张一鸿

（宝鸡市冯家山水库管理局　陕西　宝鸡　721300）



明渠断面改造后测流问题探讨

张一鸿

（宝鸡市冯家山水库管理局陕西宝鸡721300）

摘要本文通过对更新改造后新的干渠断面测流问题的探讨，解决了“弧底梯形”断面水尺的标注问题、测速垂线的定线及布设问题、测速垂线间部分面积的计算以及测线上测点数目的灵活确定等问题，并由此推广解决了小断面渠道“变态U型”断面的测流问题。对于灌区准确测水量水、优化渠系供水调度具有基础性作用。

关键词断面更新改造；测流问题探讨

1　干渠断面更新改造的背景

冯家山水库灌区有总干渠、北干渠、南干渠、西干渠四条干渠，总长度119.827km。总干渠于1971年动工，1972年底衬砌完成竣工；北干渠于1972年～1974年完成上段施工任务，1973年～1975年完成下段施工任务。南干渠于1971年动工，1972年底衬砌完成竣工；西干渠于1972年10月开工，1974年12月竣工。在原灌区工程建设时期，为减少渗漏损失，提高渠道水有效利用系数，渠道的设计、施工均为混凝土衬砌的梯形断面；干渠测流工作均依据梯形断面布设测速垂线施测。四条干渠渠首设计流量分别为：总干渠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较长，从渠首到末端的设计流量和断面尺寸逐段减小，北干渠设计流量分段为22m3/s、19m3/s、13m3/s、8.15m3/s和5m3/s；南干渠设计流量分段为8m3/s、5.5m3/s、5m3/s、4m3/s和3m3/s。

1993年，陕西省政府提出关中灌区改造计划，并确定为省“九五”水利建设重点项目。1995年以后，北干渠和南干渠逐步分段实施更新改造，局部区段采用了“弧底梯形”断面。北干渠42+364～43+534段长度1.17km为“弧底梯形”断面。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段合计长度9.048km为“弧底梯形”断面。不过，以上这些改造区段绕过了原有的梯形测流断面，对渠道测流工作没有影响。

近年来，随着灌区项目建设力度的增加，渠道更新改造速度加快，已经有更多区段实施了新改造。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段合计长度4.042km改造为底宽2.5m的“弧底梯形”断面；26+091～27+494段，27+563～29+877段，30+064～30+454段和30+611～31+415段合计长度4.911km改造为底宽2.0m的“弧底梯形”断面。在北干渠涉及梯形测流断面改造的有“底寺”测流点和“八支”测流点，这两个测流点断面是梯形改“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段合计长度6.398km改造为弧半径3m的“变态U形”断面；20+135～22+459段长度2.324km改造为弧半径2.4m的“变态U形”断面；23+969～24+003段和26+615～27+825段合计长度1.244km改造为弧半径2.0m的“变态U形”断面。在南干渠涉及梯形测流断面改造的有“南三支”测流点和“强家沟”测流点，这两个测流点断面是梯形改“变态U形”。

2　干渠断面测流问题探讨

图1　水深等于1.425m时部分面积计算图

由于渠道更新改造，渠道断面的变化影响到测流断面形状的改变，必然导致基本测线位置的重新确定和布设，相应的基本测线距会发生改变，测线间部分面积的计算会有所不同。现在，以北干渠“底寺”测流点为例来进行讨论。

底寺测流断面位于北干渠18+450处，原断面为梯形，设计流量22m3/s,加大流量26m3/s，渠底宽3.41m,衬砌高3.06 m，左岸内坡比1∶1.269,右岸内坡比1∶1.256，基本测线距0.853m，基本测线数5条。2015年春季，因渠道更新改造，该测流断面在原桩号处由梯形变为“弧底梯形”，设计流量22m3/s,加大流量26m3/s，渠底中间水平段宽2.5m，渠底两边圆弧段水平投影宽各为0.89m，衬砌高3.36 m，设计水深2.63 m，加大水深2.86 m，左右岸内坡比均为1∶1.25。

2.1水尺的标注

图2　水深大于1.425m时部分面积计算图

“底寺”测流点原梯形断面水尺的标注是从渠底坡脚起算，起始值为0m，按实测内坡比计算出垂直高度后，将水尺和数值标注在斜坡上。现改为“弧底梯形”断面的水尺，宜从渠底弧段的外沿切点起算，起始值为0.31m（依据现断面设计值确定），然后根据实测内坡比计算出垂直高度，将水尺和数值标注在斜坡上。（图1所示）

图3　均匀布设测线“死水位”面积计算分摊图

表1　渠道流量测验记载计算

表2　渠道流量测验记载计算

2.2测速垂线的确定及布设

根据水文测验规范：水面宽1.5m～5m时，可确定3～5条测线；水面宽5 m～15m时，可确定5～9条测线。“底寺”测流点“弧底梯形”断面设计流量下水位的水面宽10.05m（依据现断面设计值确定），加大流量下水位的水面宽10.06m（依据现断面设计值确定），故该测流点基本测线数可确定为5条。

