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摘要：南水北调中线总干渠石获北路至植物园路渠段建筑物与渠道已基本建成，康庄和岳村暗渠为新增建筑物，在渠段过流能力及总水头不变的情况下，两座暗渠需要的水头较同长度渠道需要的水头多，需将康庄暗渠至岳村暗渠之间的渠道过水断面加大，将其节省下的水头移至两座暗渠，采用能量法，计算出两座暗渠的过水断面。为南水北调中线总干渠新增建筑物设计提供了新思路。
关键词：能量法；过流能力；明渠均匀流
中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：
1 工程概况
南水北调中线总干渠石获北路至植物园路渠段全长近2.0km，设计流量220m3/s，加大流量240m3/s。由于占地征迁等原因，跨南水北调中线总干渠，连接石获北路和植物园路的两座公路桥无法实施，需新建康庄和岳村暗渠下穿石获北路和植物园路。
康庄暗渠与紧邻的石～太铁路（二）暗渠联合布置，取消石～太铁路（二）暗渠的出口闸室和出口渐变段，将其管身末端延长穿越石获北路，后接闸室和渐变段。岳村暗渠根据植物园路与总干渠斜交情况以及植物园路支线位置进行布置，由进口渐变段、管身段及出口渐变段组成。康庄暗渠至岳村暗渠之间的渠道长1.4km，调整其纵坡及过水断面尺寸。
2 方案研究
经过研究，考虑如下几个方案：
方案1，康庄和岳村暗渠采用矩形过水断面，加大断面宽度使两座暗渠占用的水头和同长度渠道占用的水头相等。
方案2，康庄和岳村暗渠采用与渠道断面一致的梯形过水断面，加大断面宽度使两座暗渠占用的水头和同长度渠道占用的水头相等。
方案3，修建过水断面与渠道断面一致的康庄和岳村暗桥（桥墩不占用水头），暗桥上部覆土1.5m。
方案4，调缓康庄暗渠至岳村暗渠之间的渠道纵坡，并加大其过水断面，将渠道节省下的水头移至两座暗渠。
经过计算，方案1、方案2结构尺寸较大，投资增加较大；方案3由于桥面覆土1.5m，荷载较大，基础处理难度大，工期较长。因此方案4为可行性方案。
3 水力计算
方案4康庄暗渠与紧邻的石～太铁路（二）暗渠联合布置，水力计算的范围为石～太铁路（二）暗渠进口至岳村暗渠出口，石～太铁路（二）暗渠进口至岳村暗渠出口的位置按照工程布置需要已经确定，所以，计算渠段上、下游渠道的断面形式和尺寸、通过各级流量时的水深以及渠底高程和渠段所允许的水头损失均已经确定。根据边界条件可建立以下函数关系式，见图A。
各控制点初步设计指标见表1。
表1 各控制点初步设计指标
一般情况下，暗渠的洞身段长度大于进口前渠道水深的20倍，所以水力计算时，对于长洞，在设计流量条件下，洞中水流按明渠均匀流考虑。采用能量法，在合理范围内假定暗渠的断面宽度，通过试算计算出石～太铁路（二）暗渠和康庄暗渠共占用水头，岳村暗渠占用水头。确定康庄和岳村暗渠洞身断面宽度，同时考虑洞身断面的结构受力特点和工程投资等方面的因素。
若康庄和岳村暗渠洞身段洞底布置在相应的渠底高程连线上，计算断面呈扁平状，单孔洞身高宽比小于1.0，结构受力条件不好，工程量大。为了提高断面的利用率，考虑采取降低洞底高程加大洞内水深的措施。从理论上分析，在上下游水位一定的情况下，过同等流量的建筑物既可选择宽浅式，也可选择窄深式，不同的洞宽对应不同隧洞降低值，需根据实际情况而定。通过对南水北调京石段隧洞进行水工模型试验研究，当洞底降低值在1.64m以下时，洞前无壅水现象，洞内水面线和进出口总干渠水面线衔接顺畅，其进口顺坡和出口反坡对隧洞水流和断面流速分布无明显影响，仍可保持洞内大范围为均匀流，不影响过流能力。采取降低暗渠洞底高程，增大洞内水深的方案，可减少洞身跨度，且使洞身高宽比大于1.0，结构受力条件较好，同时节省了洞身工程量。
根据剩余水头、按明渠均匀流计算确定康庄暗渠与岳村暗渠之间的渠道纵坡和底宽。
=，
式中：——渠道纵坡
——渠道长度
相比初步设计，调缓渠道纵坡即可减小渠道水头损失，为了不影响渠段设计过流能力，需加大渠道过水断面，渠道边坡不变，考虑加宽渠底和挖深渠底两个方案。经综合考虑占地、边坡稳定、康庄暗渠与石～太铁路（二）暗渠衔接等因素，通过试算及优化，计算结果见表2。
表2设计流量水力计算成果表
4 加大水面线计算
康庄和岳村暗渠断面宽度确定后，按明渠恒定非均匀流公式推算渠道和建筑物内加大水面线。
明渠恒定非均匀流公式如下：
式中：——下游断面对应水位；
——上游断面对应水位；
——下游断面对应流速；
