明渠斷面改造后測流問題探討

張一鴻

（寶雞市馮家山水庫管理局　陜西　寶雞　721300）

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明渠斷面改造后測流問題探討

張一鴻

（寶雞市馮家山水庫管理局陜西寶雞721300）

摘要本文通過對更新改造后新的干渠斷面測流問題的探討，解決了“弧底梯形”斷面水尺的標注問題、測速垂線的定線及布設問題、測速垂線間部分面積的計算以及測線上測點數(shù)目的靈活確定等問題，并由此推廣解決了小斷面渠道“變態(tài)U型”斷面的測流問題。對于灌區(qū)準確測水量水、優(yōu)化渠系供水調(diào)度具有基礎性作用。

關鍵詞斷面更新改造；測流問題探討

1　干渠斷面更新改造的背景

馮家山水庫灌區(qū)有總干渠、北干渠、南干渠、西干渠四條干渠，總長度119.827km?？偢汕?971年動工，1972年底襯砌完成竣工；北干渠于1972年～1974年完成上段施工任務，1973年～1975年完成下段施工任務。南干渠于1971年動工，1972年底襯砌完成竣工；西干渠于1972年10月開工，1974年12月竣工。在原灌區(qū)工程建設時期，為減少滲漏損失，提高渠道水有效利用系數(shù)，渠道的設計、施工均為混凝土襯砌的梯形斷面；干渠測流工作均依據(jù)梯形斷面布設測速垂線施測。四條干渠渠首設計流量分別為：總干渠36m3/s、北干渠22m3/s、南干渠8m3/s、西干渠4.5m3/s。由于北干渠和南干渠較長，從渠首到末端的設計流量和斷面尺寸逐段減小，北干渠設計流量分段為22m3/s、19m3/s、13m3/s、8.15m3/s和5m3/s；南干渠設計流量分段為8m3/s、5.5m3/s、5m3/s、4m3/s和3m3/s。

1993年，陜西省政府提出關中灌區(qū)改造計劃，并確定為省“九五”水利建設重點項目。1995年以后，北干渠和南干渠逐步分段實施更新改造，局部區(qū)段采用了“弧底梯形”斷面。北干渠42+364～43+534段長度1.17km為“弧底梯形”斷面。南干渠9+667～10+667段，14+274～17+520段，18+065～20+135段，22+737～23+969段和25+115～26+615段合計長度9.048km為“弧底梯形”斷面。不過，以上這些改造區(qū)段繞過了原有的梯形測流斷面，對渠道測流工作沒有影響。

近年來，隨著灌區(qū)項目建設力度的增加，渠道更新改造速度加快，已經(jīng)有更多區(qū)段實施了新改造。2014年至2015年，北干渠15+167～15+797段，15+879～17+559段，17+ 641～17+703段，17+789～18+318段，18+357 ～18+374段，18+444～18+741.5段，18+958.5～19+733段和19+800～19+852段合計長度4.042km改造為底寬2.5m的“弧底梯形”斷面；26+091～27+494段，27+563～29+877段，30+064～30+454段和30+611～31+415段合計長度4.911km改造為底寬2.0m的“弧底梯形”斷面。在北干渠涉及梯形測流斷面改造的有“底寺”測流點和“八支”測流點，這兩個測流點斷面是梯形改“弧底梯形”。

2013年～2014年，南干渠6+412～9+115段，11+124～14+274段和17+520～18+065段合計長度6.398km改造為弧半徑3m的“變態(tài)U形”斷面；20+135～22+459段長度2.324km改造為弧半徑2.4m的“變態(tài)U形”斷面；23+969～24+003段和26+615～27+825段合計長度1.244km改造為弧半徑2.0m的“變態(tài)U形”斷面。在南干渠涉及梯形測流斷面改造的有“南三支”測流點和“強家溝”測流點，這兩個測流點斷面是梯形改“變態(tài)U形”。

2　干渠斷面測流問題探討

圖1　水深等于1.425m時部分面積計算圖

由于渠道更新改造，渠道斷面的變化影響到測流斷面形狀的改變，必然導致基本測線位置的重新確定和布設，相應的基本測線距會發(fā)生改變，測線間部分面積的計算會有所不同?，F(xiàn)在，以北干渠“底寺”測流點為例來進行討論。

底寺測流斷面位于北干渠18+450處，原斷面為梯形，設計流量22m3/s,加大流量26m3/s，渠底寬3.41m,襯砌高3.06 m，左岸內(nèi)坡比1∶1.269,右岸內(nèi)坡比1∶1.256，基本測線距0.853m，基本測線數(shù)5條。2015年春季，因渠道更新改造，該測流斷面在原樁號處由梯形變?yōu)椤盎〉滋菪巍保O計流量22m3/s,加大流量26m3/s，渠底中間水平段寬2.5m，渠底兩邊圓弧段水平投影寬各為0.89m，襯砌高3.36 m，設計水深2.63 m，加大水深2.86 m，左右岸內(nèi)坡比均為1∶1.25。

2.1水尺的標注

圖2　水深大于1.425m時部分面積計算圖

“底寺”測流點原梯形斷面水尺的標注是從渠底坡腳起算，起始值為0m，按實測內(nèi)坡比計算出垂直高度后，將水尺和數(shù)值標注在斜坡上?，F(xiàn)改為“弧底梯形”斷面的水尺，宜從渠底弧段的外沿切點起算，起始值為0.31m（依據(jù)現(xiàn)斷面設計值確定），然后根據(jù)實測內(nèi)坡比計算出垂直高度，將水尺和數(shù)值標注在斜坡上。（圖1所示）

