硕士论文研究课题420.docx

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硕士论文研究课题420

硕士论文研究课题

1、灌溉渠系设计：

常规方法；考虑泥沙淤积的纵横断面在拐弯、交叉建筑物、断面现状、尺寸变化、分水口的设计与计算。

主要是恒定流，但经常非均匀。

除了开关过程外。

主动采取工程措施，完成灌溉任务，投资小、运行稳定。

2、排水（防洪）沟道系统设计：

常规方法；考虑泥沙淤积的纵横断面在拐弯、交叉建筑物、断面现状、尺寸变化、汇集口的设计与计算。

非恒定流。

受降雨径流过程影响，具有随机性、非恒定、非均匀特点。

3、流域规划：

小流域水流与侵蚀过程模拟预报模型。

4、应用理论：

水流方程运动波、扩散波、完整圣维南方程，阻力系数确定等。

泥沙输移方程。

丘陵区、河道上游用运动波模型，坡度足够满足精度；坡度小的平原区、下游顶托、闸、堰流出口用扩散波和完整圣维南方程组。

沟、渠内边界（闸、堰、坝、闸、桥梁、泵站）计算衔接处理方法。

5、确定设计规模：

根据灌溉制度的灌溉用水量或降雨过程来水量，应用数值计算方法确定水位、流量、携沙能力等，确定系统布置规划，确定沟渠断面尺寸、结构，确定渠系建筑物结构、尺寸等参数。

以下是某大型灌区续建配套和节水改造方案可研报告中部分内容，公式6和7需要求解，确定正常水深——红顶均匀流，进而确定渠道断面尺寸，由于无法直接得出解析解，用迭代法求解。

学习我给你们的计算水力学第一个例子，看懂程序，到时集中讨论，也作为你们毕业论文的一个章节，也是以后工作的一个技能。

2工程布置及工程设计

2.1设计依据及工程等级

2.1.1设计依据

（1）《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）；

（2）《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）；

（3）《渠道防渗工程技术规范》（SL18-2004）；

（4）《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23-2006）；

（5）《节水灌溉技术规范》（GB/T50363-2006）；

（6）《水闸设计规范》（SL265-2001）；

（7）《水力计算手册》（水利水电出版社）；

（8）《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-2006）；

（9）《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）；

（10）《水工混凝土施工规范》（DL/T5144-2001）；

（11）《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）；

（12）《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）；

（13）《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）；

（14）《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004）。

2.1.2设计基本资料

（1）工程设计委托书；

（2）山西省水利厅下达《关于抓紧编制大型灌区续建配套与节水改造项目总体可研报告的通知》（晋水农便[2011]26号）；

（3）山西省大型灌区总体可研投资控制表；

（4）太原市水利勘测设计院2010-2011年实测的汾河灌区干、支渠1：

1000平面走向图，纵、横断面图；

（5）《汾河灌区二坝东干渠、西干渠岩土工程勘察报告（详勘）》（太原市水利勘测设计院，2011年11月）。

2.1.3工程等别及建筑物级别

根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）规范规定，本工程渠道工程及渠系建筑物工程根据灌溉流量及建筑物过水流量确定，工程为Ⅳ等，干、支渠及其建筑物为四级。

改善灌溉面积28.5万亩，渠道水利用系数由现有0.65提高到0.85。

2.2工程总体布置

汾河灌区下设四个分灌区。

分别为一坝灌区、二坝汾东灌区、二坝汾西灌区、三坝灌区。

现状工程包括三个渠首，5条干渠，19条支渠，2732条斗农渠。

各级排水渠道1360条，渠道固定级数为四级，鉴于灌区现状工程布局比较合理。

因此，本次规划设计对现状工程格局位置不作调整。

一坝灌区共设2条干渠，1条支渠，分别为一坝西干渠、一坝东干渠和一坝东二支渠。

其中：

一坝西干渠渠道防渗2085m，建筑物改建3座；一坝东干渠渠道防渗10317m，建筑物改建21座，管理所改建2座；一坝东二支渠渠道防渗8704m，建筑物改建37座。

