第一节灌溉渠道流量确定和设计(3)

(2)续灌渠道设计流量的计算:续灌渠道一般为干、支渠道，流量较大，上、下游流量相差悬殊，这就要求分段推算设计流量，各渠段可采用不同的断面。各级续灌渠道的输水时间都等于灌区灌水延续时间，可以直接由下级渠道的毛流量推算上级渠道的毛流量。所以续灌渠道设计流量的推算方法是自下而上逐级、逐段进行推算。生产实际中一般用经验公式估算续灌渠道分段设计流量。具体推算方法以图为例说明如下：图中表示的渠系有1条干渠和4条支渠，各支渠的毛流量分别为Q1、Q2、Q3、Q4，支渠取水口把干渠分成3段，各段长度分别为L1、L2、L3，各段的设计流量分别为QOA、QAB、QBC，计算公式如下：具体推算可参见教材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现于河流水源不足的时候，有时灌区需对种植面积较小或灌水定额较小的作物单独供水，也可能出现渠道最小流量(Qmin)。最小流量用以校核对下一级渠道的水位控制条件和确定修建节制闸的位置，并按最小流量验算渠道不淤条件。(1)渠道最小流量的确定：为保证渠道顺利输、配水，对于同一条渠道，其设计流量(Qd)与最小流量(Qmin)相差不能过大，为了保证对下级渠道正常供水，有些灌区规定渠道最小流量以不低于渠道设计流量的40％为宜；也有的灌区规定渠道最低水位等于或大于70％的设计水位。实际灌水中如某次灌水定额过小，可实行集中供水，缩短供水时间；如因水源缺水造成引水量过小，则可对支渠实行续灌。(2)渠道加大流量的确定:加大流量是考虑到灌区管理运用中可能出现规划设计未能预料到的变化(如种植比例变化、扩大灌溉面积，稀遇的干旱气候等)和短时加大输水的要求，在设计时要注意留有余地。同时，渠道加大流量也是设计堤顶高程的依据。即:堤顶高程=渠道加大流量水位+堤顶超高。渠道加大流量的计算是以设计流量为基础，给设计流量乘以“加大系数”即可。可按下列公式计算。Q加大=JQ设式中：Q加大―渠道加大流量（m3s-1）；Q设―渠道设计流量（m3s-1）；J―加大系数(%)，可参照下表执行。渠道设计流量（m3s-1）11—55—1010—3030加大流量系数J1.35—1.301.30—1.251.25—1.201.20—1.151.15—1.10注：轮灌渠道不考虑加大流量；抽水灌区干渠的加大流量按备用机组的抽水能力而定。渠道流量加大系数与渠道流量进位规定:渠道流量加大系数二、灌溉渠道纵横断面设计:灌溉渠道的设计流量、最小流量和加大流量确定以后，就可据此设计渠道的纵横断面。设计流量是进行水力计算、确定渠道过水断面尺寸的主要依据。渠道纵、横断面设计应除了满足渠道的输水、配水要求外，还应满足渠床稳定条件，包括纵向稳定和平面稳定两个方面。一般对渠道横断面设计的要求是保证设计的断面能够输送设计流量和加大流量，设计的断面渠床稳定，不冲涮，不淤积，不塌坡；对渠道纵断面设计要求是应尽可能保证渠道有足够的水位高度，以满足灌区大部分地区实现自流灌溉；渠道土方工程量小，渠系建筑物少，经济合理；纵向稳定要求渠道在设计条件下工作时，不发生冲刷和淤积，或在一定时期内冲淤平衡。平面稳定要求渠道在设计条件下工作时，渠道水流不发生左右摇摆。渠道纵断面和横断面的设计是互相联系、互为条件的。在设计实践中应统盘考虑、交替进行、反复调整，最后确定合理的设计方案。1．渠道横断面设计渠道横断面尺寸要根据渠道设计流量通过水力计算加以确定。一般情况下采用明渠均匀流公式计算，即式中：Q为渠道设计流量；A为渠道过水断面面积；R为水力半径，i为渠底比降；C为谢才系数，一般采用曼宁公式进行计算，其中n为渠床糙率。