浅谈明渠导流设计

浅谈明渠导流设计

刘宝永

中国电建市政建设集团有限公司山东德州253000

摘要：根据当地河流的水文条件及曼宁公式等水力学公式，通过对导流标准的校核计算导流明渠及上下游围堰的相关参数，完成施工导流设计。

关键词：洪峰流量；导流标准；曼宁公式；

1工程概况

1.1工程概况

恩佐亚河是肯尼亚境内相对比较大的一条河流，该河流自东向西注入维多利亚湖，是维多利亚湖重要的水源之一。恩佐亚灌溉项目就是通过在这条河流上修建一座分水堰抬高水位，使河水通过进水口沿着后续的各级渠道进入农田进行灌溉。要在河道上修建结构物必须先进行施工导流，项目前期经过对工程量、水文条件及地质条件的对比，最终选择了开挖导流明渠，填筑上下游围堰创造内部旱地施工条件的方案，目前分水堰施工实施的非常顺利。

1.2自然条件

1.2.1气象条件

施工区域属于热带季风气候。年平均气温30℃左右，最低平均气温15℃。全年分两个雨季，其中大雨季为三月至五月，小雨季为十月到十二月，年平均降雨量1100毫米。

1.2.2水文条件

根据当地水文站提供的水文资料，该河流每年最大的汛期出现在4月、5月,第二个汛期在8月、9月，1月到3月份是枯水期，其余月份水量相对较小。

根据现场调查，分水堰附近河道宽度为55-60米左右，平均水深约1.5-2.5米，按照业主提供的水文资料，恩佐亚河5年一遇最大洪峰流量495立方每秒，20年一遇洪峰流量638立方每秒。

2.导流明渠设计

2.1导流明渠位置的选择

导流明渠可以布置在河道的左岸，也可以布置在河道右岸，因为河道在分水堰上游附近右转弯的关系，将导流明渠布置在右岸相对可以缩短明渠的长度，但右岸地势较高且有少数居民牵扯到征地的问题。左岸地势较低相对平坦，也不牵扯征地问题，但如果把导流明渠布置在左岸其长度相对右岸会增加。项目通过前期原地面测量分别对这两种情况进行了工程量计算对比，结果显示这两种情况的开挖量相仿，但右岸石方量开挖量较大，且又牵扯到征地问题，遂确定将导流明渠布置在左岸。

2.2导流条件

根据招标文件要求临时围堰及导流明渠需要按照20年一遇的洪峰流量进行校核计算，参考业主提供的水文资料，进过相关水文水利计算得出20年一遇的洪峰流量为638m3/s。

根据工期及施工要求，导流明渠开挖选择在7、8、9月份，在小汛过后河水水量最小的10月份择期开始上下游临时围堰的填筑，遮断河道。导流明渠自10月份开始发挥作用实施导流，至来年8月份完成结构物施后进行回填，恢复原河道过流。

2.3导流明渠设计

2.3.1明渠长度计算

导流明渠是将原河道设计绕行拟建结构物的明挖渠道，其长度应该满足下面公式要求：

L导>L1+L上+L下+L结+L2

式中：L导：导流明渠内侧总长度

L1：明渠至上游围堰安全距离

L2：明渠至下游围堰安全距离

L上：上游围堰底宽

L下：下游围堰底宽

L结：结构物设计宽度及施工设备操作空间

分水堰沿水流方向上游侧宽度20米，下游侧宽度25米，总宽度45米。明渠至围堰安全距离取20米，围堰底宽为31.5米，设备操作空间上下游均需不少于40米。经计算导流明渠内侧总长度L导不应该小于245米。

满足上述条件的同时，本项目根据自身的情况还应满足开挖量最少且能够保证明渠至河岸之间的有足够的空间存储围堰回填所需土石料这连个条件。通过对这三个条件的对比计算确定明渠中线的位置，经计算明渠的中线长度为419米。