二坝汾西灌区共设1条干渠，2条支渠，分别为二坝西干渠、二坝西四支渠、二坝西五支渠。

其中：

二坝西干渠渠道防渗38786m，建筑物改建58座；二坝西四支渠渠道防渗10238m，建筑物改建18座，管理房改建8座；二坝西五支渠渠道防渗10957m，建筑物改建21座，管理所改建1座，管理房改建6座。

二坝汾东灌区共设1条干渠，1条支渠，分别为二坝东干渠，二坝东一支渠。

其中：

二坝东干渠渠道防渗38178m，建筑物改建22座，管理所改建1座，管理房改建10座；二坝东一支渠渠道防渗7408m，建筑物改建13座，管理房改建2座。

三坝灌区共设1条干渠，4条支渠，分别为三坝西干渠、三坝西七支渠、三坝西八支渠、三坝西十支渠、三坝东四支渠。

其中：

三坝西干渠渠道防渗4843m，建筑物改建3座，管理所改建1座；三坝西七支渠渠道防渗11592m，建筑物改建1座，管理所改建1座；三坝西八支渠渠道防渗9840m，建筑物改建4座，管理房改建3座；三坝西十支渠建筑物改建4座；三坝东四支渠渠道防渗22639m，建筑物改建28座，管理所改建1座，管理房改建9座。

本次汾河灌区续建配套与节水改造项目在原灌区规模维持不变，不新建渠道及建筑物，在现有渠道防渗及现有建筑物改建的情况下，共防渗渠道175587m，建筑物改建233座，管理所改建7座共3500m2，闸管理房改建38座共1834m2。

2.3渠道防渗工程设计

2.3.1防渗渠段

汾河灌区自1999年开展续建配套与节水改造工程以来，骨干渠道分次分批进行渠道防渗，本次根据总体规划要求，选择了5条干渠7条支渠中未防渗段进行渠道防渗。

2.3.2防渗衬砌采用的工程技术

由于汾河灌区位于季节性冻土地区，基土的冻胀对渠道衬砌危害较大，为了防止渠道渗漏及冻胀破坏，结合原渠道实际情况，本次规划对骨干渠道的防渗衬砌采用了多种工程技术措施。

干渠。

对原为矩形断面的渠道，形状不变，两侧采用重力式挡墙，底板及挡墙采用浆砌石砌筑，底板面层及挡墙面层采用砼防渗，防渗高度为设计水位加超高；对于原为梯形断面的渠段，断面形状不变，边坡采用浆砌石或砼预制板，底板采用浆砌石+防渗土工膜、现浇砼、干插石+砼贴面等多种形式。

支渠。

本次改造支渠断面全部为梯形断面，断面形式不变，边坡采用M7.5浆砌石厚0.3～0.5m，底板采用干插石灌浆厚0.3m加面层现浇C15砼0.1m厚，或现浇C15砼0.15m厚，其下铺设复合土工膜。

