修正， 求得渠道设计的实用经济断面 ， 最后确定渠道最佳断面， 达到投资较 省 、 便于施工、 安全运行的目的。 关键词 ： 梯形渠道； 水力最佳断面； 实用经济断面； 明渠均匀流 ； 粗糙系数； 水力要素 中图分类号 ： T V 6 7 2 文献标识码 ： B 1 水力最佳 断面 按照水力学理论 ， 从均匀流的公式可 以看出， 明 渠的输水能力取决于过水 断面积形状 、 尺寸 、 底坡和 粗糙系数 的大小 J 。 设计渠道时 ， 底坡依地形 条件或其他技术上 的 要求而定 。粗糙系数则 主要取决于渠槽选用的建筑 材料。在进行渠道水力计算 的过程中 ， 当流量 、 比降 及糙率已知的情 况下 ， 希望得 到最小的过水 断面面 积 ， 以减少渠道开挖和衬砌 丁程量 ， 达 到省工省料 的 目的。或者在一定 的过水断面面积 、 比降及糙率 的 情况下 ， 使渠道通 过的流量最大。水力学 中把满 足 上述条件的断面 ， 叫做水力最佳断面。 明渠均匀流基本公式如下 ： Q =A C, R i ( 1 ) c = ( 2 ) Q = i 2 R It 2 3 = It ( 3 ) 式 中： 为平均流速 ( 米 秒) ； Q为设计流量 ， I n s ； 为过水断面面积 ， m ； R为水力半径 ， m； i为水面坡 降； C为谢才系数 ； n为糙率 ； X为湿周 ， in 。 2 在渠道设计 中水 力最佳 断面和实用经济 断面的确定 在灌区设计 中， 渠道纵横断面设计对灌 区的投 资控制至关重要 ， 它不仅影响渠道本身工程量 和投 资， 还对其上建筑物工程量和投资都有很大的影响。 渠道的纵断主要是受 自然 条件影 响较大 ， 如 自然地 形条件 、 土壤条件及规范所要求的不 冲不淤等要求 而定。而横断面选择是否合理尤为重要。 在横断面设 计 中， 梯形 断面是水利工程 中最 常 用的一种 断面形式 ， 梯形 渠道具 有 占地 少 ， 施_T简 单 ， 安全稳定 ， 运行可靠等优点。对于常用 的梯形 渠 道 ， 按水力最佳 断面设计的渠道断面往往是窄深式 的。对土渠来说 ， 这种窄深式渠道不安全 ， 不利于施 工 ， 不能达到经济的目的， 在实际应用 中有很大的局 限 性 。 收稿 日期 2 0 1 30 31 2 作者简介 】 周春 霞( 1 9 6 3一) ， 女 ， 黑龙江克山人 ， 高级工程师 ， 主要从 事水利工程设计工作。 一 8 5 2 0 1 3年第 4期 ( 第 4 l 卷) 黑龙江水利科技 H e i lo n g j i a n g S cie n ce a n d T e ch n o lo g y o f Wa t e r C o n s e r v a n cy No 4 20l3 ( T o t a l No 4 1 ) 为此 ， 应求一个宽浅式的梯形 断面 ， 使其水深和 底宽有一个较 广的选 择范 围以适 应各种 情况 的需 要 ， 而在此范 围内又能基本上满 足水力最佳 断面 的 要求 ， 这种断面称为实用经济断面 。 在灌区的设计中， 根据 灌排与排水T程设计规 范 ( G B 5 0 2 8 8 - - - 9 9 ) ， 渠道水力最佳 断面计 算方 法( 参照附录 H) 如下 ： 1 ) 梯 形 渠 道 水 力 最佳 断 面水 力 要 素 计 算 公 式为 ： 8 9 )百 b 。=2 ( 1+m。 ) 寺一m h o ( 5 ) A 0=b o h 0+mh 0 ( 6 ) o=b 0+2 ( 1+m ) h 0 ( 7 ) ： A _ 0 ( 8 ) = ( 9 ) 式中 ： h。 