设计渠道时要求投资少，效率高，即在设计流量Q、比降i、糙率系数n值相同的条件下，使渠道断面最小；或在相同断面条件下通过的流量Q最大。符合这些条件的断面称为水力最佳断面。21321iRnvh从公式可以看出，当A、n、i一定时，水力半径最大或湿周最小的断面就是水力最佳断面。半圆形断面是水力最佳断面，天然土渠修成半圆形是很困难的，也是不稳定的，只能修成接近半圆的梯形断面。21321iRnvAXRBbbhbh(b+mh)hb+2h212mhbmhbbh2212)(mhbhmhbbb+2mhBB（1）渠底比降：两端渠底高差和渠段间距离的比值称为渠底比降。应根据渠道沿线的地面坡度、下级渠道进水口的水位要求、渠床土质、水源含沙情况、渠道设计流量大小等因素，选择适宜的渠底比降。清水渠道易产生冲刷，比降宜缓，如淠史杭灌区输水渠道的比降为1／10000-1／28000。浑水渠道容易淤积，比降应适当加大，如人民胜利渠灌区的渠底比降为1/1000—1／6000。对黄河中下游地区：干渠：1/2000—1/5000；支渠：1/1000—1/3000；斗渠：1/200—1/1000。（2）渠床糙率系数：渠床糙率系数n是反映渠床粗糙程度的技术参数。确定糙率n值要慎重。若选择的渠床糙率较实际渠床的糙率小，则渠道运行时的实际输水能力就会达不到设计流量，满足不了灌溉水量的要求，还有可能造成渠道淤积；当选择的渠床糙率大于实际值时，不仅增加渠道断面，而且还会引起渠道的冲刷，渠中水位降低，减少渠道自流控制面积。渠道的糙率系数值的正确选择不仅要考虑渠床土质和施工质量，还要估计到建成后的管理养护情况。生产实践可参考已建灌区采用数值或参考教材表3-13所示。例n=0.025或0.02看起来相差不大,但1/n,一个为40,另一个为50,相差25%。x（3）渠道的边坡系数：渠道的边坡系数m是渠道边坡倾斜程度的指标，其值等于边坡在水平方向的投影长度和在垂直方向投影长度的比值。m值的大小关系到渠坡的稳定，要根据渠床土壤质地和渠道深度等条件选择适宜的数值。矩形断面的边坡系数m等于零。大型渠道的边坡系数应通过土工试验和稳定分析确定。当挖方深度大于5m，渠中水深大于3m时，应进行渠道土壤稳定性分析，从而确定边坡系数值。若挖方小于5m，水深小于3m，这时挖方渠道的边坡系数可参考已成灌区经验数据确定。如果填方渠道的填方高度大于3m时，边坡系数应通过水工试验和稳定性分析确定。hhxm表3-16梯形渠道水力最佳断面参数计算公式(4)梯形渠道水力最佳断面的计算公式:在渠道比降和渠床糙率一定的条件下，通过设计流量所需要的最小过水断面称为水力最佳断面，梯形渠道水力最佳断面的水力要素按下表计算。梯型渠道水力最优断面常为窄深式，这种渠施工困难，特别是大型渠道，当地形条件复杂时施工就更加困难，因此在实际应用中，水力最优断面不一定是经济断面。但水力最优断面具有工程量最小的优点，小型渠道和石方渠道可以采用。在工程实践中为了经济合理，常常放弃水力最优断面，而选用实用经济断面。实际过程中存在一组宽浅式的梯形断面，其水深和底宽有一个较广的选择范围，以适应各种具体情况的需要，而在此范围内又能基本上满足水力最优断面的要求（即其过水断面面积w与水力最优断面的w优相接近），满足这些要求的断面称为实用经济断面。根据上式可算出不同边坡系数相应的水力最优断面的宽深比，见下表式中：α为水力最优断面流速(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；V、A、R、h分别为实用经济断面的流速(m／s)、过水断面面积(m’)、水力半径(m)和水深(m)；β为实用经济断面的宽深比。