跨流域調水工程輸水建筑物糙率研究

任 強

(南水北調中線建管局天津建管部 天津 300134)

1 工程概況

引洮供水工程是甘肅省在建的大型跨流域調水工程,其建設任務是重點解決中部干旱地區城鎮生活及工業用水、灌溉及農村人畜飲水、生態環境用水等。引洮供水一期工程總干渠自九甸峽樞紐水庫右岸取水,全長 110.47km,其中:隧洞 15座,總長度 93.52km;渡槽 9座,總長度 1.76km;暗渠22座,總長度 3.72km;明渠 11.21km;總干渠平均縱坡 i=1/1534。隧洞為總干渠主要建筑物,占全長的 84.7%。總干渠設計流量為 32m3/s,加大流量為 36m3/s,隧洞縱坡 1∶1500,矩形渡槽縱坡1∶1300,U形渡槽縱坡 1∶1250,暗渠縱坡 1∶1500和 1∶2000。隧洞工程分為鉆爆法施工及 TBM全斷面掘進機施工兩大類,支護襯砌型式各不相同。鉆爆法施工隧洞 13座,總長度 57.90km,采用一次支護噴錨,二次襯砌模筑鋼筋混凝土的復合式;TBM全斷面掘進機施工隧洞 2座,總長度35.49km,采用預制鋼筋混凝土管片龜背式縱橫向拼接襯砌;渡槽及暗渠建筑物均為模筑鋼筋混凝土結構。

2 研究目的及意義

糙率 n的取值是水力計算中的一個常規問題,但對于長距離輸水工程,其合理選取糙率 n值意義重大。相關設計規范中的糙率系數沿用 20世紀施工技術和工藝水平條件下的推薦值,隨著施工工藝水平的提高,實際糙率 n值雖小于推薦值,但如何科學合理的選取,設計單位卻沒有可以準確把握的依據。

引洮供水工程是以隧洞為主的長距離輸水工程,工程設計中水力糙率取值對輸水建筑物斷面確定起著至關重要的作用,直接影響輸水斷面大小和工程建設投資。評估預計南水北調中線工程北京干線糙率 n值每降低 0.001,就會使工程包括泵站的投資減小數億元;萬家寨等輸水工程隧洞設計中由于糙率選取較保守,建成后均存在實際糙率較設計值偏小的問題。

因此,結合工程輸水建筑物結構設計特性,以及施工方式、混凝土澆筑技術水平,選擇已建成的類似工程,通過原型觀測及科學研究,確定不同類型建筑物能夠達到的最小及平均水力糙率,為引洮工程設計時合理選用糙率提供科學依據,并最終達到減小輸水斷面,降低工程建設投資的目的,其經濟效益和社會效益十分顯著。因此,對引洮供水一期工程總干渠輸水建筑物水力糙率進行科學研究是非常必要的。

3 水力糙率研究的歷史、現狀與進展

1775年法國工程師謝才提出了著名的謝才公式 v=C RJ,解決了明渠流速與水面比降的關系,系數 C稱為謝才系數。謝才曾認為系數 C是個常數,但經后人的大量試驗和實測資料表明 C值不是常數,而與過水斷面形狀、壁面粗糙度以及雷諾數等因素有關。計算謝才系數的公式很多,其中應用最為普遍的是 1889年愛爾蘭的曼寧提出的曼寧公式,曼寧公式首次給出了謝才系數與水力半徑和糙率的關系,進一步為謝才公式的實際應用創造了方便的條件。

近幾十年來,國內許多設計、研究單位先后做了大量原型觀測試驗工作,取得了十分珍貴的實測糙率資料。這些研究資料表明,采用現代工藝施工的輸水建筑物糙率系數和目前常用設計值0.014～0.016相比,要小 20%～30%,部分實際工程原型觀測得到的糙率值與設計選用糙率值見表 1。

表 1 國內部分已建成輸水工程實測糙率

4 研究方式、技術路線及方案

4.1 研究方式

引洮供水一期工程總干渠輸水建筑物類型較多,具備典型的不同類型輸水建筑物特征。結合不同類型輸水建筑物,研究方式采用已建正常運行工程原型觀測為主,結合理論分析與計算、輔以模型試驗等科學技術手段,做到資料翔實,論據明晰準確,結論可靠。

原型工程確定為甘肅省引大入秦工程總干渠,該工程總干渠與引洮供水工程總干渠在工程規模和技術特性等方面均具有相似性,與引洮供水工程同屬于甘肅省境內,開展研究工作時也便于協調配合。

研究內容結合引洮供水一期工程總干渠輸水建筑物類型及混凝土澆筑或預制的不同施工條件,選擇以下幾種類型過水斷面進行研究:①鉆爆法施工隧洞、組合鋼模板澆筑二次襯砌鋼筋混凝土;②TBM全斷面掘進機施工隧洞,預制鋼筋混凝土管片襯砌;③組合鋼模板澆筑鋼筋混凝土矩形渡槽;④組合鋼模板澆筑鋼筋混凝土 U形渡槽;⑤小塊混凝土預制板襯砌梯形明渠;⑥組合鋼模板澆筑鋼筋混凝土矩形明渠。

