恒定非均勻流法計算水庫回水時應注意的幾個問題
——以落久水利樞紐工程為例

2016-08-04 22:27:52楊慶文

大科技 2016年15期

楊慶文

（廣西壯族自治區柳州水利電力勘測設計研究院廣西柳州 545005）

楊慶文

（廣西壯族自治區柳州水利電力勘測設計研究院廣西柳州 545005）

水利水電工程的建設會壅高河道水位，造成庫區淹沒。庫區回水計算是確定庫區淹沒范圍的主要依據，是庫區征地移民規劃的基礎性工作。恒定非均勻流是計算水庫回水的常用方法之一。結合同行經驗，本文以落久水利樞紐工程為例，歸納提出采用恒定非均勻流法計算水庫回水時應注意的幾個問題，以提高水庫回水計算的精度。

庫區淹沒；回水計算；恒定非均勻流；落久水利樞紐工程

根據水利計算規范，計算水利水電工程庫區回水的方法有：分段恒定流方法、非恒定流方法。在一般山區河道，恒定非均勻流法仍是常用的回水計算方法，廣泛應用于山區河道水庫工程庫區回水計算。推算出汛、枯期各種不利組合的回水水面線，以其外包線作為回水成果，作為確定庫區淹沒范圍的依據。

結合同行經驗，本文以落久水利樞紐工程為例，歸納提出采用恒定非均勻流法計算水庫回水應注意的幾個問題，以提高水庫回水計算的精度。

1 恒定非均勻流法的原理和公式

恒定非均勻流法計算回水，常采用分段試算法。①將庫區河段劃分成一定數量的河段，剖測出各斷面的水位～面積～水力半徑參數；②根據水庫調洪計算過程，確定各種不利情況下的壩前水位～流量組合，作為起推參數；將率定后的斷面糙率等參數輸入回水計算公式，向上游逐斷面推算回水水位。

（1）計算公式——伯努利方程：

由（1）、（2）、（3）式推得：

式中：Z1，Z2——下游、上游斷面的水位（m）；

α1，α2——下游、上游斷面的流速不均勻系數；

V1，V2——下游、上游斷面的流速（m/s）；

g——重力加速度（9.81m/s2）；

hf，hj——沿程、局部水頭損失（m）；

if、△l——上、下斷面間的水力坡度、河段長度（m）；

Q——計算河段的流量（m3/s）；

（2）試算過程

①根據已知的下游斷面水位Z1查水位～面積、水位～水力半徑、水位～糙率成果曲線，得到下游斷面A1、R1、n1，計算下游斷面K1、V1均。

②假定上游斷面Z2假定，查出A2、R2、n2，計算上游斷面K2、V2均。

④根據上、下游的流速V1均、V2均判斷局部水頭損失系數ξ的取值。

⑤將各參數帶入（4）式，計算上游斷面水位Z2推求。

⑥判斷：若 Z2假定-Z2推求<0.001m，則滿足精度要求，計算結束，上游斷面水位取Z2假定；若 Z2假定-Z2推求>0.001m，則不滿足精度要求，需轉入步驟②重新計算，采用二分法重新假定上游斷面水位，直至成果滿足精度要求。

2 應注意的幾個問題

采用試算法計算庫區回水水面線，應注意處理好幾個問題：

（1）河段合理劃分和斷面合理布設。

①河段劃分原則是使計算河段上下兩斷面水利因素的平均值基本能代表該河段情況。當有較大支流匯入時，需在匯入口設置斷面，劃分出支流匯入口上、下游河段，分別采用支流洪水匯入前、后流量作為河段流量。

②下游的河道斷面間距可遠些，使上下游斷面水位差在1m左右；隨著河道比降的增加，中上游河道斷面間距要適當縮小，確保下游斷面水位高過上游斷面河床高程一定高度，避免試算出錯。若出現錯誤，應增加斷面重新計算。

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③斷面布設時，應盡量選擇斷面形狀規則、河道順直的位置，確保上下游斷面的形狀、尺寸、岸坡形式無劇烈變化。如遇到河道狀變化劇烈、有較多彎道、急灘時，應加密斷面。

