河道水面線程序計(jì)算探析

胡建虎

(吉林省白城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，吉林 白城 137000)

河道水面線程序計(jì)算探析

胡建虎

(吉林省白城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，吉林 白城 137000)

由于生產(chǎn)建設(shè)的要求，常需在河道上修建大壩等水工建筑物、丁壩等河工建筑物以及對(duì)河道進(jìn)行裁彎、挖槽、汊道整修等整治工程，另外還有修建碼頭、橋梁等工程項(xiàng)目，為了保證工程及河道的安全運(yùn)行，在水利工程設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行水面線計(jì)算。文章以群昌水庫(kù)下游為實(shí)例，對(duì)下游河道進(jìn)行水面線計(jì)算，旨在為該河流流域治理等工程提供可靠的資料和依據(jù)。

計(jì)算目的；計(jì)算方法；基本資料；主要步驟；水面線計(jì)算

1 水面線計(jì)算目的

河道中河流水深沿程變化的曲線稱(chēng)為水面線。河道水面線的計(jì)算就是從某控制斷面的已知水位開(kāi)始，根據(jù)有關(guān)水文和地形等資料，運(yùn)用水面線基本方程式，逐河段推算其他斷面水位的一種水力計(jì)算。在推算河道水面線時(shí)，因一般河道為緩流，故控制斷面一般放在下游，也就是計(jì)算從下游向上游逐段進(jìn)行。

在水利工程設(shè)計(jì)中，為了滿足生產(chǎn)建設(shè)的要求，常需在河道上修建大壩等水工建筑物、丁壩等河工建筑物以及對(duì)河道進(jìn)行裁彎、挖槽、汊道整修等整治工程，另外還有修建碼頭、橋梁等工程項(xiàng)目，這些水工建筑物或整治等工程的修建，將改變河道的自然狀態(tài)，使部分河段形成水深沿程增加的壅水河段或水深沿程減小的降水河段。因此為了保證工程及河道的安全運(yùn)行，在工程設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行水面線的計(jì)算。

2 水面線計(jì)算方法

進(jìn)行河道水面線計(jì)算的方法很多，如逐段試算法，圖解法以及簡(jiǎn)易近似法等。隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水面線運(yùn)用編程程序計(jì)算，它精確可靠、適用性廣，在工程實(shí)際上被普遍采用。

水面線計(jì)算程序需輸入起始斷面水位、起始流量以及斷面參數(shù)，建立各斷面幾何水力學(xué)要素與水位的關(guān)系。由于斷面幾何水力學(xué)要素是水位的函數(shù)，在試算過(guò)程中，要不斷地重新試算斷面幾何水力學(xué)要素，以保證計(jì)算的精確可靠性。本次水面線計(jì)算以群昌水庫(kù)下游務(wù)本站水文站為起始斷面，推算至該水庫(kù)斷面處。

3 水面線計(jì)算的基本資料

1)地形資料，如河道橫斷面圖。本次計(jì)算橫斷面圖為實(shí)測(cè)測(cè)量成果，可以直接應(yīng)用到水面線編程程序中計(jì)算，群昌水庫(kù)橫斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 水庫(kù)橫斷面圖

2)水文資料，如流域內(nèi)水文站提供的水位-流量過(guò)程線、河道糙率等。本次計(jì)算的群昌水庫(kù)下游有務(wù)本水文站，群昌水庫(kù)水位-流量關(guān)系圖見(jiàn)圖2，務(wù)本水文站水位-流量關(guān)系圖見(jiàn)圖3[1]。

圖2 水庫(kù)水位流量關(guān)系圖

圖3 水文站水位流量關(guān)系圖

4 水面線計(jì)算主要步驟

4.1 計(jì)算步驟

進(jìn)行水面線的計(jì)算過(guò)程，主要有以下幾個(gè)主要步驟：

1)根據(jù)計(jì)算的主要目的，按照要求收集計(jì)算所需的資料。

2)對(duì)地形資料的處理和計(jì)算是進(jìn)行水面線計(jì)算的第一步。通過(guò)對(duì)地形資料的分析，對(duì)需計(jì)算的河道進(jìn)行分段、劃分和設(shè)計(jì)計(jì)算斷面，建立各計(jì)算的斷面的幾何水力學(xué)要素與水位的關(guān)系。成功的水面線計(jì)算依賴(lài)于較為完善的地形資料，應(yīng)核對(duì)地形資料的完整性，對(duì)地形資料進(jìn)行分析以適應(yīng)水面線計(jì)算的要求。實(shí)際水面吸納資料是正確計(jì)算水面線的客觀基礎(chǔ)之一，離開(kāi)客觀基礎(chǔ)，無(wú)論進(jìn)行多么復(fù)雜精細(xì)的計(jì)算，都難于獲得正確的結(jié)果。本次計(jì)算共計(jì)15個(gè)大橫斷面，均為實(shí)測(cè)橫斷面測(cè)量成果，資料完整，具有一定的可靠性和客觀性。

