溢洪道泄量動(dòng)態(tài)函數(shù)庫(kù)在岸堤水庫(kù)的應(yīng)用

袁德泉，夏茂林，李文華

（臨沂市岸堤水庫(kù)管理處，山東 臨沂 276217）

岸堤水庫(kù)位于泰沂山南區(qū)、蒙山北麓，控制流域面積1 690 km2。根據(jù)初步設(shè)計(jì)，岸堤水庫(kù)溢洪閘為寬頂堰，單孔凈寬13 m，共10孔，堰頂高程（閘底板）164.50 m；溢流壩5孔，單孔凈寬10 m，堰頂高程177.45 m，閘前明渠長(zhǎng)690 m。溢洪道的泄量，水面線(xiàn)推求成為泄量計(jì)算的難點(diǎn)。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，岸堤水庫(kù)溢洪道推求水面線(xiàn)時(shí)，僅按照斷面形狀擬定了4個(gè)斷面，分別為0+76.5、0+237、0+651和0+690，并設(shè)閘前斷面0+76.5的總水頭H0為閘前水頭。

1 泄量計(jì)算和水面線(xiàn)推求

閘前具有引水明渠的溢洪道泄量計(jì)算，較為實(shí)用可行的方法依然是試算法。最為便捷的算法是通過(guò)假定閘前水頭H0，依據(jù)閘門(mén)的堰流或孔口出流公式，在特定閘門(mén)開(kāi)啟信息的制約下計(jì)算泄量值，再依據(jù)該泄量數(shù)據(jù)推求對(duì)應(yīng)水面線(xiàn)，獲取庫(kù)水位值；按照已知庫(kù)水位和推求庫(kù)水位的差值，采用逐步逼近法，通過(guò)逐步調(diào)整閘前水頭H0賦值，最終獲取特定庫(kù)水位和閘門(mén)開(kāi)啟信息下的流量真值。通過(guò)這種遞歸循環(huán)運(yùn)算，可快速逼近對(duì)應(yīng)的泄量真值。

構(gòu)建計(jì)算機(jī)溢洪道泄量動(dòng)態(tài)函數(shù)庫(kù)時(shí)，泄量計(jì)算過(guò)程和水面線(xiàn)推求過(guò)程，與岸堤水庫(kù)溢洪道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)行的是分體設(shè)計(jì)，這有利于動(dòng)態(tài)函數(shù)庫(kù)在其他水庫(kù)上的推廣應(yīng)用和普及。

1.1 閘門(mén)泄量計(jì)算

式中：B為溢洪道凈寬，m；H為堰頂水頭，m；m為垂直收縮綜合系數(shù)；n為閘門(mén)開(kāi)啟孔數(shù)；ξk為邊墩形狀系數(shù)；ξ0為中墩形狀系數(shù)。

其中：流量系數(shù)與閘墩結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

岸堤水庫(kù)溢洪道流量系數(shù)：

孔流堰流的臨界點(diǎn)判斷，沒(méi)有采用傳統(tǒng)的e/H0值作為判定標(biāo)準(zhǔn)，而是按照絕對(duì)條件予以判定。即對(duì)于特定庫(kù)水位和閘門(mén)開(kāi)啟信息，堰流泄量等于孔流泄量時(shí)的堰上水頭H0值才是絕對(duì)臨界點(diǎn)。這樣雖然增加了計(jì)算量，但理論上更合理。

1.2 渠明水面線(xiàn)的推求

明渠水面線(xiàn)的推求，是依據(jù)明渠的斷面形狀和長(zhǎng)度，逐段推求水面線(xiàn)參數(shù)。溢洪道閘前明渠水面線(xiàn)需逐個(gè)斷面依次推求。計(jì)算公式采用《水文調(diào)查規(guī)范》（SL196-97）附錄C天然河道水面曲線(xiàn)計(jì)算公式：

式中：Zu、ZL為上下游斷面水位，m；VU、VL為上下游斷面平均流速，m/s；KU、KL為上下游斷面流量模數(shù)，m3/s；α為斷面擴(kuò)散系數(shù)；L為上下游間距，m。