（2）合理考慮局部水頭損失。

一般情況下，河道順直、斷面變化不大時，可不考慮局部水頭損失。但山區河道經常會出現河道突然縮窄、突然擴大、急彎段、出現特大礁石或石梁等情況，會引起渦旋等復雜流態，產生較大的局部水流阻力。此時，局部水頭損失較大，需要考慮局部水頭損失。

（3）合理率定斷面糙率

斷面糙率在回水計算時十分敏感，是最重要的影響因素之一。確定糙率的方法有查天然河道糙率表、水文站糙率分析和實測洪水水面線率定等。實測洪水水面線率定法資料要求最多，能很好反映實際情況，反推的糙率精度高。應盡可能采用該方法率定糙率。

①進行詳細地歷史洪水調查，確定可靠洪痕點，測出歷史洪水水面線。條件允許的情況下，應盡可能調查多場次、不同量級的洪水水面線。

②自下游向上游逐斷面假定斷面糙率分布曲線，擬合各場次歷史洪水水面線，反復率定出合適的斷面糙率。

3 落久水利樞紐回水計算

廣西柳江防洪控制性工程——落久水利樞紐工程位于廣西柳州市融水苗族自治縣境內的柳江流域融江支流貝江下游，距下游融水縣城約13km，距下游柳州市約121km。落久水利樞紐工程是以防洪為主，兼顧灌溉、供水、發電、航運等效益的綜合利用工程。落久水庫正常蓄水位153.5m，水庫防洪高水位161.0m，汛期限制水位142m，總庫容3.46億m3，防洪庫容2.5億m3，興利調節庫容1.14億m3。樞紐主要由碾壓混凝土重力壩、發電引水系統、電站廠房、欖口副壩和灌溉、供水引水系統等組成。

（2）回水計算

①河段劃分

落久水利樞紐庫區有三條較大支流——香粉河、都郎河、新寨河，其中香粉河與都郎河都在四榮鄉匯入干流。因此，將庫區干流劃分為三個河段：壩址～四榮鄉河段、四榮鄉～新寨河河段、新寨河上游河段。

根據貝江干支流的河道情況，干流布設65個斷面，三條支流布設149個斷面，斷面間距在0.047～2.282km。水庫回水河段分段示意見圖1。

圖1 水庫回水河段分段示意圖

②局部水頭損失系數

根據經驗，河道收縮時（即V1>V2時），局部水頭損失很小，可忽略；當河道逐漸擴散（即V1

③糙率率定

由于貝江兩岸居民點較高，僅調查到“1996年7.16”特大洪水水面線。結合柳州水文站1996年“7.16”洪水水面線調查和我院2009年、2013年補充調查，共調查15個可靠洪痕點，作為貝江96年洪水水面線。

采用1996年洪水水面線對各斷面糙率進行率定：①以勾灘水文站（一）站斷面為起推斷面，確定起推水位（128.93m）和洪峰流量（6280m3/s），假定壩址斷面糙率。②從下游往上游逐個假定各個斷面的糙率，帶入水面線計算程序中試算，算出各斷面的擬合水位。③若擬合水位與1996年水面線水位相差大于設定的精度（本次設為0.3m），重新假定糙率，再次試算，直至擬合水位與1996年水面線水位相差小于設定精度，假定糙率即為所求斷面糙率，成果見表1、圖2。

（3）回水成果合理性分析

在對以上注意問題進行詳細分析基礎上，計算出落久水庫回水成果。經對比分析，回水成果具有以下特點：①庫區回水高于天然水面線，水面比降較平緩。②同一壩前水位，小流量水面線低于大流量水面線；流量越大，坡降越陡，回水末端越近；流量越小則反之。③同一流量，壩前水位低的水面線低于壩前水位高的水面線；壩前水位越高，坡降越緩，回水末端越遠。④同一斷面，較高壩前水位的兩個設計流量的水位差，小于較低壩前水位的水位差；兩個斷面在同一流量的兩個不同壩前水位時，上游斷面的水位差小于下游斷面的水位差。⑤同一壩前水位和流量，回水水面線離壩址越近越平緩，并以壩前水位水平線和同一流量天然水面線相交線為漸近線。