——上游断面对应流速；
——上下游断面间水头损失；
本渠段加大流量水面线的推算是以新增岳村暗渠出口作为起点，以岳村暗渠出口位置的原渠道加大水位为起调水位，向上游进行加大流量水面线的计算。计算结果见表3、表4。
表3 渠底加宽方案加大流量水面线计算成果表
表4 渠底挖深方案加大流量水面线计算成果表
由计算结果可知，新建康庄和岳村暗渠后加大流量水面线的受影响渠段为康庄暗渠出口至岳村暗渠，本段渠道为挖方渠道，一级马道高程由内水控制，其安全超高不小于1.0m。新建两座暗渠造成总干渠加大水位抬高最大为3.2cm，仅占原超高的3.2％，基本满足渠道超高的要求。加大流量水面线抬高后对本段渠道、跨总干渠桥梁、分水口门、排水泵站及左岸排水等建筑物结构及配筋影响很小，仍能满足要求。
另外，建筑物洞身加大水面线以上的净空面积不应小于暗渠断面面积的15%，且高度不小于40cm。
5 结语
康庄和岳村暗渠为新增建筑物，修建两座暗渠需要的水头较同长度渠道需要的水头多，为了不影响总干渠过流能力及本渠段总水头，考虑调缓康庄暗渠至岳村暗渠之间的渠道纵坡，并加大其过水断面，将其节省下的水头移至两座暗渠的方案。
渠段通过设计流量，康庄暗渠至岳村暗渠之间的渠道为明渠均匀流，相比初步设计，调缓渠道纵坡即可减小渠道水头损失，为了不影响渠段设计过流能力，需加大渠道过水断面，结合工程实际情况，考虑加宽渠底和挖深渠底两个方案，采用能量法逐步试算可计算出两方案建筑物和渠道的水力要素及断面尺寸，然后根据明渠恒定非均匀流公式推算新增建筑物对该渠段加大水面线的影响，并确定是否影响总干渠其它建筑物。通过方案比较及水力计算，在南水北调中线总干渠新增建筑物设计中采用本方案是可行的。
参考文献：
[1] 水利部河北水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程(石家庄至北拒马河段)隧洞初步设计报告[R].2004
[2] 水利部河北水利水电勘测设计研究院.《南水北调中线一期工程总干渠邢石界至古运河南渠段初步设计报告》[R].2009
[3] 水利部河北水利水电勘测设计研究院.《南水北调中线一期工程总干渠石家庄段康庄、岳村桥梁变更设计报告》[R].2012
[4] SL279-2002，水工隧洞设计规范[S].
[5] 李炜.水力计算手册[K]. 北京：中国水利水电出版社，2007.4
作者简介:刘振宇（1980-），男(汉族)，河北秦皇島人，助理工程师，主要从事水利水电工程设计工作。
关键词：能量法；过流能力；明渠均匀流
中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：
1 工程概况
南水北调中线总干渠石获北路至植物园路渠段全长近2.0km，设计流量220m3/s，加大流量240m3/s。由于占地征迁等原因，跨南水北调中线总干渠，连接石获北路和植物园路的两座公路桥无法实施，需新建康庄和岳村暗渠下穿石获北路和植物园路。
康庄暗渠与紧邻的石～太铁路（二）暗渠联合布置，取消石～太铁路（二）暗渠的出口闸室和出口渐变段，将其管身末端延长穿越石获北路，后接闸室和渐变段。岳村暗渠根据植物园路与总干渠斜交情况以及植物园路支线位置进行布置，由进口渐变段、管身段及出口渐变段组成。康庄暗渠至岳村暗渠之间的渠道长1.4km，调整其纵坡及过水断面尺寸。
2 方案研究
经过研究，考虑如下几个方案：
方案1，康庄和岳村暗渠采用矩形过水断面，加大断面宽度使两座暗渠占用的水头和同长度渠道占用的水头相等。
方案2，康庄和岳村暗渠采用与渠道断面一致的梯形过水断面，加大断面宽度使两座暗渠占用的水头和同长度渠道占用的水头相等。
方案3，修建过水断面与渠道断面一致的康庄和岳村暗桥（桥墩不占用水头），暗桥上部覆土1.5m。
方案4，调缓康庄暗渠至岳村暗渠之间的渠道纵坡，并加大其过水断面，将渠道节省下的水头移至两座暗渠。
经过计算，方案1、方案2结构尺寸较大，投资增加较大；方案3由于桥面覆土1.5m，荷载较大，基础处理难度大，工期较长。因此方案4为可行性方案。
3 水力计算
方案4康庄暗渠与紧邻的石～太铁路（二）暗渠联合布置，水力计算的范围为石～太铁路（二）暗渠进口至岳村暗渠出口，石～太铁路（二）暗渠进口至岳村暗渠出口的位置按照工程布置需要已经确定，所以，计算渠段上、下游渠道的断面形式和尺寸、通过各级流量时的水深以及渠底高程和渠段所允许的水头损失均已经确定。根据边界条件可建立以下函数关系式，见图A。
