馬圈溝河天然河道水面線推求方法探討

(鳳城市水利勘測設(shè)計院，遼寧 鳳城 118100)

馬圈溝河天然河道水面線推求方法探討

趙俊卿

(鳳城市水利勘測設(shè)計院，遼寧 鳳城 118100)

河道水面線是河道整治設(shè)計的重要依據(jù)，直接關(guān)系到工程的型式、規(guī)模及安全運行。本文結(jié)合工程實際，運用一維能量守恒公式來探討水面線推求的方法，以期為工程實際提供參考。

天然河道；水面線推求；能量守恒公式

馬圈溝河河道治理工程位于遼寧省鳳城市西南部沙里寨鎮(zhèn)詩雅甸村馬圈溝河下游，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年平均風(fēng)速2.2m/s，年均溫度8.2℃，年均降水量860～1230mm，年均無霜期160d。馬圈溝河是亮子河上的二級支流(圖1)，屬山區(qū)性小河流，工程所在位置上游集雨面積2.05km2，河道全長2.22km，平均比降88.31‰。由于工程所在位置附近沒有水文站，因此設(shè)計洪峰流量的計算采用《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計暴雨洪水計算方法》，得出十年一遇的洪峰流量Q10%=56.67m3/s，五年一遇洪峰流量Q20%=42.20m3/s。

圖1 馬圈溝河位置示意圖

在河道整治過程中，修建整治建筑物、橋梁及清淤、疏浚等都會對河道水面線產(chǎn)生影響。河道水面線是河道整治設(shè)計的重要依據(jù)，直接關(guān)系到工程的型式、規(guī)模及安全運行。天然河道水面曲線的計算是根據(jù)河道地形地貌、河道現(xiàn)狀橫(縱)斷面資料和河道糙率，推求河段在某一流量下各橫斷面處的水位值，根據(jù)水位值連出一條對應(yīng)于該流量下的水面曲線[1]。進(jìn)行河道水面線計算的方法很多，如逐段試算法、圖解法以及簡易計算法等。宋君[2]運用Mike11軟件推求葦套河重點治理河段的水面線，確定工程規(guī)模，實現(xiàn)了防洪減災(zāi)和生態(tài)保護(hù)的目標(biāo)。宿繼成等[3]對F·F艾斯考福圖解法進(jìn)行改進(jìn)，節(jié)省了計算工作量，提高了工作效率。胡永超[4]結(jié)合渭河干流中游段水面線計算的實際經(jīng)驗，提出采用二分法和弦張切法兩種迭代方法相配合來解決簡單的二分迭代計算時不收斂的問題。吳樹煌[5]、陳彪等[6]分別對天然河道水面線中常見的問題進(jìn)行研究并提出了解決方法。在研究時，軟件的計算范圍及應(yīng)用范圍廣，但需要的水文資料較苛刻且對中小河流的治理工程來講成本較高。因此在實際應(yīng)用中，中小河流水面線的推求多采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行逐段試算。本文采用一維能量守恒方程，對馬圈溝河的水面線采用不同的計算條件進(jìn)行推求，并分析計算結(jié)果，提出在中小河流中進(jìn)行水面線推求可進(jìn)行適當(dāng)簡化。

1 數(shù)學(xué)模型的建立與驗證

研究采用水流一維能量守恒方程，方程具體形式[7-8]如下

(1)

(2)

(3)

式中z——上游斷面和下游斷面的水面高程或水位，m；

v——斷面平均流速,m/s；

α——動能修正系數(shù)；

hf、hj——此河段水流的沿程水頭損失和局部水頭損失,m；

L——所取河段的長度,m；

R——水力半徑,m；

n——糙率；

ξ——系數(shù)，河槽急劇擴(kuò)大，ξ=-1.0～-0.5；河槽逐漸擴(kuò)大，ξ=-0.333～-0.1。

假設(shè)河道水流為緩流，河道的控制斷面設(shè)在下游，從下游往上游推算。研究采用的地形資料為實測的斷面數(shù)據(jù)，設(shè)計河段全長382m，共7個斷面，起始斷面0+000位于河道下游，斷面間距最小為56m，最大為72m，設(shè)計河道比降10.9‰。此次河道整治采用蜂巢格網(wǎng)基礎(chǔ)、蜂巢格網(wǎng)干砌石護(hù)坡，設(shè)計坡比1∶1.5，設(shè)計過流斷面為梯形。河道整治后，河道最寬處35m，最窄處27m，且從上游向下游逐漸擴(kuò)大，取ζ=-0.2。馬圈溝河屬山區(qū)性小河流，動能修正系數(shù)α=1.5；根據(jù)附近已有工程率定，糙率n=0.033。 起始水位采用明渠均勻流公式計算，十年一遇洪峰流量Q10%=56.67m3/s時，起推水位為0.88m；五年一遇洪峰流量Q20%=42.20m3/s時，起推水位為0.75m。計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 Q10%、Q20%流量下水面線推求結(jié)果比較

從上圖可以看出，用Q10%和Q20%推出的水面線均比較平滑，沒有明顯的轉(zhuǎn)折或跳躍現(xiàn)象，兩條水面線比較協(xié)調(diào)，且不同標(biāo)準(zhǔn)的水面線沒有交叉[9]，計算結(jié)果合理。

