SCL防滲膜在渡槽降糙改造的應用與效果分析

2020-10-09 11:43:42顧靖超陸立國王永平武慧芳

中國農村水利水電 2020年9期

顧靖超，陸立國，王永平，朱潔，武慧芳

(寧夏水利科學研究院，銀川 750021)

0 引言

寧夏紅寺堡揚水工程建設于1998年，是上世紀為解決脫貧致富，寧夏建設的“一號工程”重點項目，項目受益區包括吳忠市紅寺堡區、利通區、同心縣和中衛市中寧縣，設計灌溉面積3.67 萬hm2，設計流量25 m3/s。20 a來，紅寺堡灌區灌溉規模面積不斷擴大，已由設計的3.67 萬hm2發展到2015年的4.89 萬hm2，計劃到2020年發展到6.76 萬hm2，遠遠超出揚水工程現有的供水能力。隨著經濟社會的發展、灌區的不斷開發，渠道輸水能力不足將成為灌區發展的制約因素，所以加快干渠的改造迫在眉睫，是解決水資源供需矛盾、確保灌區的良性穩定有序發展的必經之路[1]。

紅寺堡揚水工程渠道沿線渡槽過流能力不足，可采用內襯降糙、重建、并建或更換槽殼的方案，詳見表1。槽殼內襯SCL防滲膜方案投資小、施工簡便。

表1 渡槽改造方案對比

甘肅省引大入秦工程中，渡槽內襯SCL防滲膜具有一定的降糙增流效果，可增流15%[2]；湖北唐王渡槽已應用超過10 a，表面上看，材料表面未出現表層風化、剝蝕、脫落等老化現象[3,4]，但湖北和寧夏2地紫外線強度相差較大，在寧夏強紫外線照射下的老化程度如何尚不能確定。同時引黃灌區渠道水含沙量大，經過幾年的運行，其產品的糙率是否會受到影響等問題有待進一步的研究。選取典型渡槽，開展測流和糙率測算分析，研究渡槽實際降糙增流能力，為工程更新改造提供技術依據[1]。

1 試驗渡槽基本情況

1.1 渡槽現狀參數

由于紅三干渠渠道長且建筑物多，改造影響大，因此選取紅三干渠的渡槽進行降糙增流試驗。渡槽現狀參數詳見表2。

表2 渡槽現狀參數

1.2 測流斷面布設

為減少人為量測誤差，每座渡槽設置4個測量斷面(渡槽3個、渠道1個)，4個測量斷面同時開始量測并進行數據比對；每個測量組完成本組量測任務后帶著各自設備輪轉到下一測流段面，待所有測量組完成后再同時開展下一組量測任務。

槽殼內選取的3個測水斷面盡可能距離渡槽上下游進出口較遠一些，保證測流不受渡槽上下游漸變段的影響，槽殼內測流斷面具體位置見表3；同一渡槽內斷面間間距基本保持一致。選擇的渠道測流斷面僅作為與渡槽測流斷面的測流數據對比校核。

表3 渡槽測流斷面位置

1.3 渡槽比降

為準確判定渡槽流態，分別量測了渡槽的槽底比降和水面坡降。槽底比降的觀測期是2018年冬灌結束后，水面比降的觀測期為2018年冬灌和2019年春、夏灌。

在水力坡度測量時，由于槽殼內水流波動幅度較大，為了使測量盡可能準確，我們采取的做法是：將塔尺緩慢放至波動水面的波谷與波峰之間，固定塔尺，開始測量。

為減少測量誤差，比降觀測斷面間距為15 m，分別取同一觀測斷面的左、中、右3處的平均值作為該斷面的平均高程，利用所有斷面觀測相對高程值率定渡槽實際比降。觀測數據詳見表4。

表4 典型渡槽比降量測成果

2 渡槽糙率推算公式

利用2018年冬灌、2019年春灌和夏秋灌實測的水面比降和實測的槽底比降數據繪制了圖1和圖2，從圖中可以明顯看到，除通山溝渡槽2018年冬灌實測之外，實測渡槽水面比降均小于實測槽底比降，表現為典型的Ml型恒定非均勻流。

圖1 上麻黃溝渡槽槽底坡降和不同灌季水面坡降

圖2 通山溝渡槽槽底坡降和不同灌季水面坡降

曼寧公式為：

(1)

Ml型恒定非均勻流的主要特征為流量不發生變化，隨著h沿程增加，R、A以及J均發生相應變化，糙率n不為常量，且不能判斷n的變化趨勢。

對于恒定非均勻流，糙率系數仍可采用曼寧公式去近似率定。因為非均勻流的各項水力要素均沿程發生變化，式中的水力參數取算術平均值，J則由能量方程確定，為兩計算斷面的平均水力坡度。在天然河道糙率率定中，常用水面坡度代替J。對于水平尺度遠大于垂直尺度的明渠水流，水深、流速等水力參數沿垂直方向的變化較沿水平方向的變化要小得多，沿垂線的變化的這些量便可以忽略不計。

將三維流動的基本方程沿水深積分，并沿水深取平均，即得沿水深平均的二維流動的基本方程。

為了簡化計算，渠道糙率的計算公式為[5-7]：

(2)

式中：Q為流量，m3/s；y為水深，m；A為過水面積，m2；R為水力半徑，m；L為渠道長度，m；n為渠道糙率；s0為底坡；g為重力加速度；下標“1” 表示渡槽進口測量斷面，下標“2”表示渡槽出口測量斷面。

測流段的長度越大，測流段的沿程水頭損失越大，糙率測算的誤差相對減小。因此在用式(2)進行糙率測算時，y1、A1、R1等進口斷面數據采用最上游的測流斷面數據計算，y2、A2、R2等測流段出口斷面數據采用最下游的測流斷面數據計算。流量Q則采用上、中、下游3個測流斷面的流量測量結果的平均值。

3 渡槽糙率與降糙效果分析

3.1 渡槽現狀混凝土糙率

利用2018年冬灌期實測的斷面水力要素，推算渡槽現狀糙率。具體數據詳見表5。

表5 渡槽現狀糙率實測統計

上麻黃溝渡槽實測流量為11.338～14.406 m3/s，現狀糙率范圍為0.012 59～0.013 90，均值為0.013 20；通山溝渡槽實測流量為4.960～6.008 m3/s，現狀糙率范圍為0.013 07～0.013 86，均值為0.013 36。

2012年寧夏水科院主編的地方標準《灌溉渠道襯砌工程技術規范》(DB64/T-811 2012)正式發布實施，規定了現澆混凝土的糙率為0.014[8]。

2014-2016年寧夏水科院開展了“寧夏灌區骨干襯砌渠道糙率原型測試驗證與研究”，分別在引黃自流灌區的唐徠渠、西干渠、漢延渠、七星渠、漢渠、大清渠和揚水灌區的固海三干渠、固海二干渠、鹽環八干渠、鹽環一干渠、鹽環馬一干渠，選擇圓弧坡腳梯形斷面、梯形斷面和弧底梯形斷面3種斷面形式和多種斷面襯砌結構形式，開展了渠道現狀糙率測試與分析工作，研究提出現澆混凝土的建議糙率為0.013 5～0.014 0[9-11]。

本次試驗結論與以往相關試驗成果是基本一致的，實測的現狀混凝土糙率較規范和建議糙率值偏小約10%。