上述施工方式及斷面形式均可在引大入秦工程選取相應渠段進行糙率原型觀測研究。經過現場踏勘,試驗觀測渠段共選定 5處,分別為 30A隧洞,盤道嶺隧洞,大沙溝渡槽,林坪溝 U形渡槽和林坪溝弧底梯形明渠。

4.2 研究技術路線與方案

輸水建筑物糙率試驗研究的關鍵技術是水位與流量的量測,這些數據應在原型輸水工程中通過原型觀測獲取。輸水建筑物的糙率與過水斷面形狀尺寸有關,模型試驗研究很難達到原型觀測的效果,因此研究以原型觀測為主,采用先進量測設備和技術手段,獲取高質量的原型觀測數據,結合理論分析的技術路線進行研究。

本著安全、可靠、準確、先進的原則,對試驗難度最大的隧洞水位量測,采用壓力傳感器和高精度超聲波雙水位監測技術,隧洞水位數據傳輸采用國際先進的 CAN(Controller Area Network)控制器局域網現場總線技術,試驗過程實現了隧洞水位數據的自動化實時采集。為取得與水位數據同步完整的流量資料,隧洞流量亦采用自動化監測;考慮到試驗成本,渡槽、明渠水位與流量量測采用人工測量的方案。

4.3 流量量測方案

本次試驗流量量測實施人工量測與量水槽自動監測兩種方案進行。鑒于隧洞采用水位自動監測系統,為取得與隧洞水位對應的實時流量數據,在引大入秦工程 30A隧洞出口疙瘩溝渡槽下游與盤道嶺隧洞進口上游的車道口兩處修建矩形渠道機翼形量水槽,并安裝壓力傳感器進行水位自動監測,以實現試驗過程中流量資料的連續實時采集。

(1)量水槽自動監測方案。隧洞流量用機翼形量水槽量測,機翼形量水槽是西北農林科技大學水建學院呂宏興教授根據文丘里型量水槽的測流原理研究的新型量水槽,其量水槽外形仿真飛機機翼,具有良好的流體力學特征,適用于 U形渠道量水。為解決本次糙率原型觀測流量量測的需要,專門在矩形渠道上對該量水槽進行了試驗研究。試驗研究結果表明,該量水槽用于矩形渠道流量量測效果十分理想,測流精度高,配用水位傳感器可實現流量的自動監測。

矩形渠道機翼形量水槽是在矩形渠道兩側修筑仿機翼形槽壁,使之形成收縮斷面,水流通過時產生臨界流,從而具有穩定的水位流量關系,量測上游水深,可計算出渠道流量。

(2)流速儀測流方案。流速儀斷面測流應在順直渠段選定測流斷面,測流垂線不少于 5條,每個測流垂線流速測點根據水深取六點法,測點設在0.0(水面 )、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0(渠底 )相對水深處。水深取六點法時,平均流速測算方法根據 SL 20—92《水文測流規范》計算。

5 引大入秦工程原型測驗

2006年 7月下旬分階段開始了原型水力糙率測驗研究方案的設計、現場選點等前期準備工作,2006年 8月 10～20日完成了試驗隧洞、渠道、渡槽觀測段縱橫斷面的測量,2006年 8月 21日至 9月 11日進行隧洞水位自動監測方案的優化比較和方案的最終確定,同期進行了試驗設備的采購、數據采集系統設計、軟件開發、傳感器標定以及系統預調試。9月 15日研究人員及設備全部按計劃抵達引大工程試驗所在地,兩套隧洞水位自動采集系統于 9月 16日開始在盤道嶺隧洞和 30A隧洞進行安裝,同時對水位自動監測系統在安裝前進行了室內 72h不間斷調試,調試過程中系統運行穩定。9月 29日完成安裝,同日進行了通水前的調試,調試過程一切順利,兩套隧洞水位自動監測系統工作正常。

2006年 9月 30日引大灌區冬灌開始,渠首開閘放水,水位監測記錄顯示水頭于當日到達 30A隧洞 13斷面 (樁號 60+700),流量穩定在 8m3/s后試驗正式開始。由于采用了量水槽水位自動監測,兩隧洞試驗過程中 9月 30日至 11月 5日的流量變化過程一目了然。試驗中渡槽和明渠試驗段的水位采用人工觀測,流量采用流速儀斷面測流方法量測,流速儀量測與量水槽結果取得較好的一致。試驗過程中曾多次發生雷雨天氣,兩只壓力傳感器因雷電而損壞,但所有超聲波傳感器完好無損,超聲波傳感器采集的水位試驗數據完整,滿足了試驗要求。試驗結果表明,本次試驗關鍵的隧洞水位(包括量水槽上游水位)自動監測系統從軟件、硬件技術到施工安裝和電纜布設連接各個環節都經受了試驗過程中洞內環境、外界雷電的考驗,所采用的壓力傳感器和超聲波水位雙保險量測方案是正確而且十分必要的。