2 水面線的推算

由于整治后的河道基本順直，從上游向下游逐漸擴(kuò)大，整治河段平均比降10.9‰，且沒有其他河流的匯入或流出，因此整治河段的局部水頭損失和速度水頭的變化都很小，符合一維能量守恒方程的使用條件。研究采用一維能量守恒方程，在不同的計算條件下推算馬圈溝河十年一遇洪峰流量Q10%=56.67m3/s的水面線，定量分析三種計算條件的結(jié)果。

2.1 計算條件

?按一維能量守恒方程計算設(shè)計河段的水面線；?不計局部水頭損失，計算設(shè)計河段的水面線；?不計速度水頭損失，計算設(shè)計河段的水面線。

2.2 計算結(jié)果

三種計算條件下的計算結(jié)果如圖3和下頁表所示。

從圖3可以看出，以下游斷面作為控制斷面逐段向上游推天然河道的水面線，水面線平滑，沒有明顯的轉(zhuǎn)折或跳躍現(xiàn)象，從下游向上游由88.72m逐漸升高到92.8m左右，平均水面坡降10.7‰，與設(shè)計河底比降基本相等。并且前兩種計算條件下的計算結(jié)果基本一致，且兩者的水面線推算結(jié)果在0+255斷面前與第三種計算條件下的水面線推算結(jié)果基本一致，在0+311斷面前兩者的計算結(jié)果略低于第三種計算條件下的推算結(jié)果，在0+382斷面略高于第三種計算條件下的推算結(jié)果。

圖3 三種計算條件下水面線推算結(jié)果

從下表可以看出，三種計算條件下，河道各計算河段水流的弗汝德數(shù)均為Fr<1，符合計算河段水流為緩流的假設(shè)。計算條件?、條件?計算結(jié)果基本一致，計算條件?的計算結(jié)果與條件?、條件?略有偏差，但計算結(jié)果偏差不大于6%，水位差在0.1m范圍內(nèi)，可以忽略不計，認(rèn)為水面線推算結(jié)果一致。

三種計算下水面線推算結(jié)果表 單位： m

2.3 計算結(jié)果分析

a. 各河段的過水?dāng)嗝鏋樘菪危已爻叹徛兇螅ζ露扰c河底坡度基本相等，符合明渠均勻流的的條件。

b. 各河段水流的弗汝德數(shù)均為Fr<1，各河段水流為緩流。

c. 三種計算條件下，推算水面線平滑，沒有明顯的轉(zhuǎn)折或跳躍現(xiàn)象且沿程緩慢上升，符合實際情況。

d. 三種計算條件下，計算結(jié)果偏差小于6%，水位差小于0.1m，在可以接受的誤差范圍內(nèi)，認(rèn)為水面推算結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

本文針對馬圈溝河的實際情況，運用水流一維能量守恒方程推算整治河段水面線，得出主要結(jié)論如下：

a. 三種計算條件下得到的水面線均較平滑，沒有明顯的轉(zhuǎn)折或跳躍現(xiàn)象且沿程緩慢上升，與實際情況相符，推算結(jié)果合理。

b. 在條件?、條件?計算條件下得到的水面線基本一致，在計算條件?下計算的水面線與前兩者略有差別，但在可以接受的誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為三者的計算結(jié)果一致。

c. 當(dāng)斷面變化不大、各斷面水流流態(tài)為緩流且流速不大的情況下，在計算水面線時可以忽略速度水頭的影響。

d. 在進(jìn)行山區(qū)性小河流的水面線計算時，因為精度要求不高，可以不考慮速度水頭，運用一維能量守恒公式快速求得水面線。

[1] 馬濤. 水面線推求在中小河流治理中的應(yīng)用[D]. 保定: 河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2013，1.

[2] 宋君. 葦套河重點河段治理規(guī)劃中的水面線推求[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2015.

[3] 宿繼成,曲少萍,胡湘,等. 天然河道水面線計算方法的改進(jìn)[J]. 黑龍江水專學(xué)報, 2006, 33(3): 167-170.

[4] 胡永超. 淺析天然河道水面線計算中的幾個問題[J]. 陜西水利水電技術(shù), 2000(1): 17-18,35.

[5] 吳樹煌,華智敏,王文彬. 工程設(shè)計中天然河道水面線計算[J]. 內(nèi)蒙古水利, 2008(3): 13-15.

[6] 陳彪, 陳長柏. 起推水位對河道水面線的影響分析[J]. 治淮，2009(1): 21-22.

[7] 李煒. 水力計算手冊[M]. 2版. 北京： 中國水利水電出版社，2006.

[8] 郭維東,裴國霞,韓會玲. 水力學(xué)[M]. 中國水利水電出版社, 2005.

[9] 陳曉歌. 天然河道水面線計算及合理性分析[J]. 水利水電工程, 2014, 20(4): 15-16.

DiscussiononnaturalchannelflowprofilecalculationmethodofMajuangouRiver

ZHAO Junqing

(FengchengWaterConservancySurveyandDesignInstitute,Fengcheng118100,China)

Channel flow profile is an important basis for design of river channel improvement, which is directly related to engineering type, scale and safe operation. In the paper, engineering practice is combined. One-dimensional energy conservation formula is used for discussing the flow profile calculation method, thereby providing reference for engineering practice.

natural channel; flow profile calculation; energy conservation formula

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.011.008

TV861

B

1005-4774(2017)011-0037-03