第二斷面列方程：H0＝H＋V2/2g

聯(lián)立以上兩個(gè)非線(xiàn)性方程求解，即可完成水面線(xiàn)推求。求解過(guò)程采用試算法完成。

2 參數(shù)選定和試算過(guò)程

2.1 泄量動(dòng)態(tài)函數(shù)庫(kù)的參數(shù)選定

岸堤水庫(kù)溢洪道明渠段斷面形狀采用初步設(shè)計(jì)的梯形斷面，邊坡為1∶1.5，糙率取0.055；溢洪閘按寬頂堰計(jì)算，流量系數(shù)取0.43，中墩系數(shù)取0.45，邊墩系數(shù)取0.70，溢流壩流量系數(shù)取0.42，其他同溢洪閘參數(shù)。

實(shí)際進(jìn)行泄量計(jì)算和水面線(xiàn)推求時(shí)，在小流量狀態(tài)時(shí)，因沿程損失較小，直接采用了內(nèi)插算法，設(shè)庫(kù)水位為堰上水頭H0，計(jì)算泄量和推求庫(kù)水位數(shù)據(jù)，最后依據(jù)庫(kù)水位的實(shí)際數(shù)據(jù)和推求數(shù)據(jù)，內(nèi)插計(jì)算相應(yīng)泄量和水面線(xiàn)，這樣可以在不影響計(jì)算精度的前提下簡(jiǎn)化計(jì)算，提高運(yùn)算速度。

2.2 溢洪道泄量試算流程

1）已知庫(kù)水位h和閘門(mén)啟閉信息逆水流推求泄量 Q；2）擬定閘前水頭 H0；3）依據(jù)閘前水頭H0利用堰流或孔流公式計(jì)算閘門(mén)泄量Q；4）依據(jù)閘前水頭H0和閘門(mén)泄量Q逐段推求斷面參數(shù)（H0、H、A、K等）；5）最末斷面總水頭H0即為庫(kù)水位的推求值；6）依據(jù)庫(kù)水位推求值和已知數(shù)據(jù)偏差調(diào)整擬定閘前水頭H0的值循環(huán)試算，逼近真值。

3 成果分析和結(jié)論

岸堤水庫(kù)溢洪道水面線(xiàn)推求成果表見(jiàn)表1。

表1 岸堤水庫(kù)溢洪道水面線(xiàn)推求成果表（部分成果展示）

表1中列出了幾個(gè)特定參數(shù)時(shí)，岸堤水庫(kù)溢洪道泄量計(jì)算動(dòng)態(tài)圖函數(shù)庫(kù)的水面線(xiàn)計(jì)算成果，現(xiàn)將這些計(jì)算結(jié)果與岸堤水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)成果比對(duì)如下：

岸堤水庫(kù)除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)批復(fù)，100年一遇洪水位是177.51 m，對(duì)應(yīng)閘門(mén)全開(kāi)泄量為8 938 m3/s（溢流壩頂高程為177.45 m，不包括溢流壩自流泄量）；對(duì)應(yīng)條件下的動(dòng)態(tài)函數(shù)庫(kù)泄量計(jì)算數(shù)據(jù)為9 035.15 m3/s（包括溢流壩自流泄量）。函數(shù)庫(kù)輸出數(shù)據(jù)與初步設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)基本吻合。

岸堤水庫(kù)除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)批復(fù)，10 000年一遇洪水位是180.33 m，對(duì)應(yīng)閘門(mén)全開(kāi)泄量為12 161 m3/s（不包括溢流壩自流泄量）；對(duì)應(yīng)條件下的動(dòng)態(tài)函數(shù)庫(kù)泄量計(jì)算數(shù)據(jù)為12 291.53 m3/s（包括溢流壩自流泄量），其中溢流壩自由出流441.54 m3/s，溢洪閘泄量為11 849.99 m3/s。函數(shù)庫(kù)輸出數(shù)據(jù)與初步設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比較，誤差為2.5%，這與溢洪道斷面設(shè)置和閘前水頭斷面設(shè)置，以及其他參數(shù)的選定有密切關(guān)系。

通過(guò)對(duì)這些計(jì)算結(jié)果與初步設(shè)計(jì)比對(duì)，得出結(jié)論：岸堤水庫(kù)溢洪道泄量函數(shù)庫(kù)與岸堤水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)成果基本吻合，動(dòng)態(tài)庫(kù)輸出數(shù)據(jù)，完全可以滿(mǎn)足水庫(kù)防汛、日常管理和智慧水利、信息化等方面的工作要求。