3)根據(jù)河段斷面實(shí)測(cè)水位、流量資料，在已劃分的計(jì)算河段上選定糙率。河道分段的原則是計(jì)算河段上下兩端計(jì)算斷面的幾何水力學(xué)要素的平均值基本上能代表該河段各斷面的情況，并要求河段內(nèi)其它斷面的斷面幾何水力學(xué)要素也基本上具有均勻一致性，計(jì)算斷面最好選在無(wú)回流的漸變斷面上?？傊佣蝿澐忠獜亩喾矫婵紤]，對(duì)河道的分段一般采用人工方式進(jìn)行，兼顧考慮工程的實(shí)際情況，本次水面線計(jì)算大橫斷面的布置基本符合以上要求。

4)根據(jù)已有的水文資料，結(jié)合工程性質(zhì)、工程等級(jí)、設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等來(lái)確定水面線計(jì)算起始斷面流量值、水位值，確定所需的上下游邊界條件，或稱(chēng)起算條件。本次水面線計(jì)算設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)P=10%，以下游務(wù)本水文站為起始斷面，經(jīng)水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算成果，Q起=599m3/s，由水文站水位-流量關(guān)系線圖查得相應(yīng)水位H起=192.52m。在有支流匯入的Cs11河段處，由于沿程流量有變化，在匯入口以上流域流量采用水庫(kù)控制最大泄量Q起=100m3/s，重新試算起始水位，推至水庫(kù)橫斷面處。

5)用前述的計(jì)算方法和步驟應(yīng)用水面線程序計(jì)算水庫(kù)下游水面線。

6)對(duì)計(jì)算的成果進(jìn)行合理性分析。

4.2 河道糙率

河道糙率是反映河流阻力的一個(gè)綜合性系數(shù)，也是衡量河流能量損失大小的一個(gè)特征量。它是水流與河槽相互作用的產(chǎn)物。由于糙率n等參數(shù)與主槽和灘地的水流狀態(tài)、邊界的地形有關(guān)，在假定主槽和灘地?zé)o水流動(dòng)量交換的情況下，結(jié)合河道特征進(jìn)行綜合分析類(lèi)比，按主槽和灘地分別進(jìn)行糙率計(jì)算，本次水面線計(jì)算采用的糙率參考天然河道糙率表。選用主槽糙率為0.030，灘地糙率為0.035[2]。

4.3 成果合理性分析

本次水面線計(jì)算設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)P=10%，以下游務(wù)本水文站為起始斷面，采用實(shí)測(cè)大橫斷面成果，數(shù)據(jù)具有一定的可靠性和客觀性，應(yīng)用水面線程序計(jì)算至群昌水庫(kù)橫斷面處的水面高程H=231.40m。而由群昌水庫(kù)控制最大泄量Q=100m3/s時(shí)，根據(jù)水庫(kù)水位-流量關(guān)系圖查得相應(yīng)的水面高程H’=231.42m，兩者計(jì)算誤差僅為0.02m，誤差相差不大，成果合理。經(jīng)水面線程序計(jì)算，群昌水庫(kù)下游水面線成果見(jiàn)表1。

表1 群昌水庫(kù)下游水面線計(jì)算成果表(P=10%)

5 結(jié) 語(yǔ)

在水利工程設(shè)計(jì)中，為了滿足生產(chǎn)建設(shè)的要求，常需在河道上修建大壩等水工建筑物、丁壩等河工建筑物以及對(duì)河道進(jìn)行裁彎、挖槽、汊道整修等整治工程，另外還有修建碼頭、橋梁等工程項(xiàng)目，這些水工建筑物或整治等工程的修建，將改變河道的自然狀態(tài)，使部分河段形成水深沿程增加的壅水河段或水深沿程減小的降水河段。因此為了保證工程及河道的安全運(yùn)行，在工程設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行水面線的計(jì)算。進(jìn)行河道水面線計(jì)算的方法有逐段試算法，圖解法以及簡(jiǎn)易近似法等。隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水面線運(yùn)用編程程序計(jì)算，水面線計(jì)算程序需輸入起始斷面水位、起始流量以及斷面參數(shù)，建立各斷面幾何水力學(xué)要素與水位的關(guān)系。水面線程序計(jì)算方法精確可靠，適用性廣，在工程實(shí)際上被普遍采用。本次群昌水庫(kù)下游水面線計(jì)算成果可以為該河流流域治理等工程提供可靠的資料和依據(jù)。

[1]許仿曾.河道水力學(xué)[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，1994：19-36.

[2]李煒.水力計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006：41-85.

1007-7596(2017)07-0052-03

2017-06-18

胡建虎(1982)，男，吉林白城人，從事水利工程設(shè)計(jì)工作。

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