圖3　均勻布設測線“死水位”面積計算分攤圖

表1　渠道流量測驗記載計算

表2　渠道流量測驗記載計算

2.2測速垂線的確定及布設

根據(jù)水文測驗規(guī)范：水面寬1.5m～5m時，可確定3～5條測線；水面寬5 m～15m時，可確定5～9條測線?！暗姿隆睖y流點“弧底梯形”斷面設計流量下水位的水面寬10.05m（依據(jù)現(xiàn)斷面設計值確定），加大流量下水位的水面寬10.06m（依據(jù)現(xiàn)斷面設計值確定），故該測流點基本測線數(shù)可確定為5條。

2.2.1方案一

各測速垂線的位置分別是：第一條測線在左側圓弧段外沿切點上，第二條在左側圓弧段內(nèi)沿切點上，第三條在渠道斷面中線上，第四條在右側圓弧段內(nèi)沿切點上，第五條在右側圓弧段外沿切點上。若需增加測線，則可向兩邊坡延伸增加。這樣布設5條基本測線，測線距分別為0.89m、1.25m、1.25m和0.89m，有利于精確計算測線間部分面積。當水深等于1.425m時，垂線間部分面積的計算：A1和A6為三角形面積，A2和A5為三角形與扇形面積之和，A3和A4為矩形面積。（如圖1所示）

當水深大于1.425m時，垂線間部分面積的計算：A1和A6為三角形面積，A2和A5為梯形與扇形面積之和，A3和A4為矩形面積。（如圖2所示）

2.2.2方案二

各測速垂線的位置分別是：第一條測線在左側圓弧段外沿切點上，第五條在右側圓弧段外沿切點上，兩測線間水平投影總長4.28m,第二、三、四條測線均勻布設，平均測線距離為1.07m；若需增加測線，同樣向兩邊坡延伸增加即可。這樣布設5條基本測線，測線距均勻，可把0.31m以下水深面積看做“死水位”面積，固定分攤到各測線間部分面積即可。（如圖3所示）S1、S2、S3、S4的面積，分別固定分攤到“測線1”和“測線2”、“測線2”和“測線3”、“測線3”和“測線4”以及“測線4”和“測線5”之間的部分面積即可。把0.31m以上水深面積視為梯形斷面，與原流量施測同樣對待，而且記錄計算表式只增加固定分攤的“死水位”面積，其余項不變。

“死水位”面積的計算：

“方案二”記錄計算表式如下：

2.3測點數(shù)目的確定

根據(jù)水文測驗規(guī)范，“底寺”測流點水深在0.4m～1.0m，采用一點法或兩點法；水深在1.0 m以上，可用三點法或五點法。

3　結論和推論

通過對北干渠“底寺”測流點測線布設“方案一”和“方案二”的比較，可用看出“方案二”具有測線距均勻、各測線間部分面積計算方便、與原流量施測步驟和方法相同、記錄計算表式一致等優(yōu)點，是理想的測速垂線布設方案。至此，容易得出推論：“方案二”也適用于馮家山灌區(qū)南干渠“變態(tài)U形”斷面流量的施測。

下面，以南干渠強家溝測流斷面為例推論：

3.1“變態(tài)U形”斷面尺寸和水尺標注

強家溝測流斷面位于南干渠樁號27+450處，弧底半徑2.0m，弧底水平投影寬為2.828m,襯砌高1.75 m,設計流量4.02m3/s,加大流量5.04m3/s，設計水深1.38 m，加大水深1.54m，襯砌開口寬度5.156m，左右岸內(nèi)坡比均為1∶1。該“變態(tài)U形”斷面的水尺，宜從渠底弧段與邊坡的切點起算，起始值為0.59m（依據(jù)現(xiàn)斷面設計值確定），然后根據(jù)實測內(nèi)坡比計算出垂直高度，將水尺和數(shù)值標注在斜坡上（如圖4所示）。

3.2基本測線方案和計算

強家溝測流斷面布設基本測線數(shù)3條，第一條在左側圓弧段切點上，第二條在渠道斷面中線上，第三條在右側圓弧段切點上。當水深大于1.5 m時，在兩邊渠坡各加一條測線（如圖4所示）。

這樣布設3條基本測線，在必要時兩邊渠坡可各加一條測線。在整個過水斷面中，可以把0.59m以下水深面積看做“死水位”面積（如圖4中S1、S2的面積），固定分攤到“測線1”和“測線2”以及“測線2”和“測線3”之間的部分面積即可。把0.59m以上水深面積視為梯形斷面，與原流量施測同樣對待，且記錄計算表式只增加固定分攤的“死水位”面積，其余項不變。

“死水位”面積的計算：

S1=S2=（3.14×2×2/4.2×2/2）/2=0.57（m2）

南干渠“變態(tài)U形”斷面流量施測記錄計算表式如表2所示。

4　結語

渠道工程更新改造后，使得測流斷面形狀發(fā)生改變，必然導致基本測線位置等測流要素的變化。在此情況下，合理確定和布設測速垂線（主要因素）、測量相應的基本測線距、設定測線間部分面積的計算方法以及靈活確定測線上測點的數(shù)目等，對于改善斷面測流技術、提高斷面測水量水準確率意義重大。本文的“結論和推論”回答了“弧底梯形”斷面和“變態(tài)U型”斷面測速垂線的定線及布設問題、測速垂線間部分面積的計算問題、測線上測點數(shù)目的靈活確定等，對于灌區(qū)準確測水量水、優(yōu)化渠系供水調(diào)度具有十分重要的作用。陜西水利

參考文獻：

[1]寶雞市馮家山水庫管理局編，《馮家山水庫志》.西安:陜西人民出版社,2004 ISBN 7.224.06981.7

[2]水利部水文司主編，《水文普通測量規(guī)范》（SL58.93）.北京：水利電力出版社，1993

（責任編輯：唐紅云）

中圖分類號：P332

文獻標識碼：A