各控制点初步设计指标见表1。
表1 各控制点初步设计指标
一般情况下，暗渠的洞身段长度大于进口前渠道水深的20倍，所以水力计算时，对于长洞，在设计流量条件下，洞中水流按明渠均匀流考虑。采用能量法，在合理范围内假定暗渠的断面宽度，通过试算计算出石～太铁路（二）暗渠和康庄暗渠共占用水头，岳村暗渠占用水头。确定康庄和岳村暗渠洞身断面宽度，同时考虑洞身断面的结构受力特点和工程投资等方面的因素。
若康庄和岳村暗渠洞身段洞底布置在相应的渠底高程连线上，计算断面呈扁平状，单孔洞身高宽比小于1.0，结构受力条件不好，工程量大。为了提高断面的利用率，考虑采取降低洞底高程加大洞内水深的措施。从理论上分析，在上下游水位一定的情况下，过同等流量的建筑物既可选择宽浅式，也可选择窄深式，不同的洞宽对应不同隧洞降低值，需根据实际情况而定。通过对南水北调京石段隧洞进行水工模型试验研究，当洞底降低值在1.64m以下时，洞前无壅水现象，洞内水面线和进出口总干渠水面线衔接顺畅，其进口顺坡和出口反坡对隧洞水流和断面流速分布无明显影响，仍可保持洞内大范围为均匀流，不影响过流能力。采取降低暗渠洞底高程，增大洞内水深的方案，可减少洞身跨度，且使洞身高宽比大于1.0，结构受力条件较好，同时节省了洞身工程量。
根据剩余水头、按明渠均匀流计算确定康庄暗渠与岳村暗渠之间的渠道纵坡和底宽。
=，
式中：——渠道纵坡
——渠道长度
相比初步设计，调缓渠道纵坡即可减小渠道水头损失，为了不影响渠段设计过流能力，需加大渠道过水断面，渠道边坡不变，考虑加宽渠底和挖深渠底两个方案。经综合考虑占地、边坡稳定、康庄暗渠与石～太铁路（二）暗渠衔接等因素，通过试算及优化，计算结果见表2。
表2设计流量水力计算成果表
4 加大水面线计算
康庄和岳村暗渠断面宽度确定后，按明渠恒定非均匀流公式推算渠道和建筑物内加大水面线。
明渠恒定非均匀流公式如下：
式中：——下游断面对应水位；
——上游断面对应水位；
——下游断面对应流速；
——上游断面对应流速；
——上下游断面间水头损失；
本渠段加大流量水面线的推算是以新增岳村暗渠出口作为起点，以岳村暗渠出口位置的原渠道加大水位为起调水位，向上游进行加大流量水面线的计算。计算结果见表3、表4。
表3 渠底加宽方案加大流量水面线计算成果表
表4 渠底挖深方案加大流量水面线计算成果表
由计算结果可知，新建康庄和岳村暗渠后加大流量水面线的受影响渠段为康庄暗渠出口至岳村暗渠，本段渠道为挖方渠道，一级马道高程由内水控制，其安全超高不小于1.0m。新建两座暗渠造成总干渠加大水位抬高最大为3.2cm，仅占原超高的3.2％，基本满足渠道超高的要求。加大流量水面线抬高后对本段渠道、跨总干渠桥梁、分水口门、排水泵站及左岸排水等建筑物结构及配筋影响很小，仍能满足要求。
另外，建筑物洞身加大水面线以上的净空面积不应小于暗渠断面面积的15%，且高度不小于40cm。
5 结语
康庄和岳村暗渠为新增建筑物，修建两座暗渠需要的水头较同长度渠道需要的水头多，为了不影响总干渠过流能力及本渠段总水头，考虑调缓康庄暗渠至岳村暗渠之间的渠道纵坡，并加大其过水断面，将其节省下的水头移至两座暗渠的方案。
渠段通过设计流量，康庄暗渠至岳村暗渠之间的渠道为明渠均匀流，相比初步设计，调缓渠道纵坡即可减小渠道水头损失，为了不影响渠段设计过流能力，需加大渠道过水断面，结合工程实际情况，考虑加宽渠底和挖深渠底两个方案，采用能量法逐步试算可计算出两方案建筑物和渠道的水力要素及断面尺寸，然后根据明渠恒定非均匀流公式推算新增建筑物对该渠段加大水面线的影响，并确定是否影响总干渠其它建筑物。通过方案比较及水力计算，在南水北调中线总干渠新增建筑物设计中采用本方案是可行的。
参考文献：
[1] 水利部河北水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程(石家庄至北拒马河段)隧洞初步设计报告[R].2004
[2] 水利部河北水利水电勘测设计研究院.《南水北调中线一期工程总干渠邢石界至古运河南渠段初步设计报告》[R].2009
[3] 水利部河北水利水电勘测设计研究院.《南水北调中线一期工程总干渠石家庄段康庄、岳村桥梁变更设计报告》[R].2012
[4] SL279-2002，水工隧洞设计规范[S].
[5] 李炜.水力计算手册[K]. 北京：中国水利水电出版社，2007.4
作者简介:刘振宇（1980-），男(汉族)，河北秦皇島人，助理工程师，主要从事水利水电工程设计工作。