为水力最佳断面水深 ， in ； n为渠床糙率 ， m； Q为渠道设计流量 ， m s ； m为渠道内边坡系数 ， n l； i 为渠底 比降 ； b 。 为水力最佳断面底宽 ， I n ； A。 为水力 最佳断面的过水断 面面积， 1T I ； 。 为水力最佳断面 湿周 ， 1T I ； R。 为水力最佳断面的水力半径 ， m； V 。 为水 力最佳断面流速 ， m s 。 2 ) 梯形渠道实用经济断面是 以实用经济断面与 水力最佳断面比例关系来确定的梯形渠道实用经济 断面与水力最佳断面的水力要素关系式 ： = V = A = ( 百R 0 ) T2=( ) 号( 1 0 ) L 百 L 川 ( ) ( 惫 ) + = 。( 1 1 ) 卢 高m ( 1 + m m ) 一 8 6 一 式中 ： 为水力最佳断面流速( 或过水断面面积) 与 实用经济断面流速( 或过水断面面积 ) 的 比值 ； h为 实用经济断面水深 ， I n ； V为实用经济断面流速 ， m s ； A为实用经济断面的过水 断面面积 ， m ； 为实用经 济断面湿周 ， m； R为实用经济断面的水力半径 ， m； b 为实用经济断面底宽 ， i n ； 3 为实用经济断面底宽与 水深的比值。 3 渠道水 力最佳断面和 实用经济 断面 在实 际设计 中的应 用 三江平原二九 。灌 区为黑龙江省 江平原 “ 两 江一湖 ” 干流沿岸灌 区规划 1 4处大 中型灌区之一 ， 该灌 区规划水 田灌溉面积2 1 9 5 h m ， 工程建设 的主 要内容 有 总 干 渠 1条 ， 长2 1 7 k m， 干 渠 5条， 长 5 4 3 3 1 k m， 支渠 5 1 条 ， 1 3 7 0 7 5 k m 。 在灌区的渠道设计 中， 利 用水力最佳断面及最 佳断面与实用经济断面关系的计算公试， 利用电子 表格 E X C E L ， 编辑成计算关系公式 ， 减少 了出差率 ， 提高了计算效率 、 下面以总干渠为例 ， 对设计成果加 以说明。 总干渠根据流量推求 ， 设计流量为 Q为 5 0 9 2 8 5 6 1T I s ， 加大 流量为 6 3 73 2 8 4 m s ； 坡 降 i 根据地形条件取 1 1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 ； 本区为黏土或壤 土 ， 内边坡 m取 1 ： 21 ： 2 5 ， 外边 坡取 1 ： 1 7 5 1 ： 2 2 5； 渠道为土渠 ， 糙率 取 0 0 2 2 5 0 0 2 5 。 1 ) 首先根据总干渠的分段设计参数 Q、 m、 n 、 i ， 计算总干渠的水力最佳断面的 h。 、 b 。 、 A。 、 。 、 R。 、 V ； 共分 7段 ， 计算结果见表 1 。 2 ) 由灌溉与排水工程设计规范的表 H 0 2查 与 仅=1 0 0、 1 O 1 、 1 0 2 、 1 0 3 、 1 0 4相应的 h h 值 ， 以及与 O l、 m相应的 B值 ， 并分别计算相应 的 h 、 b值 ； 在按公 式分 别计 算 与 O =1 0 0、 1 0 l、 1 0 2 、 1 0 3、 1 0 4 相应的 、 和 R值， 具体可见表 2 。 周春霞 ： 梯形灌溉渠道横断面设计分析 第 4期 3 ) 根据以上 5组数据 O l、 h h 。 ， 分 7段进行计 算 h 、 b 、 V 、 A、 R值 ， 以总干渠 0+ 0 0 0 0+ 7 1 4和总干 渠 lO+9 2 31 5+4 5 5为例 ， 将计算结果 列入表 3 ， 表 4 。 