2.3.2明渠横断面计算

根据明渠均匀流的水力学性质，通过明渠均匀流的水力学公式对明渠的各个参数可以进行大致的试算。计算考虑工程的实际情况，原则包括：a.开挖工程量最少。b.尽可能的满足边坡稳定条件。c.满足明渠边坡稳定的情况下流速尽可能大。

明渠断面如下图示意：

试算方程式：

式中：I=水力坡降;L导：导流明渠长度;X：湿周;B：明渠底宽;R：水力半径;

A：明渠断面面积;H：堰前水深;m1：明渠边坡坡比;m2：明渠边坡坡比

H1：明渠进口高程，取河道进口河床高程

H2：明渠出口高程,取河道出口河床高程

Q：流量,根据合同要求流量按20年一遇洪峰设计计算，为638没

V：明渠内流速,根据不致淘刷岸坡的原则将流速控制在2m/s左右;

N:为明渠的糙率，根据水利规范提供的数据,新开挖的明渠糙率取0.025;

对以上公式进行综合，试算得到如下表所示数据：

3.上下游临时围堰设计

3.1围堰高度

（1）堰前水深

根据导流明渠水力计算，渠内水深约为4.5m。

（2）波浪爬高计算

波浪爬高hw由下式确定：

a、平均波高采用莆田试验站公式计算：

经计算得：围堰=0.13m。

b、设计波浪高度

对于Ⅳ级围堰，设计波浪高度取累计概率p=5%的设计值，经计算围堰hw=0.5m。

（3）围堰高度计算

按《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)规定，不过水围堰堰顶高程应等于设计静水位加波浪高度和安全超高，围堰顶高程按下式确定：

H＝h＋hw＋δ

式中：H：围堰堰顶高程

h：围堰堰前静水位

hw：波浪爬高

δ：围堰的安全超高。

根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2017）规定，围堰超高取0.65m。围堰计算成果如下表

根据计算成果，选取上围堰高度H=5.15m,下游围堰高度取4.5m。

3.2围堰其他参数

（1）堰顶高程及顶宽。

围堰顶高程按照上下游河床高程加围堰设计高度计算。即：

L堰=L河+H堰

以填筑量最少且能满防渗及足车辆通行要求为原则，堰顶宽度采取6米。

（2）围堰长度。

根据上述公式计算出围堰顶高程后，选取拟定围堰位置两侧岸坡等高线之间的最短距离作为围堰的顶中心线长度。

（3）防渗闭气及边坡坡比

考虑到围堰边坡的稳定性及防渗要求，边坡坡比采取1:2。边坡迎水面铺设复合土工布作为防渗体，土工布表面布置黏土沙袋，沙袋外侧布置抛石作为护坡。

围堰参数如下图所示：

4.导流整体布置

综合以上计算结果及布置原则，整个项目的导流布置如下图所示，明渠布置在河道左侧，底宽设计55米，两侧边坡设计1:2，淘刷比较验证的转弯处设计1米厚的抛石护坡，上下游围堰间距145米，堰顶宽度6.5米，边坡设计1:2，上游围堰迎水侧布置复合土工布作为防渗闭气材料，抛石护坡。河道与明渠之间的岛作为围堰填筑料的储存区域。

导流整体布置如图所示：

5.经验总结

（1）事先做好现场勘查因地制宜的制定合理的导流方案；

（2）运用明渠均匀流中的水力学公式进行计算；

6.结语

截止本稿日期，分水堰施工已经接近完成，即将进行导流明渠恢复。导流明渠以及上下游围堰也经受住了一个大汛期的考研，明渠内水流通畅，经测定水流流速在大汛期接近设计流速，上下游围堰设计高度合理，未出现堰体渗流现象，防渗效果良好，整体上导流各项指标良好。

参考文献：

[1]尹小玲、于布.水力学第三版.广州，华南理工大学出版社，2014.

作者简介：刘宝永（1980年1月生），性别：男，民族：汉族，籍贯：山东省惠民县胡集镇，学历：本科，职称：工程师，研究方向：农田水利工程