2.2.1方案一

各测速垂线的位置分别是：第一条测线在左侧圆弧段外沿切点上，第二条在左侧圆弧段内沿切点上，第三条在渠道断面中线上，第四条在右侧圆弧段内沿切点上，第五条在右侧圆弧段外沿切点上。若需增加测线，则可向两边坡延伸增加。这样布设5条基本测线，测线距分别为0.89m、1.25m、1.25m和0.89m，有利于精确计算测线间部分面积。当水深等于1.425m时，垂线间部分面积的计算：A1和A6为三角形面积，A2和A5为三角形与扇形面积之和，A3和A4为矩形面积。（如图1所示）

当水深大于1.425m时，垂线间部分面积的计算：A1和A6为三角形面积，A2和A5为梯形与扇形面积之和，A3和A4为矩形面积。（如图2所示）

2.2.2方案二

各测速垂线的位置分别是：第一条测线在左侧圆弧段外沿切点上，第五条在右侧圆弧段外沿切点上，两测线间水平投影总长4.28m,第二、三、四条测线均匀布设，平均测线距离为1.07m；若需增加测线，同样向两边坡延伸增加即可。这样布设5条基本测线，测线距均匀，可把0.31m以下水深面积看做“死水位”面积，固定分摊到各测线间部分面积即可。（如图3所示）S1、S2、S3、S4的面积，分别固定分摊到“测线1”和“测线2”、“测线2”和“测线3”、“测线3”和“测线4”以及“测线4”和“测线5”之间的部分面积即可。把0.31m以上水深面积视为梯形断面，与原流量施测同样对待，而且记录计算表式只增加固定分摊的“死水位”面积，其余项不变。

“死水位”面积的计算：

“方案二”记录计算表式如下：

2.3测点数目的确定

根据水文测验规范，“底寺”测流点水深在0.4m～1.0m，采用一点法或两点法；水深在1.0 m以上，可用三点法或五点法。

3　结论和推论

通过对北干渠“底寺”测流点测线布设“方案一”和“方案二”的比较，可用看出“方案二”具有测线距均匀、各测线间部分面积计算方便、与原流量施测步骤和方法相同、记录计算表式一致等优点，是理想的测速垂线布设方案。至此，容易得出推论：“方案二”也适用于冯家山灌区南干渠“变态U形”断面流量的施测。

下面，以南干渠强家沟测流断面为例推论：

3.1“变态U形”断面尺寸和水尺标注

强家沟测流断面位于南干渠桩号27+450处，弧底半径2.0m，弧底水平投影宽为2.828m,衬砌高1.75 m,设计流量4.02m3/s,加大流量5.04m3/s，设计水深1.38 m，加大水深1.54m，衬砌开口宽度5.156m，左右岸内坡比均为1∶1。该“变态U形”断面的水尺，宜从渠底弧段与边坡的切点起算，起始值为0.59m（依据现断面设计值确定），然后根据实测内坡比计算出垂直高度，将水尺和数值标注在斜坡上（如图4所示）。

3.2基本测线方案和计算

强家沟测流断面布设基本测线数3条，第一条在左侧圆弧段切点上，第二条在渠道断面中线上，第三条在右侧圆弧段切点上。当水深大于1.5 m时，在两边渠坡各加一条测线（如图4所示）。

这样布设3条基本测线，在必要时两边渠坡可各加一条测线。在整个过水断面中，可以把0.59m以下水深面积看做“死水位”面积（如图4中S1、S2的面积），固定分摊到“测线1”和“测线2”以及“测线2”和“测线3”之间的部分面积即可。把0.59m以上水深面积视为梯形断面，与原流量施测同样对待，且记录计算表式只增加固定分摊的“死水位”面积，其余项不变。

“死水位”面积的计算：

S1=S2=（3.14×2×2/4.2×2/2）/2=0.57（m2）

南干渠“变态U形”断面流量施测记录计算表式如表2所示。

4　结语

渠道工程更新改造后，使得测流断面形状发生改变，必然导致基本测线位置等测流要素的变化。在此情况下，合理确定和布设测速垂线（主要因素）、测量相应的基本测线距、设定测线间部分面积的计算方法以及灵活确定测线上测点的数目等，对于改善断面测流技术、提高断面测水量水准确率意义重大。本文的“结论和推论”回答了“弧底梯形”断面和“变态U型”断面测速垂线的定线及布设问题、测速垂线间部分面积的计算问题、测线上测点数目的灵活确定等，对于灌区准确测水量水、优化渠系供水调度具有十分重要的作用。陕西水利

参考文献：

[1]宝鸡市冯家山水库管理局编，《冯家山水库志》.西安:陕西人民出版社,2004 ISBN 7.224.06981.7

[2]水利部水文司主编，《水文普通测量规范》（SL58.93）.北京：水利电力出版社，1993

（责任编辑：唐红云）

中图分类号：P332

文献标识码：A