渡槽水力计算通用方法

邱洪君

(林口县三道通镇水利站，黑龙江 林口 157600)

1 渡槽及其组成

在渠道需要跨越河渠、溪谷、洼地和道路时，往往需要交叉建筑物，按照地形、地质设计流量与上下游水位的衔接必须选择渡槽。渡槽常用于灌溉、发电和城镇供水工程，也可用于排洪、排沙和导流等，南方一些大型渡槽还可用于通航。

渡槽由进口段、出口段、槽身和支撑结构等部分组成。进口段和出口段将槽身两端与渠道连接起来，并起平顺水流的作用。进出口段有各种不同形式，当进出口为填方渠道时，常用挡土墙式实体重力墩(又称槽台)支撑槽身和挡土;当渡槽进出口为挖方渠道时，可将靠岸端的槽身支撑于较低的支墩上。渠道断面通常为梯形，槽身断面为乱世形或U形。

2 渡槽的水力计算

2.1 一般的考虑

渡槽的水力计算除选择适当的纵坡和断面外，还由于渡槽纵坡一般大于渠道的纵坡，其过水断面也较渠道为小，水流自上游渠道经过渡槽到下游渠道，水深和流速都将发生变化。进口因水流收缩，形成进口段水面降落;出口则由于水流扩散并有部分水流动能变为势能，而形成水面回升。因此，在水力计算中还应进行水头损失及水面衔接计算，并调整渡槽进出口高程，确定进出口渐变段长度，使在通过设计流量时，渠道和渡槽中基本上按设计水位保持均匀流态，而将进出口收缩和扩散的非均匀流控制在渐变段范围内。

2.2 计算的内容与方法

2.2.1 计算示意图

通过渡槽的水流情况如图1所示。在进口处水流收缩产生水头损失，流速加大，引起水面降落。水流进入槽身后为明渠均匀流，水面坡降等于槽底坡降。水流到出口段与下游渠道水面衔接，水流动能的一部分因水流扩散而损失，另一部分转化为位能，流速减小，形成出口水面回升。

图1 渡槽水流情况示意图

2.2.2 计算内容与方法

渡槽的水力计算包括槽过水能力、水头损失及进出口高程的确定等，分述如下:

2.2.2 .1 过流能力计算

槽身过水能力按明渠均匀流公式计算，即:

式中:Q为渡槽的设计流量，m3/s;ω为渡槽的过水横断面面积m2/s;，n为糙率系数;R为水力半径，m;C值也

可由水力学手册附表中查用;i=为槽底纵坡(比降)。

当需要求渡槽纵坡i时，由式(1)可得:

式中:v为槽中流速，m/s。

2.2.2 .2 水头损失计算

1)进口水头损失:因水流入槽后流速加大，在进口发生水面降落，与淹没宽顶堰相似，所以工程上常用淹没宽顶堰公式计算进口水头损失，即:

式中:Z0为包括槽前流速水头在内的水头损失;ε为进口侧收缩系统，常取0.90-0.95;φ为流速系数，常取0.90-0.95;Q、ω意义同前。

若令Z为流域槽前流速水头时的进口水头损失，则

当渠道流速较小时，可近似采用Z≈Z0

2)槽身沿程水头损失，按下式计算:

式中:i为渡槽纵坡;L为槽身长度，m。

3)出口水面回升Z2，按下式计算:

式中:K为系数，取K=0.2;V槽、V槽分别为槽中流速和渠中流速，m/s。

根据水力试验和实地观测(如韶山灌区的“石江长渡”渡槽观测)一般

由以上可得总水头损失为:

2.2.2 .3 进出口高程的确定

进口槽底抬高值计算公式为:

出口槽底降低值计算公式为:

进口槽底高程计算公式为:

出口槽底高程计算公式为:

出口渠底高程计算公式为:

式中:▽3、▽4分别为进、出口的渠底高程，m;H1、H2分别为渠道与渡槽内的水深，m;其他符号含义同前。

2.2.2 .4 渐变段长度的计算

渐变段的长度，一般为渠道水深的4～6倍，也可按下式计算:

式中:l1、l2为进口、出口渐变段的长度，m;K1、K2为系数，进口段K1=1.25，出口段K2=2.5;B渠、b槽分别为渠道水面和槽中水面的宽度，m。

渐变段的平面扩散角度可取1∶3～1∶4，出口段较进口段要平缓一些。

以上计算对于较短的渡槽不适用，只适用于长槽，即当槽身长度＜10～12 H时(H为上游渠道水位与渡槽进口底板高程之差，初算时可近似取为上游渠道水深)，应将渡槽视为一宽顶堰，按淹没堰流进行过流断面和水头损失计算。

[1] 曾庆玲.渡槽的总体布置与水力计算[J].黑龙江水利科技，2010，38(04):42-43.

[2] 天津大学.小型水电站:上册[M].北京:水利电力出版社，1976.

[3] 湖南省水利电力局.韶山灌区:第二分册[M].北京:水利电力出版社，1976.