大石板渡槽過水能力不足的原因分析及技術(shù)改造措施

鮮朝熊

(四川省玉溪河灌區(qū)運(yùn)管中心，四川 邛崍，611530)

1 工程概況

大石板渡槽是玉溪河引水工程主干渠的主要建筑物之一，渡槽位于邛崍市天臺(tái)山鎮(zhèn)境內(nèi)，1978年1月建成通水。渡槽槽身進(jìn)口里程12+693，槽身全長68m，為鋼筋混凝土U形薄殼渡槽，共2跨，每跨34m，布置為雙懸臂簡支結(jié)構(gòu)。槽身凈寬4.0m，總高3.4m，凈高3.2m，半圓槽身半徑R=2.0m。槽身進(jìn)口上游為25m長的漸變段與梯形明渠相連，槽身出口下游為30m長的漸變段連接梯形明渠。實(shí)測槽身縱坡為1/687。渡槽設(shè)計(jì)流量25m3/s，1998年技改前實(shí)際最大過水20m3/s，占設(shè)計(jì)的80%。該渡槽為主干渠中段的卡脖子工程，因此，要增大主干渠中段輸水能力，必須解決大石板渡槽過水能力不足的問題。

2 過水能力不足的原因分析

2.1 實(shí)測資料情況

為解決大石板渡槽過水能力不足問題，首先進(jìn)行了基本資料的收集和基本數(shù)據(jù)的實(shí)測、復(fù)核，包括設(shè)計(jì)圖、竣工圖的收集，渡槽底高程的實(shí)測，上、下游連接段實(shí)測，渡槽結(jié)構(gòu)尺寸實(shí)測以及渡槽上下游主干渠水面線實(shí)測、渠底線實(shí)測，渡槽下游建筑物隧洞、暗渠進(jìn)出口水位差實(shí)測和工程實(shí)地踏勘等。

根據(jù)1998年大石板渡槽實(shí)測水面線和1996年實(shí)測渠底線繪制渡槽縱剖面線見圖1。由圖1可知，渡槽上、下游總水面降落值ΔZ=0.14m，進(jìn)口水面降落值ΔZ1=0.144m，出口底板高程與渠底高程差0.19m。

圖1 大石板渡槽縱剖面線

2.2 槽身過水能力復(fù)核

2.3 渡槽水頭損失及水面銜接計(jì)算

按《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)(第八卷)》[2]P8-171公式計(jì)算。采用設(shè)計(jì)流量25m3/s，上、下游明渠設(shè)計(jì)水深3.5m，渡槽內(nèi)水深3.05m。

2.3.1 渠道上下游渠內(nèi)正常流速v1及渡槽內(nèi)正常流速v2計(jì)算

渠內(nèi)水深h1=3.5m時(shí)，v1=1.02m/s；

槽內(nèi)水深h2=3.05m時(shí)，v2=2.39m/s。

2.3.2 進(jìn)口段水面降落

按公式ΔZ1=(1+ξ)(v22-v12)/2g計(jì)算。ξ為水頭損失系數(shù)，長扭曲面ξ=0.1，計(jì)算結(jié)果：ΔZ1=0.262m。

2.3.3 槽身水面降落

按公式ΔZ2=iL計(jì)算，i=1/687，L=68m，計(jì)算結(jié)果ΔZ2=0.099m。

2.3.4 出口水面回升

按公式ΔZ3=1/3ΔZ1計(jì)算，ΔZ3=0.087m。

2.3.5 渡槽總水面降落

按公式ΔZ=ΔZ1+ΔZ2-ΔZ3計(jì)算，ΔZ=0.274m。

2.3.6 渡槽槽身進(jìn)出口底板高程與上、下游渠底高程之差的計(jì)算

進(jìn)口底板高程差：▽2-▽1=h1-ΔZ1-h2=0.188m；

出口底板高程差：▽3-▽4=h3-h2-ΔZ3=0.363m。

2.4 實(shí)測值與計(jì)算值(理論值)對(duì)比分析

由以上計(jì)算值與渡槽實(shí)測值比較：渡槽總水面降落應(yīng)該為27.2cm，而實(shí)際為14cm，即渡槽預(yù)留水頭損失不夠；渡槽進(jìn)口段水面降落應(yīng)該為26.2cm，實(shí)際為14.4cm，即進(jìn)口水面降落不充分；渡槽出口底板與下游渠底高差應(yīng)為36.3cm，實(shí)際為19.4cm。由以上計(jì)算分析可知，大石板渡槽過水能力不足的原因是下游渠道底板高程銜接不合理和下游渠道壅水造成。

大石板渡槽過水能力不足，形式上表現(xiàn)為渡槽下游壅水，實(shí)質(zhì)上是該渡槽預(yù)留水頭損失不夠。據(jù)《四川省玉溪河灌區(qū)管理局志》記載，大石板渡槽處原設(shè)計(jì)為明渠方案，后因施工中內(nèi)坡滑動(dòng)的原因而改作渡槽[3]，而在上、下游渠底比降無法調(diào)整的情況下，就渡槽本身來講存在預(yù)留水頭損失不夠的問題。所以，提高大石板渡槽過水能力的思路是采取工程措施，增大渡槽進(jìn)出口之間的水面降落，即加大渡槽的進(jìn)出口水頭，從而增大渡槽過水能力。