防渗渠道横向15m设一道伸缩缝，缝内填充聚乙烯闭孔泡沫板，迎水面5cm用沥青砂浆填实。

纵向沿坡角设两道伸缩缝，处理方向同横缝。

在矩形断面和梯形断面交接处，设10m长的渐变段相衔接，渐变段均采用浆砌石结构。

2.3.3渠道设计流量

本次汾河灌区续建配套与节水改造工程渠道防渗在现有土渠基础上衬砌，衬砌后的设计流量与衬砌前的设计流量相同。

2.3.4渠道水力计算

（1）渠道输水能力根据明渠均匀流流量公式计算：

（1）

式中：

Q——设计流量，m3/s；

V——平均流速，m/s；

A——过水断面面积，m2；

C——谢才系数；

（2）谢才系数应用曼宁糙率公式计算：

（2）

式中：

n——渠道曼宁糙率系数，根据渠道衬砌的表面材料和施工工艺，查阅《水力计算手册》中的曼宁糙率系数表选取；

R——水力半径，m；

i——设计渠底纵坡。

（3）渠道水力半径计算公式：

（3）

式中：

——过水断面湿周，m。

（4）渠道的平均流速按公式曼宁公式计算：

（4）

式中：

n——渠床糙率，本工程按混凝土渠道选用；

R——渠道的水力半径，m；

i——渠底比降。

（5）根据矩形断面形状，把公式

（2）、（3）、（4）代入公式

（1），整理得矩形断面水深的计算公式：

（6）

式中：

b——渠底宽度，m；

h——渠道水深,m；

（6）根据梯形断面形状，把公式

（2）、（3）、（4）代入公式

（1），整理得梯形断面水深的计算公式：

（7）

式中：

h——渠道水深,m；

m——梯形断面边坡系数；

b——渠底宽度，m；

采用试算法或迭代法求解公式（6）和（7）的渠道水深。

渠道衬砌超高值按照《灌溉与排水工程设计规范》取用0.3～0.8m。

若闸门在渠道中产生壅水，闸前衬砌高度为壅水水深加超高值。

2.3.5渠道冻胀计算

（1）设计冻深计算

采用《渠系工程抗冻胀设计规范》SL23-2006中的冻深计算公式，计算工程设计冻深。

（8）

（9）

（10）

式中：

Zd——设计冻深，m；

ψd——日照及遮阴程度影响系数；

ψw——地下水修正系数；

Zm——实测历年最大冻深（m），取0.77m；

ψi——典型断面某部位的日照及遮阴程度修正系数；

α——系数，取0.64；

β——系数，取0.63；

Zwo——当地或邻近气象台（站）的冻前地下水位深度，m；

Zwi——计算点的冻前地下水位深度，m；

根据公式（7）、（8）、（9），计算工程设计冻深为0.79m，本次设计取值为0.8m。

（2）冻胀量计算

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》SL23-2006计算冻胀量。

在图3.2.2-3细粒土质砂、含细粒土砂冻深与冻胀量的关系曲线图中，工程设计冻深Zd为80cm对应的冻胀量为0.5cm。

由此可判定，地基土的冻胀类别均为Ⅰ类。

规范中规定，梯形断面渠道混凝土的容许冻胀量为0.5～2.0cm。

由于设计冻胀量小于等于容许冻胀量，所以不需要采取防冻胀措施。

2.3.6渠道防渗节水效果分析

工程渠道防渗总长175.587km，平均过水流量按3～22.5m3/s计算，年输水时间取50天。

其防渗前后渗漏损失按《灌溉与排水工程设计规范》推荐的经验公式进行计算。

（11）

（12）

式中：

W——防渗前渠道损失水量，m3；

A——土壤透水系数，取1.3；

m——土壤透水指数，取0.35；

Q净——渠道净流量，m3/s，取3～22.5m3/s；

L——防渗段渠道长度，km，为175.587km；

t——渠道输水时间，s；

W防——防渗后渠道损失水量，m3；

β——渗水量减小系数，取0.163。

计算得渠道防渗前损失水量为3958万m3，防渗后损失水量为645万m3，渠道防渗后节水量为3313万m3。

泥沙淤积问题

2.4泥沙淤积与量测精度

通过全渠道控制系统在青铜峡示范区的泥沙监测试验，获得测控一体闸在不同环境温度、不同灌溉季节、不同水流含沙量及灌溉期结束后闸前闸后的泥沙淤积等情况下的监测数据，分析不同运行条件下的流量测量精度，及泥沙对测控一体闸运行和测量精度的影响，为全渠道控制系统的推广和应用提供可靠的数据和借鉴经验。

（1）闸门前后淤积监测

对测控一体闸闸前泥沙淤积情况统计后得知，闸前泥沙淤积厚度范围为3cm-12.5cm，淤积长度范围为1.8cm-6cm。

其中，闸前泥沙淤积最严重的闸门是FG4，其次是FG5。

另外，FG1、FG3、FG6和FG7的闸前都没有泥沙淤积。

11扇闸门闸前泥沙淤积总量为3104kg，其中，闸前泥沙淤积量最多的闸门是FG4，淤积量为1401kg，占总淤积量的38.66%；淤积最少的闸门是FGM，淤积量为59kg，占总淤积量的1.9%；闸后淤积长度范围为0.17m-1.38m，淤积最长的闸门是FG1，闸后泥沙淤积厚度范围为7cm-19cm，淤积最厚的闸门是FG1，FG7闸后无泥沙淤积。

