第一節(jié)灌溉渠道流量確定和設(shè)計(jì)(三)

第一節(jié)灌溉渠道流量確定和設(shè)計(jì)(三)(2)續(xù)灌渠道設(shè)計(jì)流量的計(jì)算:續(xù)灌渠道一般為干、支渠道，流量較大，上、下游流量相差懸殊，這就要求分段推算設(shè)計(jì)流量，各渠段可采用不同的斷面。各級(jí)續(xù)灌渠道的輸水時(shí)間都等于灌區(qū)灌水延續(xù)時(shí)間，可以直接由下級(jí)渠道的毛流量推算上級(jí)渠道的毛流量。所以續(xù)灌渠道設(shè)計(jì)流量的推算方法是自下而上逐級(jí)、逐段進(jìn)行推算。生產(chǎn)實(shí)際中一般用經(jīng)驗(yàn)公式估算續(xù)灌渠道分段設(shè)計(jì)流量。

具體推算方法以圖為例說(shuō)明如下：圖中表示的渠系有1條干渠和4條支渠，各支渠的毛流量分別為Q1、Q2、Q3、Q4，支渠取水口把干渠分成3段，各段長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1、L2、L3，各段的設(shè)計(jì)流量分別為QOA、QAB、QBC，

計(jì)算公式如下：具體推算可參見教材p125例3—1。

3．渠道最小流量和加大流量:

渠道最小流量可能出現(xiàn)于河流水源不足的時(shí)候，有時(shí)灌區(qū)需對(duì)種植面積較小或灌水定額較小的作物單獨(dú)供水，也可能出現(xiàn)渠道最小流量(Qmin)。最小流量用以校核對(duì)下一級(jí)渠道的水位控制條件和確定修建節(jié)制閘的位置，并按最小流量驗(yàn)算渠道不淤條件。(1)渠道最小流量的確定：為保證渠道順利輸、配水，對(duì)于同一條渠道，其設(shè)計(jì)流量(Qd)與最小流量(Qmin)相差不能過(guò)大，為了保證對(duì)下級(jí)渠道正常供水，有些灌區(qū)規(guī)定渠道最小流量以不低于渠道設(shè)計(jì)流量的40％為宜；也有的灌區(qū)規(guī)定渠道最低水位等于或大于70％的設(shè)計(jì)水位。實(shí)際灌水中如某次灌水定額過(guò)小，可實(shí)行集中供水，縮短供水時(shí)間；如因水源缺水造成引水量過(guò)小，則可對(duì)支渠實(shí)行續(xù)灌。(2)渠道加大流量的確定:加大流量是考慮到灌區(qū)管理運(yùn)用中可能出現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)未能預(yù)料到的變化(如種植比例變化、擴(kuò)大灌溉面積，稀遇的干旱氣候等)和短時(shí)加大輸水的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意留有余地。同時(shí)，渠道加大流量也是設(shè)計(jì)堤頂高程的依據(jù)。即:堤頂高程=渠道加大流量水位+堤頂超高。

渠道加大流量的計(jì)算是以設(shè)計(jì)流量為基礎(chǔ)，給設(shè)計(jì)流量乘以“加大系數(shù)”即可?？砂聪铝泄接?jì)算。

Q加大

=JQ設(shè)

式中：Q加大―渠道加大流量（m3s-1）；Q設(shè)―渠道設(shè)計(jì)流量（m3s-1）；J

―加大系數(shù)(%)，可參照下表執(zhí)行。

渠道設(shè)計(jì)流量（m3s-1）<11—55—1010—30>30加大流量系數(shù)J1.35—1.301.30—1.251.25—1.201.20—1.151.15—1.10注：輪灌渠道不考慮加大流量；抽水灌區(qū)干渠的加大流量按備用機(jī)組的抽水能力而定。渠道流量加大系數(shù)與渠道流量進(jìn)位規(guī)定:渠道流量加大系數(shù)二、灌溉渠道縱橫斷面設(shè)計(jì):

