自流灌區(qū)倒虹吸工程水頭損失分析

唐 波，曹 銳 ，佘 磊 ，梁愛萍

（1.宿遷市水務(wù)勘測設(shè)計研究有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.宿遷市宿城區(qū)水務(wù)局，江蘇 宿遷 223800）

1 概述

平原灌區(qū)地勢平坦，地面高差相差不大。灌區(qū)骨干渠系灌溉水位與骨干排澇河道的排澇水位相差不大，在渠系與排澇河道交叉時，交叉建筑物型式選擇為倒虹吸結(jié)構(gòu)。但在實際運(yùn)行中，倒虹吸的水頭損失往往大于設(shè)計預(yù)期值，本文結(jié)合眾程灌區(qū)程道倒虹吸工程實例來分析其原因。

眾程灌區(qū)地處江蘇北部、蘇北平原中部，南到京杭大運(yùn)河，北至泗沭邊界，西鄰宿豫區(qū)，東連新華灌區(qū)，范圍包括泗陽縣境內(nèi)眾興、八集、三莊、穿城、南劉集、張家圩、愛園、王集8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積453 km2，耕地面積2.47萬hm2，設(shè)計灌溉面積2.27萬hm2，有效灌溉面積2.03萬hm2，為京杭運(yùn)河沿線大型自流灌區(qū)。

眾程灌區(qū)地勢特點為西高東低，南高北低，最高地面高程16.5 m（廢黃河高程系，下同），最低地面高程8.5 m，平均地面坡度1/7000。灌區(qū)內(nèi)土壤沙土占80%，壤土占20%。灌區(qū)土質(zhì)肥沃，適宜種植水稻、小麥、油菜等多種作物，水土保持良好。

程道倒虹吸位于灌區(qū)程道干渠樁號k1+000處，功能是將干渠水通過倒虹吸穿越六塘河輸送到下游干渠。倒虹吸設(shè)計流量為25 m3/s，灌區(qū)規(guī)劃此處水頭損失不得超過30 cm。

2 工程設(shè)計

倒虹吸采用矩形結(jié)構(gòu)，總長268 m。箱涵段長173 m，總寬11.00 m，單孔凈寬3.0 m，高3.0 m，共計3孔。其中：傾斜段長113 m，分10段；水平段長60 m，分5段，每段長12 m。進(jìn)口段設(shè)鋪蓋、漸變段、進(jìn)口控制段，出口段設(shè)沖砂閘、消力池、護(hù)坦；其中進(jìn)口段總長39 m，出口段總長55 m。進(jìn)出口與現(xiàn)狀渠道擋墻順接。計算簡圖如圖1所示。

水力計算按照《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計規(guī)范》（SL482-2011）[1]中公式計算，計算公式及結(jié)果如下。

（1）進(jìn)口漸變段局部水頭損失及水面降落

①進(jìn)口漸變段局部水頭損失

式中：

hj1—進(jìn)口漸變段的局部水頭損失；

ξ1—進(jìn)口漸變段的局部損失系數(shù)，與漸變段的型式有關(guān)，取0.3；

v1、v2—渠道進(jìn)口漸變段始末斷面的平均流速；

g—重力加速度，m/s2。

②水面降落

式中：

ΔZ1—進(jìn)口漸變段水面落差，m。

（2）局部水頭損失

式中：

hj—倒虹吸的局部水頭總損失，m；

φ、φi—管道出口斷面面積和局部阻力損失處的相應(yīng)斷面面積，m2；

ξ1—一局部水頭損失系數(shù)，如攔污柵、閘門槽、進(jìn)水口、彎管、出水口等的局部水頭損失系數(shù)（不包括 ξ1和 ξ2）。

（3）沿程水頭損失

式中：

hf—倒虹吸沿程阻力總水頭損失；

Ci—管身計算段水流的舍棄系數(shù)；

Ri—管身計算段水流的水力半徑；

Li—管身計算段的長度，m；

ω—管道出口橫斷面面積，m2；

ωi—管身計算段橫斷面面積，m2；

圖1 程道倒虹吸縱剖面圖及橫斷面圖

n—邊壁糙率。

（4）過流能力計算公式[2]

式中：

Q—管道的泄流量，m3/s；

ω—管道出口橫斷面面積，m2；

v—管道斷面平均流速，m/s；

ωi—管身計算段橫斷面面積，m2；

ΔZ2—進(jìn)口漸變段末端斷面至管道出口斷面的水面落差，m；

g—重力加速度，m/s2

μ—流量系數(shù)

w2—進(jìn)口漸變段末端的過水面面積，m2。

經(jīng)計算，本次采用3孔3 m×3 m箱涵，過流為25.44 m3/s＞25.00 m3/s，滿足設(shè)計要求。

（5）進(jìn)、出口水面總落差計算

ΔZ=ΔZ1+ΔZ2+ΔZ3

經(jīng)計算，總水頭落差15 cm。水頭差小于規(guī)劃數(shù)值，符合要求。

3 運(yùn)行現(xiàn)狀

工程建成后，實際運(yùn)行情況與設(shè)計情況卻不同，上下游水位差遠(yuǎn)大于設(shè)計值，最高時達(dá)到0.90 m，如圖2所示。

圖2中所示位置為工程建成后倒虹吸出口處干渠的水流情況，工程建成之前灌溉期，該位置水位常位于擋墻蓋頂下邊緣附近，由圖可清晰地看出，倒虹吸工程建成后，水位比以往低了約50 cm。據(jù)調(diào)查，工程建成后，灌溉初期倒虹吸下游水位接近規(guī)劃水位，隨著灌溉高峰期到來，水頭損失越大，到灌溉末期水頭又成減小趨勢。