表 1 总干渠水力最佳断面计算成果表 一 8 7 2 0 1 3年第 4期 ( 第 4 l 卷 ) 黑龙江水利科技 H e i lo n g j i a n g S ci e n ce a n d T e ch n o lo g y o f Wa t e r C o n s e r v a n cy No 4 2 0 l3 ( T o t a l N o 4 1 ) 4 ) 总干 渠根据 以上 的实 用经济 断面 的计算 方 法 ， 确定满足流速要求的渠道水深 ， 进而计算出渠道 的底宽( 取整数) ， 总干渠最后选定底宽 b和水深 h 及其它水力要素成果见表 5 。 5 ) 以0+ 0 0 0 0+7 1 4段为例， 按水力最佳断面 和修正后的实用经济 断面， 将 两者设计参数及工程 量列于表 6 ， 表 6中的高程取本段平均。 4 结 语 通过 0+ 0 0 0 0+ 7 1 4段 比较可以看 出， 当 O t= 1 O 0 、 Q = 2 8 5 6 m s 、 b 。 ：1 6 7 m时为水力最佳断 面， 设计水深4 3 3 m， 加大水深4 5 9 m，水深较 大， 而底宽较小 ， 为窄深式 的结构 ， 这种渠道不安全且不 利于施工 ， 对填方渠道的稳定性要求较高， 填方量和 投资较 大， 并不 能达 到经济 的 目的。按 =1 O 1 1 0 4修正 ， 最后取 0 【 =1 0 4则 6=1 2 m， 计算相应的 设计水 深 为2 9 3 m， 加 大水深3 2 2 m， 认 为较 为 合 理 ， 投资相对较省。因此在实际渠道 的设计中， 不能 单纯追求水力最佳断面 ， 还要从实际出发 ， 有利于机 械施工， 使水深和底宽有一个较广的选择范围， 又能 基本上满足水力最佳断面的要求 ， 使选定断 面经济 实用 ， 最 后 达到 投 资较 省， 便 于施 _T， 安 全运 行 的 目的 。 参考文献 1 中华人 民共和闰水利部 G B 5 0 2 8 8 9 9灌溉与排水 一 程设计规范 S 北京： 中闰计划m版社， 1 9 9 9 2 吴持恭 水利学 M 北京： 高等教育 H版社， 2 0 0 8 3 周春霞黑龙江省i 汀平原二儿O灌区丁程初步设计报 告 R 哈尔滨： 黑龙江省农垦勘测设计研究院， 2 0 1 0 表 5二九。灌区总干渠水力要素表 o+0 0 00+7 1 4 2 8 5 6 3 2 ： 8 4 2 0 0 0 0 2 5 2 2 5 0 0 2 2 5 1 2 2 9 3 3 2 2 2 0 3 8 0 5 0 5 0 9 2 5 0+7 1 42+6 2 0 2 6 9 5 3 0 9 9 2 0 0 0 0 2 5 2 2 5 0 0 2 2 5 1 2 2 8 4 3 3 1 2 5 1 9 8 9 0 4 9 7 0 9 2 5 2+ 6 2 05+8 4 O 2 3 9 3 2 7 5 2 2 0 0 0 0 2 5 2 2 5 0 0 2 2 5 1 2 2 6 7 1 2 9 3 9 1 8 9 1 0 4 8 1 0 9 2 5 十 5+8 4 05+9 0 O 1 5 6 8 1 9 6 1 5 0 0 0 2 1 7 5 0 0 2 5 8 2 5 5 3 2 8 6 5 1 7 2 3 0 4 6 9 0 9 2 5 渠 5+9 0 08+9 3 6 1 5 4 6 1 9 3 3 1 5 0 0 0 2 1 7 5 0 0 2 5 8 2 5 3 5 2 8 4 4 1 71 3 0 4 6 8 0 9 2 5 8+9 3 61 0+2 9 3 7 2 1 9 0l 1 5 O o o 2 1 7 5 0 0 2 5 3 2 3 5 3 2 6 0 8 1 3 4 1 0 3 9 7 0 9 2 5 1 O+2 9 31 5+ 4 5 5 5 0 9 6 3 7 1 5 0 0 0