灌溉渠道的設(shè)計(jì)流量、最小流量和加大流量確定以后，就可據(jù)此設(shè)計(jì)渠道的縱橫斷面。設(shè)計(jì)流量是進(jìn)行水力計(jì)算、確定渠道過(guò)水?dāng)嗝娉叽绲闹饕罁?jù)。渠道縱、橫斷面設(shè)計(jì)應(yīng)除了滿足渠道的輸水、配水要求外，還應(yīng)滿足渠床穩(wěn)定條件，包括縱向穩(wěn)定和平面穩(wěn)定兩個(gè)方面。

一般對(duì)渠道橫斷面設(shè)計(jì)的要求是保證設(shè)計(jì)的斷面能夠輸送設(shè)計(jì)流量和加大流量，設(shè)計(jì)的斷面渠床穩(wěn)定，不沖涮，不淤積，不塌坡；對(duì)渠道縱斷面設(shè)計(jì)要求是應(yīng)盡可能保證渠道有足夠的水位高度，以滿足灌區(qū)大部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)自流灌溉；渠道土方工程量小，渠系建筑物少，經(jīng)濟(jì)合理；縱向穩(wěn)定要求渠道在設(shè)計(jì)條件下工作時(shí)，不發(fā)生沖刷和淤積，或在一定時(shí)期內(nèi)沖淤平衡。平面穩(wěn)定要求渠道在設(shè)計(jì)條件下工作時(shí)，渠道水流不發(fā)生左右搖擺。渠道縱斷面和橫斷面的設(shè)計(jì)是互相聯(lián)系、互為條件的。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中應(yīng)統(tǒng)盤考慮、交替進(jìn)行、反復(fù)調(diào)整，最后確定合理的設(shè)計(jì)方案。1．渠道橫斷面設(shè)計(jì)渠道橫斷面尺寸要根據(jù)渠道設(shè)計(jì)流量通過(guò)水力計(jì)算加以確定。一般情況下采用明渠均勻流公式計(jì)算，即

式中：Q為渠道設(shè)計(jì)流量；A為渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；R為水力半徑，i為渠底比降；C為謝才系數(shù)，一般采用曼寧公式進(jìn)行計(jì)算，其中n為渠床糙率。設(shè)計(jì)渠道時(shí)要求投資少，效率高，即在設(shè)計(jì)流量Q、比降i、糙率系數(shù)n值相同的條件下，使渠道斷面最?。换蛟谙嗤瑪嗝鏃l件下通過(guò)的流量Q最大。符合這些條件的斷面稱為水力最佳斷面。h

從公式可以看出，當(dāng)A、n、i一定時(shí)，水力半徑最大或濕周最小的斷面就是水力最佳斷面。半圓形斷面是水力最佳斷面，天然土渠修成半圓形是很困難的，也是不穩(wěn)定的，只能修成接近半圓的梯形斷面。

AXRBbbhbh(b+mh)hb+2hmbb+2mhBB

（1）渠底比降：兩端渠底高差和渠段間距離的比值稱為渠底比降。應(yīng)根據(jù)渠道沿線的地面坡度、下級(jí)渠道進(jìn)水口的水位要求、渠床土質(zhì)、水源含沙情況、渠道設(shè)計(jì)流量大小等因素，選擇適宜的渠底比降。清水渠道易產(chǎn)生沖刷，比降宜緩，如淠史杭灌區(qū)輸水渠道的比降為1／10000-1／28000。渾水渠道容易淤積，比降應(yīng)適當(dāng)加大，如人民勝利渠灌區(qū)的渠底比降為1/1000—1／6000。對(duì)黃河中下游地區(qū)：干渠：1/2000—1/5000；支渠：1/1000—1/3000；斗渠：1/200—1/1000。

（2）渠床糙率系數(shù)：渠床糙率系數(shù)n是反映渠床粗糙程度的技術(shù)參數(shù)。確定糙率n值要慎重。若選擇的渠床糙率較實(shí)際渠床的糙率小，則渠道運(yùn)行時(shí)的實(shí)際輸水能力就會(huì)達(dá)不到設(shè)計(jì)流量，滿足不了灌溉水量的要求，還有可能造成渠道淤積；當(dāng)選擇的渠床糙率大于實(shí)際值時(shí)，不僅增加渠道斷面，而且還會(huì)引起渠道的沖刷，渠中水位降低，減少渠道自流控制面積。渠道的糙率系數(shù)值的正確選擇不僅要考慮渠床土質(zhì)和施工質(zhì)量，還要估計(jì)到建成后的管理養(yǎng)護(hù)情況。生產(chǎn)實(shí)踐可參考已建灌區(qū)采用數(shù)值或參考教材表3-13所示。例n=0.025或0.02看起來(lái)相差不大,但1/n,一個(gè)為40,另一個(gè)為50,相差25%。x