2.5 渡槽出口降低水位運(yùn)行水力試驗(yàn)

為驗(yàn)證降低渡槽下游水位對(duì)渡槽過水能力的影響，對(duì)大石板渡槽下游至周灣段干渠降低水位運(yùn)行試驗(yàn)。具體做法：在大石板渡槽正常過流狀態(tài)下，從大石板渡槽下游2.19km處的周灣泄水閘泄水，使周灣水位下降10cm，泄水流量1.4m3/s，待水位穩(wěn)定后，測水面線和觀測渡槽出口水面下降情況。當(dāng)時(shí)實(shí)測大石板渡槽過水21.48m3/s，周灣水位下降10cm，大石板渡槽出口水位下降7.7cm，大石板渡槽進(jìn)口水位下降7.0cm。渡槽槽內(nèi)水深進(jìn)口2.9m，出口2.85m，設(shè)計(jì)水深3.1m。降水試驗(yàn)表明：降低渡槽下游渠道水位能顯著增大大石板渡槽過水能力。

3 增大渡槽過水能力的措施

根據(jù)對(duì)實(shí)測資料計(jì)算分析和降低渡槽出口下游干渠水位運(yùn)行水力試驗(yàn)及工程踏勘情況，采用降低渡槽出口下游渠道水位方案解決渡槽過水能力不足問題。該方案的基本思路為：對(duì)渡槽出口下游的阻水建筑物和渠道進(jìn)行改造、整治，從而降低渡槽出口水位，達(dá)到增大過流目的。

3.1 工程阻水問題

通過對(duì)主干渠中段1998年實(shí)測水面線和1996年實(shí)測渠底線及1995年12月歲修實(shí)際踏勘情況綜合分析，工程阻水問題包括：渠底超高、周灣光明暗渠內(nèi)框架阻水，建筑物漸變段不規(guī)則，隧洞、暗渠迎水面粗糙等。

(1)周灣光明暗渠內(nèi)鋼筋混凝土框架阻水。光明暗渠全長63m，位于主干渠14+971～15+034之間，暗渠內(nèi)有鋼筋混凝土框架20排，間距1.3m。由于框架的存在，減少過水面積1.7m2，實(shí)測上下游水位差17cm，按暗渠底坡1/2000推算，壅水高達(dá)13cm。

(2)渠道局部底板高程高于設(shè)計(jì)值，從而在渠內(nèi)形成一道道阻水門檻，由于阻水門檻的存在，在渠內(nèi)形成無數(shù)的a1型壅水曲線，無數(shù)的a1型壅水不斷地從下游向上游疊加，增大了大石板渡槽出口的壅水值，降低了渡槽的過水能力。在主干渠12+790～29+665之間共有22段明渠底板超高，總長11.24km，其中12+790～18+090之間8段3555m，超高嚴(yán)重，最大超高達(dá)46.2cm，平均超高在15cm左右。

(3)隧洞、暗渠糙率值大阻水。隧洞、暗渠迎水面凹凸不平，從而增大糙率值造成阻水。大石板渡槽進(jìn)口12+693至大佛寺隧洞出口15+349之間共有隧洞2座總長556m，暗渠7座總長462m。其中，壅山暗渠長192m，實(shí)測進(jìn)出口水位差16cm，壅水6.4cm。

(4)大石板渡槽出口漸變段極不順暢，漸變段水流紊亂，左側(cè)水流呈回流狀。

3.2 技術(shù)改造措施

技術(shù)改造分兩期實(shí)施。

第一期1998年底完成，完成的項(xiàng)目包括：①在對(duì)暗渠加固的情況下，拆除光明暗渠內(nèi)全部鋼筋混凝土框架；②對(duì)康槽隧洞、大佛寺隧洞和壅山暗渠、勝利暗渠、光明暗渠共計(jì)長度903m，邊墻采用M10水泥砂漿抹面減糙；③對(duì)大石板渡槽出口漸變段整治改造，使水流順暢。經(jīng)過當(dāng)年技術(shù)改造，大石板渡槽過水能力達(dá)22m3/s，較技改前增加2m3/s。

第二期于2015年1月完成，完成的項(xiàng)目包括：①下游明渠底板超高調(diào)整22段長11.24km；②漸變段改造3處；③暗渠抹面減糙35座長2154m，隧洞抹面減糙8座3502m。

4 結(jié)語

大石板渡槽為玉溪河引水工程主干渠中段的卡脖子工程，通過渡槽水力計(jì)算與實(shí)測值對(duì)比分析，并結(jié)合渡槽下游降低水位運(yùn)行水力試驗(yàn)，渡槽過水能力不足是由于下游渠道壅水造成。經(jīng)過兩期對(duì)下游阻水建筑物改造，包括暗渠內(nèi)阻水框架拆除，渠底超高調(diào)整，隧洞、暗渠迎水面抹面減糙，漸變段改造等，渡槽過水能力達(dá)26.5m3/s，設(shè)計(jì)為25m3/s，比技術(shù)改造前每年新增供水1.03億m3，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著，為玉溪河引水工程效益的發(fā)揮和灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展打下了良好基礎(chǔ)。