11扇闸门闸后泥沙淤积总量为841kg，其中，闸后泥沙淤积量最多的闸门是FG1，淤积量为21.051kg，占闸后总淤积量的21.49%；淤积最少的闸门是FG3，淤积量为2.7kg，占闸后总淤积量的3.21%。

通过对比11扇测控一体闸闸前闸后泥沙淤积厚度和淤积长度，发现所有闸前泥沙淤积长度都比闸后长（除闸前无泥沙淤积的闸门外），但是闸后泥沙淤积厚度都比闸前厚，且闸后淤积量比闸前多。

分析每个闸门在每个灌季结束后的闸前闸后泥沙淤积情况，发现泥沙淤积具有以下五方面的规律：

①秋灌结束后测控一体闸泥沙淤积程度比冬灌结束后的严重；②闸前泥沙淤积长度大于闸后；③闸后泥沙淤积长度一般不超过闸门半径；④闸后泥沙淤积厚度大于闸前；

闸前有渠系交叉建筑物，如公路桥等，将会加重闸前泥沙淤泥程度。

造成以上泥沙淤积的原因可概括为以下四个方面：

秋灌处于多雨季节，引水含沙量高；闸前壅水；闸门的调度运行方式；渠系交叉建筑物对水流的阻力。

（2）不同季节的泥沙含量

项目执行期间对不同灌季的水样分析可知，引水引沙比出现明显的季节性变化。

由相关分析数据可知，冬灌水量占全年水量的13.71%，而引沙量只占全年的1.34%；夏灌水量占全年的66.52%，引沙量占64.28%；秋灌水量占19.77%，引沙量占34.34%；夏灌是农业用水高峰期，农作物需水量大，占了全年用水量的一半以上，是秋灌引水量的3.36倍；夏灌由于引水量大，其引沙量也相应增加，占全年的一半以上；秋灌的引水量是冬灌的1.4倍，但引沙量却是冬灌的25.6倍，是秋灌结束后闸门泥沙淤积量比冬灌结束后严重的原因。

所以在夏灌和秋灌引水时，应充分考虑引水含沙量的因素，加大引水流量进行调节控制，减少泥沙在闸门前后和渠道淤积。

（3）闸门壅水与泥沙输移

测控一体闸属于顶面溢流式闸门，水流在闸前受阻并从闸门顶面流过，抬高上游水位，渠道过水断面增大、流速减小，测控一体闸的上游出现壅水。

随着渠道断面的增大，渠道水流挟沙能力下降，泥沙逐渐落淤，造成上游壅水区淤积。

离闸越近，渠道过水断面越大，行近流速越低，水流挟沙能力越弱，泥沙淤积越严重。

由于渠道底坡比降较小，闸前壅水区较长，闸前泥沙淤积延伸较长。

测控一体闸是通过调节闸门开度来调节过闸流量。

在项目示范区，为了保证精确测量，上下游水位差一般在6-15cm左右。

据分析，在相同的流量下，闸门开度大，上下游水位差小，闸前上游壅水不明显，上游渠道水的挟沙能力几乎不受壅水影响，落於量少；但闸后水流与闸板的接触面积增大，水流摩阻力增大，闸板下面的水流流速减慢，水流紊动作用弱，泥沙容易下沉，造成闸后泥沙淤积。

