唐波;曹锐;佘磊;梁爱萍
【摘 要】对于大型自流灌区来说,保证渠道的灌溉水位,就是保证灌区的灌溉效益,节约灌区的灌溉成本.结合众程灌区程道倒虹吸工程实例,通过对程道倒虹吸工程不同运行工况水力计算分析,了解倒虹吸实际运行水位差大于设计值的主要原因,并提出合理的处理措施,可为类似工程设计过程中有效地减少或避免该问题的出现. 【期刊名称】《江苏水利》
【年(卷),期】2018(000)012
【总页数】5页(P23-27)
【关键词】倒虹吸;水头损失;水力计算;自流灌区
【作 者】唐波;曹锐;佘磊;梁爱萍
【作者单位】电生理宿迁市水务勘测设计研究有限公司,江苏 宿迁 223800;宿迁市水务勘测设计研究有限公司,江苏 宿迁 223800;宿迁市水务勘测设计研究有限公司,江苏 宿迁 223800;宿迁市宿城区水务局,江苏 宿迁 223800
【正文语种】中 文
【中图分类】TV93
1 概述
平原灌区地势平坦，地面高差相差不大。灌区骨干渠系灌溉水位与骨干排涝河道的排涝水位相差不大，在渠系与排涝河道交叉时，交叉建筑物型式选择为倒虹吸结构。但在实际运行中，倒虹吸的水头损失往往大于设计预期值，本文结合众程灌区程道倒虹吸工程实例来分析其原因。
众程灌区地处江苏北部、苏北平原中部，南到京杭大运河，北至泗沭边界，西邻宿豫区，东连新华灌区，范围包括泗阳县境内众兴、八集、三庄、穿城、南刘集、张家圩、爱园、王集8个乡镇，总面积453 km2，耕地面积2.47万hm2，设计灌溉面积2.27万hm2，有效灌
溉面积2.03万hm2，为京杭运河沿线大型自流灌区。
众程灌区地势特点为西高东低，南高北低，最高地面高程16.5 m（废黄河高程系，下同），最低地面高程8.5 m，平均地面坡度1/7000。灌区内土壤沙土占80%，壤土占20%。灌区土质肥沃，适宜种植水稻、小麦、油菜等多种作物，水土保持良好。
程道倒虹吸位于灌区程道干渠桩号k1+000处，功能是将干渠水通过倒虹吸穿越六塘河输送到下游干渠。倒虹吸设计流量为25 m3/s，灌区规划此处水头损失不得超过30 cm。
2 工程设计
倒虹吸采用矩形结构，总长268 m。箱涵段长173 m，总宽11.00 m，单孔净宽3.0 m，高3.0 m，共计3孔。其中：倾斜段长113 m，分10段；水平段长60 m，分5段，每段长12 m。进口段设铺盖、渐变段、进口控制段，出口段设冲砂闸、消力池、护坦；其中进口段总长39 m，出口段总长55 m。进出口与现状渠道挡墙顺接。计算简图如图1所示。
水力计算按照《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》（SL482-2011）[1]中公式计算，计算公式及结果如下。
（1）进口渐变段局部水头损失及水面降落
①进口渐变段局部水头损失
式中：
hj1—进口渐变段的局部水头损失；
ξ1—进口渐变段的局部损失系数，与渐变段的型式有关，取0.3；
v1、v2—渠道进口渐变段始末断面的平均流速；
g—重力加速度，m/s2。
②水面降落
式中：
ΔZ1—进口渐变段水面落差，m。出草
（2）局部水头损失
式中：
hj—倒虹吸的局部水头总损失，m；
φ、φi—管道出口断面面积和局部阻力损失处的相应断面面积，m2；
ξ1—一局部水头损失系数，如拦污栅、闸门槽、进水口、弯管、出水口等的局部水头损失系数（不包括 ξ1和 ξ2）。
（3）沿程水头损失
式中：
hf—倒虹吸沿程阻力总水头损失；
vepCi—管身计算段水流的舍弃系数；
Ri—管身计算段水流的水力半径；
Li—管身计算段的长度，m；
ω—管道出口横断面面积，m2；
ωi—管身计算段横断面面积，m2；
图1 程道倒虹吸纵剖面图及横断面图
n—边壁糙率。
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（4）过流能力计算公式[2]
式中：
Q—管道的泄流量，m3/s；
ω—管道出口横断面面积，m2；
v—管道断面平均流速，m/s；
ωi—管身计算段横断面面积，m2；
ΔZ2—进口渐变段末端断面至管道出口断面的水面落差，m；
g—重力加速度，m/s2
μ—流量系数
w2—进口渐变段末端的过水面面积，m2。
经计算，本次采用3孔3 m×3 m箱涵，过流为25.44 m3/s＞25.00 m3/s，满足设计要求。
（5）进、出口水面总落差计算
ΔZ=ΔZ1+ΔZ2+ΔZ3
经计算，总水头落差15 cm。水头差小于规划数值，符合要求。
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3 运行现状
工程建成后，实际运行情况与设计情况却不同，上下游水位差远大于设计值，最高时达到0.90 m，如图2所示。
图2中所示位置为工程建成后倒虹吸出口处干渠的水流情况，工程建成之前灌溉期，该位置
水位常位于挡墙盖顶下边缘附近，由图可清晰地看出，倒虹吸工程建成后，水位比以往低了约50 cm。据调查，工程建成后，灌溉初期倒虹吸下游水位接近规划水位，随着灌溉高峰期到来，水头损失越大，到灌溉末期水头又成减小趋势。
图2 运行时地涵出口水流
4 原因分析
干渠水头损失变大后，将给地方灌区灌溉造成较大影响。为尽量减少损失，经调查分析研究，发现倒虹吸产生水位差远大于设计值的主要原因有如下几点：
（1）下游渠系未按规划的轮灌制度灌溉，下游2条分干渠同时开闸续灌，灌溉高峰期用水量增大，远大于设计流量25 m3/s，过流量增大，造成倒虹吸内水流的流速增大，进而增大了局部和沿程损失。为了解流量的增加对上下游水头损失的影响，按理论公式[3]计算，假定上游水位恒定，通过流量增大进行不同工况的计算，得出流量和水头损失的对照表，如表1所示。
表1 程道倒虹吸水头损失和过流量关系表倒虹吸上游水位（m）渠道实际过流量（m3/s）
涵洞上下游水位差（m）46.45 0.56 36.72 0.35 32.85 0.28 26.80 0.19 23.22 0.14 15.7
由表1可看出，倒虹吸上下游水头损失随着流量的增大，数量成倍的增大，根据表1数据绘制倒虹吸上下游水位差～流量曲线图，如图3所示。
pgm_430mei图3 倒虹吸上下游水位差～流量曲线图
由图3可看出，干渠中流量增大以后，倒虹吸的水头损失也明显增大，可以解释灌溉不同时期，水位差不同的原因。在灌溉初期及末期灌溉用水量小，所以倒虹吸上下游水头差大，而灌溉高峰期灌溉用水量大，所以倒虹吸上下游水头差大。
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