(5)梯形渠道实用经济断面的水力计算公式第五节灌溉渠道系统设计实用经济断面计算步骤：①根据表3-16公式，计算出水力最优断面的水力要素。②分别计算α所对应的h和b值。③据式（3-33）计算α相应的V、A和R值，并绘制b=f(h)和V=f(h)渠道特性曲线。④根据渠段地形、地质等条件，由渠道特性曲线图上选定设计所需的h、b、V值。⑤校核实用经济断面是否满足渠道允许流速的要求。根据规范，对浑水渠道：对粘性土渠道和刚性衬砌取小值，沙性土取大值。(7).渠道允许不冲、不淤流速:渠道断面过于窄深或宽浅，都会影响渠道断面的稳定性。稳定断面的宽深比应满足渠道不冲、不淤流速要求，即要求渠道中的实际流速大小有一个允许范围：V不冲V允许V不淤在此范围内的流速值，称为渠道的允许流速。不冲、不淤流速的确定应在总结当地已成渠道运行经验的基础上研究确定。1)渠道不冲流速:与渠床土质、渠道流量、断面水力要素、水流含沙情况等因素有关，具体数值要通过试验研究或总结已成渠道的运用经验而定。一般土渠的不冲流速在0.6-0.9m／s之间,下表中的数值可供设计参考。土质渠道不冲流速渠床土质不冲流速(ms-1)备注轻壤土0.6～0.81）表中土壤的干容重为1.3～1.7gcm-3；2）当R≠1m时，表中所列数值应乘Ra加以修正。对于疏松的壤土和粘土，指数a=1/3～1/4；对于密实的砂壤土、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有衬砌护面的渠道的不冲流速比土渠大得多，如混凝土护面的渠道允许最大流速可达12m／s。但从渠床稳定考虑，仍应对衬砌渠道的允许最大流速限制在较小的数值范围内。美国垦务局建议：无钢筋的混凝土衬砌渠道的流速不应超过2.5m／s，因为流速太大的水流遇到裂缝或缝隙时，流速水头就转化为压能，会使衬砌层翘起和剥落。2)渠道的不淤流速：渠道水流的挟沙能力随流速的减小而减小，当流速小到一定程度时，部分泥沙就开始在渠道内淤积。泥沙将要沉积时的流速就是临界不淤流速。在清水渠道中，为了不让渠道长草，一般要求断面平均流速大于0.3～0.5ms-1，习惯上也有人称之为不淤流速。渠道不淤流速主要取决于渠道含沙情况和断面水力要素，即渠道水流的挟沙能力，根据我国各地经验，常用的渠道挟沙能力的计算公式主要为根据实际研究成果而得到的经验公式：Vcd=CoQ0.5式中：Vcd为渠道不淤流速(m／s)；Co为不淤流速系数；Q为渠道的设计流量(m3／s)。上式适用于黄河流域含沙量为1.32—83.8kg／m3、加权平均泥沙沉降速度为0.0085—0.32m／s的渠道。见例四①渠道加大水深：渠道通过加大流量Qj时的水深称为加大水深hj。通常用试算法或查诺模图求加大水深，计算的方法步骤和求设计水深的方法相同。(8).渠道过水断面以上部分的有关尺寸hdhj△h渠堤顶高程∇②安全超高。为了防止风浪引起渠水漫溢，保证渠道安全运行，挖方渠道的渠岸和填方渠道的堤顶应高于渠道的加大水位，高出的数值称为渠道的安全超高，土渠可用下式计算渠道的安全超高▽h，但最小不宜小于0.5m；石渠的安全超高可比相同条件下的土渠超高值稍小，但最小不宜小于0.3m。从多泥沙河流引水的渠道，还应考虑渠底产生泥沙淤积的影响。△h=1/4hj+0.2③堤顶宽度。渠岸和堤顶的宽度可按下式计算：D=hj+0.3式中：D为渠岸或堤顶宽度(m)；hj为渠道的加大水深(m)。另外对有通航任务的渠道，还应考虑通航要求。