（3）渠道的邊坡系數(shù)：渠道的邊坡系數(shù)m是渠道邊坡傾斜程度的指標(biāo)，其值等于邊坡在水平方向的投影長(zhǎng)度和在垂直方向投影長(zhǎng)度的比值。m值的大小關(guān)系到渠坡的穩(wěn)定，要根據(jù)渠床土壤質(zhì)地和渠道深度等條件選擇適宜的數(shù)值。矩形斷面的邊坡系數(shù)m等于零。大型渠道的邊坡系數(shù)應(yīng)通過(guò)土工試驗(yàn)和穩(wěn)定分析確定。當(dāng)挖方深度大于5m，渠中水深大于3m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行渠道土壤穩(wěn)定性分析，從而確定邊坡系數(shù)值。若挖方小于5m，水深小于3m，這時(shí)挖方渠道的邊坡系數(shù)可參考已成灌區(qū)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。如果填方渠道的填方高度大于3m時(shí)，邊坡系數(shù)應(yīng)通過(guò)水工試驗(yàn)和穩(wěn)定性分析確定。h

表3-16梯形渠道水力最佳斷面參數(shù)計(jì)算公式

(4)梯形渠道水力最佳斷面的計(jì)算公式:在渠道比降和渠床糙率一定的條件下，通過(guò)設(shè)計(jì)流量所需要的最小過(guò)水?dāng)嗝娣Q為水力最佳斷面，梯形渠道水力最佳斷面的水力要素按下表計(jì)算。

梯型渠道水力最優(yōu)斷面常為窄深式，這種渠施工困難，特別是大型渠道，當(dāng)?shù)匦螚l件復(fù)雜時(shí)施工就更加困難，因此在實(shí)際應(yīng)用中，水力最優(yōu)斷面不一定是經(jīng)濟(jì)斷面。但水力最優(yōu)斷面具有工程量最小的優(yōu)點(diǎn)，小型渠道和石方渠道可以采用。在工程實(shí)踐中為了經(jīng)濟(jì)合理，常常放棄水力最優(yōu)斷面，而選用實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面。實(shí)際過(guò)程中存在一組寬淺式的梯形斷面，其水深和底寬有一個(gè)較廣的選擇范圍，以適應(yīng)各種具體情況的需要，而在此范圍內(nèi)又能基本上滿足水力最優(yōu)斷面的要求（即其過(guò)水?dāng)嗝婷娣ew與水力最優(yōu)斷面的w優(yōu)相接近），滿足這些要求的斷面稱為實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面。

根據(jù)上式可算出不同邊坡系數(shù)相應(yīng)的水力最優(yōu)斷面的寬深比，見下表

式中：α為水力最優(yōu)斷面流速(或過(guò)水?dāng)嗝婷娣e)與實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面流速(或過(guò)水?dāng)嗝婷娣e)的比值；V、A、R、h分別為實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面的流速(m／s)、過(guò)水?dāng)嗝婷娣e(m’)、水力半徑(m)和水深(m)；β為實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面的寬深比。(5)梯形渠道實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面的水力計(jì)算公式第五節(jié)灌溉渠道系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面計(jì)算步驟：①根據(jù)表3-16公式，計(jì)算出水力最優(yōu)斷面的水力要素。②分別計(jì)算α所對(duì)應(yīng)的h和b值。③據(jù)式（3-33）計(jì)算α相應(yīng)的V、A和R值，并繪制b=f(h)和V=f(h)渠道特性曲線。④根據(jù)渠段地形、地質(zhì)等條件，由渠道特性曲線圖上選定設(shè)計(jì)所需的h、b、V值。⑤校核實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面是否滿足渠道允許流速的要求。根據(jù)規(guī)范，對(duì)渾水渠道：

