第四章　渡槽水头优化分配及水工模型试验

第一节　水头优化分配

沙河渡槽工程线路长，槽型有U形梁式渡槽、矩形箱基渡槽、矩形落地槽，输水槽孔有4槽、2槽、单槽，沿线划分沙河梁式渡槽、沙河—大浪河箱基渡槽、大浪河梁式渡槽、大浪河—鲁山坡箱基渡槽、鲁山坡落地槽五个工程段，不同分段与槽型的水头分配对工程投资影响较大。在总水头一定的条件下，为使工程总体投资最小，需进行水头优化分配，选择经济合理的各分段纵比降与输水断面。影响水头优化的因素主要包括断面形式、各分段长度以及工程投资，约束条件是总水头、起末点控制水位、水面线衔接要求等。

一、优化模型

1.优化目标

在总水头一定的条件下，工程总投资最小。

2.优化约束条件

（1）总水头、起末点水位、水面线衔接满足总体规划要求。根据南水北调中线对沙河南—黄河南全线的水头分配结果，沙河渡槽分配1.77m。沙河渡槽控制点特征水位见表4-1。

（2）渡槽沿线底坡要求：为便于渡槽检修放空，除进口渐变段为反坡外，其余各段间以正坡连接。

（3）各段过水断面形状、输水槽数以梁式渡槽、箱基渡槽、落地槽工程选型为基础，U形渡槽段采用4槽，箱基渡槽段采用2槽，落地槽段采用单槽。控制不同槽型间渡槽过水净宽基本协调，槽内流速变化控制在10%以内，以减小槽型变化时局部水头损失。

（4）U形渡槽段建槽技术最为复杂，根据目前U形渡槽的施工技术、南水北调工程对质量的控制要求以及梁式渡槽选型情况，U形渡槽直径不宜大于9m。

二、水力设计

渡槽水力设计采用能量方程法。

（1）渡槽水力设计的基本公式为

渡槽的水头损失包括：①沿程损失；②进口墩、墙侧收缩引起的水头损失；③闸槽引起的水头损失；④进、出口渐变段引起的水头损失；⑤弯道附加水头损失（沙河—大浪河箱基渡槽段中包括420m的弯道段，大浪河出口箱基渡槽段中包括320m的弯道段，鲁山坡落地槽包括499m的弯道段）。

（2）各种水头损失的计算。

1）沿程损失。

a.槽身段：由于各段槽身段都较长，其设计流量下槽身段按明渠均匀流计算水面降落ΔZ为

3）闸槽引起的局部水头损失ΔZ3为

三、水头优化方案

U形梁式渡槽水头变化对结构设计、施工方案、投资影响大；箱基渡槽段长度占渡槽总长度约60%，水头变化对工程总投资敏感性高；鲁山坡落地槽水头变化对基础处理、山体开挖影响很大。因此根据优化目标、约束条件等，在定性分析的基础上，选择了4种不同槽宽、比降方案进行比选，U形槽直径6.4～9m。各方案设计要素见表4-2，主体工程量及投资估算见表4-3。

对每段渡槽而言，比降越陡，断面越小，投资相应小。但对于整座渡槽，由于箱基渡槽比较长，其比降的变化对工程投资影响较大，从整座建筑物工程投资比较看，方案3较省，比其他3个方案少3000万～3500万元，因此，推荐采用方案3，即：沙河梁式渡槽槽底比降1/4600，沙河—大浪河箱基渡槽槽底比降1/5900，大浪河梁式渡槽槽底比降1/5400，大浪河—鲁山坡箱基渡槽槽底比降1/6100，鲁山坡落地槽槽底比降1/7600。沙河渡槽水头分配见表4-4　。