干渠纵断面设计理论
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1、工程概况
1．1工程规模及布置
团结干渠位于以畜牧业为主的旱卡子滩乡境内，原设计流量3.5m3/s，系一条人工开凿的渠道。该段渠道多为山区石洞、土洞、明洞、渡槽、明渠等形式，并有退水闸、渠顶过洪渡槽等建筑物，长度10.433km，其中的石洞段长2.267km，土洞段长1.405km，其它段均为明渠。现状存在的主要问题:1)现状隧洞过水能力不足;2)现状渡槽过水能力不足;3)现状部分隧洞塌陷、断裂、淤积现象严重;4)隧洞衬砌结构老化破损现象严重该工程为老渠道改造工程，总体线路按照原渠线，对局部受场地和渠线防洪安全受影响的部分渠段进行调整，尽量利用现有的过水桥涵布置渠线。主要处理方案为:1)对渠线进行调坡，使流速达到规范允许的范围之内，避免渠道遭受冲刷危害。2)增设跨河渡槽、过洪涵洞和渡槽、桥涵等。保障渠线畅通和防洪安全。
1．2工程等别
团结干渠设计流量为3.50m3/s，工程规模Ⅳ等小(Ⅰ)型，主要建筑物4级，次要建筑物和临时性建筑物级别为5级。
2、干渠纵断面设计
2．1项目设计目标及原则
(1)项目设计目标1)对渠道进行衬砌，减少灌溉渗漏水量，恢复渠道历史引水流量;2)增大人工饲草料基地面积，减缓对天然草场破坏;3)早日实现草原生态平衡，促进生态良性循环，对改善草场退化现状起到一定的作用。(2)项目设计原则本工程是按照原有渠线设计，其地形高程满足自流灌溉，渠道设计纵坡基本结合地形情况而设计，根据新疆对不冲不淤流速经验，本渠道工程设计流速控制在1.22～3.50m/s之间。干渠的设计纵坡在满足自流引水的条件下，按照技术经济纵坡确定，以求得合理最小的各类建筑物所需尺寸，取得较小的工程量，较低的工程造价，最优的效益费用比。
2．2纵断面的设计
(1)设计方法干渠纵断面设计高程的推算综合考虑沿程及局部水头损失、流速水头的影响等，以上下游水面平顺衔接、无突变段(点)、防止壅水或跌落、各种输水建筑物渠底正坡连接、断面水流能量相等或近似相等为原则进行计算。首先确定水流总能量，即水面高程，进而确定渠底设计高程，以加大输水流量进行控制计算。渠底设计高程按照以下公式计算:H=E上－v2/(2g)－h－Δh式中:H—渠底设计高程(m2);E上—上一断面的总能量(m)，E上=H+h+v/(2g);V—断面加大流速(m/s);h—断面加大水深(m);Δh—水头总损失(m)。渠底设计高程推算的同时，也进行全线水面连接设计，渠道全线为恒定均匀流，通过计算，渠道全线水面连接平顺，水流顺畅，水面均匀。(2)设计纵坡分析根据建筑材料和实地渠线资料，兼顾现有渠段原状，在原有闸口基础上，调整了纵坡，以满足渠道的不冲、不淤要求，并结合地形纵坡，使工程尽量减少，各段渠道纵坡断面尽可能一致等条件为原则进行纵断面设计。本次改建渠道全长10.433km，原渠底起始高程1432.70m，末端高程为1399.35m，总落差33.35m。为保证大流量不冲、小流量不淤，尽量接近原始地形纵坡，优化方案，降低投资。3)连接物的设计纵坡渠道之间的连接建筑物设计纵坡主要以渠道水力设计参数控制，保证与渠道水流连接平顺过渡，断面能量相等的原则确定设计纵坡。渡槽以适当减小断面尺寸，降低槽身重量，并使水面衔接平顺的原则确定设计纵坡;石洞或土洞均与渠道相连接，设计纵坡采用与其相邻的渠道一致;梯型明渠位于渠道与渠道之间较长的连接段，长度较大，为节省水头，并考虑梯型明渠的过流工程特性，亦采用较缓纵坡为宜;矩型明渠按照前后连接建筑物的水力特性、水头分配等因素确定设计纵坡。4)设计结论综合上述设计原则、设计方法及分析论证，确定团结干渠工程渠道设计纵坡为i=1.8～20.9‰。
2．3设计中的问题
(1)断面及建筑物糙率渠道桩号0+000～6+303段中石洞段总长2267m，该段对部分轻微破损衬砌进行修补，底板采用φ8钢筋网混凝土衬砌。对部分衬砌破损严重洞段重新衬砌。暗渠段总长1037m，该段原有衬砌较为规整，在满足过流情况下对部分轻微破损衬砌进行修补，底板采用φ8钢筋网混凝土衬砌。该段设计糙率取n=0.015。桩号6+303～10+433段中土洞段总长1405m，现状衬砌条件良好，本次设计对底板进行修补，底板采用φ8钢筋网混凝土衬砌。该段设计糙率取n=0.015。其它段干渠采用梯形明渠型式，改建后明渠底宽0.75m，高1.8～2.0m，采用6cm厚C20F200预制砼板衬砌，该段设计糙率按照常规取n=0.017。(2)跨沟建筑物型式选择渠道沿线途经许多冲洪沟，为保证渠道能正常运行，根据原地形条件，在冲洪沟上设置渡槽从冲洪沟顶部跨越。
3、结束语
本文在坡度、渠道实用经济断面和费用最小优化设计的基础上，考虑渠道输水流量和渠道水流流速约束条件，建立了包含渠道底宽、水深、边坡坡度3个优化变量的梯形或矩形渠道优化设计模型，探讨了优化变量的取值方法，提出基于边坡稳定和费用最小的梯形或矩形渠道优化设计方法。
作者：孙江霞 单位：新疆昌吉方汇水电设计有限公司