【工程实例】南水北调工程之“中线工程”

我国于20世纪50年代提出“南水北调”的设想，南水北调工程分东、中、西三条调水线路，工程总体布局确定为：分别从长江上、中、下游调水，建成后与长江、淮河、黄河、海河相互连接，以改善和修复北方地区的生态环境，适应西北、华北各地的发展需要。近期供水目标为解决城市缺水为主，兼顾生态和农业用水。

南水北调中线工程近期从长江支流汉江上的丹江口水库引水，沿伏牛山和太行山山前平原开渠输水，终点北京。远景考虑从长江三峡水库或以下长江干流引水增加水量。南水北调中线工程具有水质好、覆盖面大、自流输水等优点，是解决华北水资源危机的一项重大基础设施。

南水北调中线主体工程由水源区工程和输水工程两大部分组成（图4.57）。水源区工程为丹江口水利枢纽后期续建和汉江中下游补偿工程，输水工程即引汉总干渠和天津干渠。中线一期工程于2003年12月开工，2014年10月竣工，沿线建成渠道902km，以及渡槽、倒虹吸、隧洞、节制闸、泵站、退水闸、分水口等2385座。

【例题1】南水北调中线输水工程全线总长1432km，其中包括1196km的明渠，采用泵站加压方式用管道输水的渠段长236km。如果中线某干渠的设计流量Q=300m3/s，渠道截面（图4.58）采用等腰梯形，边坡1∶0.4，渠底宽b=25m，混凝土护面，底坡i=0.0001，安全超高h1=2.0m，请确定该渠段渠顶高度。

解：

渠道过流断面面积

A=bh+mh2=25h+0.4h2

图4.57　南水北调中线工程

图4.58　南水北调中线明渠断面及其施工图

湿周

混凝土护面，糙率n选择0.014；代入已知数值，整理得

采用试算法（表4.1）求解正常水深h。

表4.1　明渠断面水力要素计算表

则设计流量下渠道正常水深可取13m，加上安全超高2.0m，渠道从渠底到渠顶高度为15m。

【例题2】某渠道断面为矩形，底宽10m，下泄流量Q=140m3/s，拟建泄水建筑物，在下游渠道产生水跃。已知跃前水深h′=0.85m。

（1）求跃后水深h″。

（2）计算水跃长度lj。

（3）计算水跃段单位宽度上的能量损失和水跃消能效率。

解：

（1）单宽流量q=Q/b=14.0m2/s，h′=0.85m，设α≈1.0，则跃前断面弗劳德数

跃后水深

（2）水跃长度计算，并比较各经验公式结果。

美国垦务局公式：

Lj=6.1h″=39.35（m）(www.daowen.com)

厄里瓦托斯基公式：

Lj=6.9（h″-h′）=38.64（m）

成都科技大学公式：

Lj=10.8h′（Fr1-1）0.93=10.8×0.85×（5.71-1）0.93=38.79（m）

陈椿庭公式：

Lj=9.4h′（Fr1-1）=9.4×0.85×（5.71-1）=37.63（m）

不同公式的计算结果最大相差不到4.4%。

（3）水跃水头损失

消能效率

【例题3】某水库泄水渠纵剖面如图4.59所示，渠道断面为矩形，宽b=5m，底坡i=0.25，用浆砌块石护面，糙率n=0.025，渠长56m，当泄流量Q=30m3/s时，绘制水面曲线。

图4.59　某水库泄水渠及其纵剖面图泄水渠（单位：m）

解：

已知b=5m，i=0.25，n=0.025，Q=30m3/s。

（1）判断渠道底坡性质和水面曲线形式。

计算正常水深（过程略），得h0=0.524m＜hK，所以渠道为陡坡。

根据以上情况判断水面曲线为降水曲线，进口处水深为临界水深hK，渠道中水深变化范围从hK趋向正常水深h0。

（2）用分段求和法计算水面曲线。因流态为急流，进口处为控制断面，h1=hK=1.585m，向下游计算水面线，依次取h2=1.2m，h3=1.0m，h4=0.8m，h5=0.6m，h6=0.53m，根据分段求和计算式分段计算，s为各水深所在断面距起始断面的距离，计算过程见表4.2。

表4.2　水面曲线水力计算表

根据计算结果可绘制出水面曲线（图4.59），可见渠道末端水深已接近正常水深。

【例题4】湖南省洞庭湖区某小河上修建双柱式公路桥。已知底坡i=0.0001，河道为梯形断面，河段均匀流水深h0=4.8m，临界水深hK=1.73m，底宽b=20m，边坡系数m=2.5，糙率n=0.0225，设计流量Q=160m3/s，桥位断面控制水深h=6m，试分析其上游壅水情况。

分析：对湖区河段桥梁壅水采用水面曲线法计算，水面曲线方程为

由于控制断面水深h=6m，该河段为缓坡，桥位上游为a1型壅水曲线，自桥位断面向上游水深逐渐减小，则可设水深为5.8m、5.6m、5.4m、5.2m、5.0m、4.95m等，如能确定不同水深对应的断面位置，则可以确定所求的壅水曲线。

设水深为5.8m的断面距离桥位距离为L，依据已知条件，采用上述水面曲线方程，忽略式中局部水头损失，经计算可得L=3880m。后续计算控制水深取水深5.8m，采用水面曲线方程同样可以确定水深为5.6m的断面位置。具体结论见表4.3。

表4.3　桥位上游壅水计算结果

由计算结果可知，水深h=4.95m断面距离桥位断面45750m，该断面水深比正常水深h0=4.8m增加了3%，说明桥梁阻水产生的壅水消减了堤防安全防洪空间，降低了河道防洪能力，所以河道管理部门必须考虑涉河工程壅水的不利影响。