圖2 運(yùn)行時地涵出口水流

4 原因分析

干渠水頭損失變大后，將給地方灌區(qū)灌溉造成較大影響。為盡量減少損失，經(jīng)調(diào)查分析研究，發(fā)現(xiàn)倒虹吸產(chǎn)生水位差遠(yuǎn)大于設(shè)計值的主要原因有如下幾點：

（1）下游渠系未按規(guī)劃的輪灌制度灌溉，下游2條分干渠同時開閘續(xù)灌，灌溉高峰期用水量增大，遠(yuǎn)大于設(shè)計流量25 m3/s，過流量增大，造成倒虹吸內(nèi)水流的流速增大，進(jìn)而增大了局部和沿程損失。為了解流量的增加對上下游水頭損失的影響，按理論公式[3]計算，假定上游水位恒定，通過流量增大進(jìn)行不同工況的計算，得出流量和水頭損失的對照表，如表1所示。

表1 程道倒虹吸水頭損失和過流量關(guān)系表

由表1可看出，倒虹吸上下游水頭損失隨著流量的增大，數(shù)量成倍的增大，根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制倒虹吸上下游水位差～流量曲線圖，如圖3所示。

圖3 倒虹吸上下游水位差～流量曲線圖

由圖3可看出，干渠中流量增大以后，倒虹吸的水頭損失也明顯增大，可以解釋灌溉不同時期，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頭差大，而灌溉高峰期灌溉用水量大，所以倒虹吸上下游水頭差大。

（2）渠道上游來水中含有大量水草，在通過倒虹吸上游攔污柵時，纏繞在攔污柵柵條上，堵塞攔污柵，減小了柵條的過水面積，增大了攔污柵的局部水頭損失。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和當(dāng)?shù)鼐用穹从常斐蓴r污柵前大量雜物的原因主要有：①人為因素。因程道地涵至程道渠首之間為敞口明渠，明渠兩岸被當(dāng)?shù)匕傩辗N植作物，當(dāng)?shù)鼐用裨诟鲿r，將田間的雜草雜物等均拋入渠道中，導(dǎo)致大量雜物被水沖至攔污柵前，形成淤積；②運(yùn)河中有少量水草經(jīng)程道渠首流入干渠。

攔污柵前攔蓄的雜草堵塞攔污柵柵條，減小過水?dāng)嗝妫鶕?jù)攔污柵水頭損失計算公式[4]，復(fù)核計算過水?dāng)嗝鏈p小與水頭損失之間的關(guān)系如表2所示。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制水頭損失～攔污柵總擋水面積與過水?dāng)嗝婵偯娣e比值之間的關(guān)系圖，如圖5所示。

由表2及圖5可以看出，當(dāng)攔污柵前柵條上掛滿水草，阻擋攔污柵過水以后，攔污柵上下游水頭損失隨著阻水面積的增大成拋物線式增長，遠(yuǎn)超過設(shè)計值。

圖5 水頭損失～攔污柵擋水面積與過水總面積比值關(guān)系圖

（3）箱涵實際施工過程中，混凝土表面糙率系數(shù)與設(shè)計工況不一致，表面可能因施工模板接縫或振搗不密實等原因造成，表面粗糙，糙率系數(shù)增大，進(jìn)而造成水頭損失大于設(shè)計值。

5 處理措施

針對上述問題，在工程后期運(yùn)行管理過程中，采取如下措施，有效地減少了倒虹吸上下游的水位差，具體做法如下：

（1）加強(qiáng)了運(yùn)行管理，下游渠道按照設(shè)計工況進(jìn)行調(diào)度，即按規(guī)定的輪灌制度進(jìn)行分期灌溉，保證干渠過水量維持在設(shè)計值附近。

（2）渠道上游增加攔污清污設(shè)施，即在倒虹吸上游設(shè)置回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，將渠道中的雜物及時清除，極大地減少了攔污柵前雜草、雜物，保證攔污的水頭損失控制在設(shè)計范圍內(nèi)。

（3）在后期運(yùn)行管護(hù)過程中，有條件時在箱涵內(nèi)壁涂抹一些光滑涂層，減小糙率，降低倒虹吸的沿程水頭損失。

6 結(jié)語

本文通過對程道倒虹吸工程不同運(yùn)行工況水力計算分析，了解倒虹吸實際運(yùn)行水位差大于設(shè)計值的主要原因。在后期的設(shè)計過程中需充分調(diào)查，重點考慮運(yùn)行流量、水質(zhì)、邊界條件等因素，確保工程在不同工況下運(yùn)行均滿足設(shè)計要求。

表2 程道倒虹吸進(jìn)水側(cè)攔污柵水頭損失和攔污柵堵塞情況關(guān)系表