對(duì)粘性土渠道和剛性襯砌取小值，沙性土取大值。(7).渠道允許不沖、不淤流速:渠道斷面過(guò)于窄深或?qū)挏\，都會(huì)影響渠道斷面的穩(wěn)定性。穩(wěn)定斷面的寬深比應(yīng)滿足渠道不沖、不淤流速要求，即要求渠道中的實(shí)際流速大小有一個(gè)允許范圍：

V不沖>V允許>V不淤在此范圍內(nèi)的流速值，稱為渠道的允許流速。不沖、不淤流速的確定應(yīng)在總結(jié)當(dāng)?shù)匾殉汕肋\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究確定。

1)渠道不沖流速:與渠床土質(zhì)、渠道流量、斷面水力要素、水流含沙情況等因素有關(guān)，具體數(shù)值要通過(guò)試驗(yàn)研究或總結(jié)已成渠道的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)而定。一般土渠的不沖流速在0.6-0.9m／s之間,下表中的數(shù)值可供設(shè)計(jì)參考。土質(zhì)渠道不沖流速渠床土質(zhì)

不沖流速(ms-1)備

注

輕壤土

0.6～0.81）表中土壤的干容重為1.3～1.7gcm-3；

2）當(dāng)R≠1m時(shí)，表中所列數(shù)值應(yīng)乘Ra加以修正。對(duì)于疏松的壤土和粘土，指數(shù)a=1/3～1/4；對(duì)于密實(shí)的砂壤土、壤土和粘土，a=1/4～1/5。

中壤土

0.65～0.85重壤土

0.70～0.95粘土

0.75～1.00

有襯砌護(hù)面的渠道的不沖流速比土渠大得多，如混凝土護(hù)面的渠道允許最大流速可達(dá)12m／s。但從渠床穩(wěn)定考慮，仍應(yīng)對(duì)襯砌渠道的允許最大流速限制在較小的數(shù)值范圍內(nèi)。美國(guó)墾務(wù)局建議：無(wú)鋼筋的混凝土襯砌渠道的流速不應(yīng)超過(guò)2.5m／s，因?yàn)榱魉偬蟮乃饔龅搅芽p或縫隙時(shí)，流速水頭就轉(zhuǎn)化為壓能，會(huì)使襯砌層翹起和剝落。

2)渠道的不淤流速：渠道水流的挾沙能力隨流速的減小而減小，當(dāng)流速小到一定程度時(shí)，部分泥沙就開始在渠道內(nèi)淤積。泥沙將要沉積時(shí)的流速就是臨界不淤流速。在清水渠道中，為了不讓渠道長(zhǎng)草，一般要求斷面平均流速大于0.3～0.5ms-1，習(xí)慣上也有人稱之為不淤流速。渠道不淤流速主要取決于渠道含沙情況和斷面水力要素，即渠道水流的挾沙能力，根據(jù)我國(guó)各地經(jīng)驗(yàn)，常用的渠道挾沙能力的計(jì)算公式主要為根據(jù)實(shí)際研究成果而得到的經(jīng)驗(yàn)公式：

Vcd=CoQ0.5

式中：Vcd為渠道不淤流速(m／s)；Co為不淤流速系數(shù)；Q為渠道的設(shè)計(jì)流量(m3／s)。上式適用于黃河流域含沙量為1.32—83.8kg／m3、加權(quán)平均泥沙沉降速度為0.0085—0.32m／s的渠道。見例四①渠道加大水深：渠道通過(guò)加大流量Qj時(shí)的水深稱為加大水深hj。通常用試算法或查諾模圖求加大水深，計(jì)算的方法步驟和求設(shè)計(jì)水深的方法相同。

(8).渠道過(guò)水?dāng)嗝嬉陨喜糠值挠嘘P(guān)尺寸hdhj△h渠堤頂高程?

②安全超高。為了防止風(fēng)浪引起渠水漫溢，保證渠道安全運(yùn)行，挖方渠道的渠岸和填方渠道的堤頂應(yīng)高于