6 糙率原型測驗結果與分析

30A隧洞試驗段 6個水位監測斷面共采集流量、水位數據 5144組,按不同流量級選取水位過程相對平穩的 25個時段的水位流量數據計算糙率,隧洞實測預制鋼筋混凝土管片襯砌圓形斷面平均糙率 0.012627。盤道嶺隧洞試驗段由三心圓拱直墻平底板矩形斷面和圓拱直墻反底拱斷面兩段組成。由于斷面形狀不同,糙率監測計算分兩段進行,兩洞段各布置 3個水位監測斷面,各段長度約 600m,共采集流量、水位數據 4970組,按不同流量級選取水位過程相對平穩的 17個時段的水位流量數據計算糙率,三心圓拱直墻平底板矩形斷面實測平均糙率 0.01155,圓拱直墻反底拱斷面實測平均糙率0.011521,與引灤入津隧洞原型觀測的糙率 0.012比較,其施工條件與盤道嶺隧洞均為鋼筋混凝土鋼模澆注襯砌,不同之處在于引灤入津隧洞糙率是包含了彎道在內的綜合糙率值,而本試驗隧洞均選在直線洞段,因此平均糙率略小于引灤入津隧洞糙率。30A隧洞平均糙率因存在管片縫隙影響,平均糙率則大于引灤入津隧洞的糙率。另外,上述 3種隧洞斷面形狀的糙率隨水深的變化說明,過水斷面形狀是影響糙率值的一個重要因素。林坪溝 U形渡槽試驗段設上下游兩個觀測斷面,采用流速儀斷面測流量,垂球法量測水位,試驗共量測了 11組水位與流量,實測平均糙率為 0.01193。林坪溝弧底梯形明渠觀測段量測了 8組水位與流量,實測平均糙率為 0.01369。大沙溝渡槽試驗段選取 11組水位與流量,各級流量計算的平均糙率為 0.013364,糙率普遍偏大,經分析其主要原因是該糙率試驗段下游車道口由于修建量水槽,導致量水槽上游水位壅高約 0.1～0.3m,從而使渡槽觀測段水位壅高,致使反算得出的糙率系數偏大。

7 引洮工程總干渠設計糙率取值建議及應用

工程設計中為保證安全,應將壁面粗糙度、斷面幾何形狀、彎道、漸變段、渠系建筑物、渠道淤積物、施工質量、使用年限、養護條件等因素一并歸結到糙率中考慮,這時的糙率系數為綜合糙率。在綜合考慮以上因素的前提下,通過此次研究,建議鋼模混凝土澆注施工隧洞設計糙率取值 0.013～0.0135,TBM全斷面掘進機預制管片施工隧洞設計糙率取值 0.0135～0.014,小塊混凝土預制板襯砌施工弧底梯形明渠設計糙率 0.014～0.015。

在依據本科研報告推薦糙率值的基礎上,設計單位分析了引洮供水一期總干渠隧洞的具體運行狀況、工程特點等因素,類比引大入秦總干渠隧洞斷面設計特征,并參照現行水工隧洞相關規范的要求,綜合考慮引洮供水工程總干渠實際能達到的二次襯砌澆筑水平,進行了隧洞設計方案優化,對初步設計報告批準的各類建筑物糙率值進行了調整,調整后各隧洞斷面均有不同程度減少,總干渠工程節約投資約 3000萬元。

8 結語

輸水建筑物糙率取值問題隨著我國長距離輸水工程建設的發展和工程規模的擴大,愈來愈顯示出其重要性。近年來,國內的有關設計研究單位對引灤入津、引黃、南水北調、以禮河、大朝山、碧口等工程做了輸水糙率的原型觀測試驗研究,取得了十分有價值的研究成果。本次原型觀測糙率科學試驗斷面類型更全 (5個斷面形狀),隧洞水位、流量觀測技術更先進,取得了預期研究結果并在引洮工程得到了應用,可為類似工程設計提供借鑒。

1 陳耀忠 .引灤入津隧洞糙率兩次原型觀測成果綜述[J].水利水電科技進展,2001,25(2):58-61.

2 曾祥,黃國兵,段文剛 .混凝土渠道糙率調研綜述[J].長江科學院院報,1999,16(6):1-4.

3 胡冰,王麗學.引蘭入湯引水隧洞糙率原型觀測及隧洞過流能力復核研究 [J].中國農村水利水電,2006.(3):49-50.

4 呂宏興,裴國霞,楊玲霞主編 .水力學 [M].北京:中國農業出版社,2002.