（3）渠系交叉建筑物与泥沙输移

闸前有渠系交叉建筑物，比如公路桥等对闸门泥沙淤积有影响。

公路桥的过水断面为矩形，渠道的断面为U型，水流在两种断面衔接过程中，流速相应改变，在流速降低断面，水流挟沙能力降低，容易落於。

监测结果表明，闸前有公路桥的FG4和FG5闸前泥沙淤积程度比其它闸门严重。

因此在选择测控一体闸安装位置时，最好避开渠系交叉建筑物如公路桥。

（4）泥沙淤积影响水位监测精度

在水量监测过程中，出现了测控一体闸显示的水位值与渠道实际水位不一致的情况。

把过滤外壳从圆管中取出，发现过滤外壳的底部有泥沙淤积，过滤外壳底部的滤网被厚厚的淤泥包围，影响水位监测精度，严重时闸门需要半个小时水位监测值才发生变化。

因此，为保障测控一体闸的测量精度，应减少闸门周围的泥沙淤积。

在不同季节温度、泥沙含量、渠道壅水等运行条件下，实测测控一体闸的量测精度，通过相应的理论分析，初步得出如下结论：

①泥沙淤积对测控一体闸水量监测精度的影响很大。

由于淤泥会堵塞水位传感器，而测控一体闸水量是通过专有的精确流量方程式及水位传感器和数码闸门位置的数值计算获得的，当水位监测值不准确时，水量监测精度自然也就受到影响，可能导致测量精度只有80%或更低。

②根据灌溉期结束后对每扇闸门的闸前、闸后泥沙淤积情况的观测，发现以下泥沙淤积情况：

秋灌结束后测控一体闸泥沙淤积程度比冬灌结束后要严重的多；闸前泥沙淤积长度大于闸后；闸后泥沙淤积长度一般不超过闸门半径；闸后泥沙淤积厚度大于闸前；闸前有渠系交叉建筑物，如公路桥等，将会加重闸前泥沙淤泥程度。

③造成泥沙淤积的原因有：

秋灌引水含沙量高；闸前壅水；闸门的调度运行方式；渠系交叉建筑物对水流的影响；

④低温对测量精度的影响最大，会导致数据完全错误。

青铜峡灌区位于黄河流域，而黄河水则以高含沙量而著称。

试验结果表明，灌溉水中的泥沙容易造成传感器滤网的堵塞。

当水流通过滤网进入圆管时也会挟带泥沙，而圆管几乎是封闭状态，泥沙只能进而不能出，长此以往，日积月累，圆管底部淤积大量泥沙，影响水位监测精度。

由于测控一体闸的流量是通过专有的精确流量方程式及水位传感器和数码闸门位置的数据计算得出，当水位监测不准确时，流量的监测精度也将受到影响。

泥沙淤积问题可以通过工程措施加以解决。

在山西汾河灌区东干渠示范区（2010年全国农村水利现场会参观点之一），由于考虑到泥沙淤积的问题，在安装测控一体化闸门时，设计了两个冲沙闸，不仅解决了泥沙淤积的问题，而且还不影响测控一体化闸门的测量精度和运行操作。

因此，采取适当的工程措施能够很好地解决泥沙问题。

此外，国外的应用经验表明，一般在测控一体闸的两边或单边基本都设置有冲沙闸，长期运行结果显示，没有出现类似青铜峡灌区的泥沙淤积问题。

2.5冬季运行精度

我国北方地区冬季温度常常低于零度以下，而许多灌区都有冬灌的习惯，对全渠道控制系统在冬季运行出现的问题及解决方法进行了试验和论证。

在青铜峡示范区，发生过冬天结冰造成测控一体化闸门不能正常工作的情况。

根据澳方提供的使用说明书，测控一体闸的正常工作温度范围在-10℃到65℃之间。

而冬灌期间天气寒冷，最低温度经常会低于-10℃，超出测控一体闸的正常工作范围，影响测控一体闸电子元器件的性能，进而影响测控一体闸的测量精度。

工作人员在现场检测时，多次观察到闸门液晶显示屏上显示“电池温度传感器故障”的警告。

当低温超过-10℃，如果安装测控一体闸处的余水不能及时排出，造成水位传感器过滤外壳内的余水结冰，电子元器件不能正常工作，影响测控一体闸的正常测量，导致测量无效或精度低。

在汾河灌区东干渠示范点安装测控一体化闸门时，由于安装了冲沙闸，从结构上解决了淤积和积水的问题。

经过两个冬季的运行，并没有出现冬季传感器结冰而影响测量的问题。

针对传感器结冰的问题，澳大利亚Rubicon公司进行了设备改造。

公司将在寒冷地区的测控一体化闸门的水位传感器上安装加热器，冬季使用时启用加热器，彻底解决了寒冷天气传感器结冰的问题。