禹門河溢流堰水力學(xué)計算

史鵬飛

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

1 工程情況概述

汾陽市位于山西省腹地偏西，呂梁山東麓，太原盆地西緣。

本文討論的河道治理工程位于山西省汾陽市城區(qū)范圍內(nèi)的禹門河及其支流董寺河上。禹門河源于上林舍、郝家莊、北楊家莊，由三條季節(jié)性河流匯合而成，流經(jīng)張家莊、河堤、田村、北關(guān)園、米家莊，至申家堡和潴城村有支流董寺河匯入，然后繼續(xù)向東匯入文峪河。

根據(jù)“防洪規(guī)劃”，禹門河利用潴城滯洪區(qū)滯洪，滯洪區(qū)范圍北起汾屯公路，南至董寺河口段下游禹門河，東起文峪西河，西至禹門河，面積為6.03 km2，滯洪水位為736.08 m，滯洪水量為651萬m3。滯洪區(qū)段河道范圍為禹門河汾屯線至入文峪河口，長5.52 km。本次治理需結(jié)合該段堤防建設(shè)三段溢流堰。

2 溢流堰位置的確定

布置有三處，即1#溢流堰、2#溢流堰、3#溢流堰，分別位于汾屯線下游、董寺河匯入口下游及治理段末端的禹門河左堤上。

1#溢流堰主要分泄禹門河超過150 m3/s流量的洪水，分泄流量為215 m3/s。2#溢流堰分泄董寺河及城市總退全部設(shè)計洪水，分泄流量為338.4 m3/s。3#溢流堰僅當(dāng)文峪河上游來水時啟用，最大分泄流量為150 m3/s。

3 溢流堰計算原理

本工程治理長度為8.88 km，河道設(shè)計縱坡為0.94‰～0.7‰，河床較平緩，為梯形斷面。在規(guī)劃的潴城滯洪區(qū)范圍內(nèi)的禹門河上結(jié)合堤防設(shè)有三處溢流堰。

本河道水面線推算，結(jié)合實際地形和水流特性，為緩流，采用明渠恒定非均勻漸變流公式計算，自下游向上游依次推算。

溢流堰段河道水面線的推算采用明渠恒定非均勻漸變流與側(cè)堰溢流公式聯(lián)合求解，即將該段河道自下而上劃分為若干小段，并假定每小段為恒定流，采用該小段河道內(nèi)的平均流量來推算水面線，且該小段始、末端流量差即為側(cè)堰溢流的流量，堰上水頭為該小段河道水面線減去堰高的平均值。

將各小段水面連起來即為每座溢流堰段河道水面線，各小段側(cè)堰溢流的流量累加起來即為每座溢流堰的總分洪流量，總長度即為堰長。

明渠恒定非均勻漸變流計算公式如下：

式中：Z——斷面水位，m；

Q——斷面流量，m3/s；

V——平均流速，m/s；

a、ζ———分別為動能修正系數(shù)和局部阻力系數(shù)；

K——綜合流量系數(shù)，由下式確定：

式中A、R、n分別為流量系數(shù)、過水面積水力半徑和糙率。

側(cè)堰溢流公式如下：

式中：Q——泄量，m3/s；

C——流量系數(shù)，取C＝0.95 m，m為正堰流量系數(shù)；

b——堰寬；

g——重力加速度；

H——堰上水頭，m。

4 溢流堰高度的計算

溢流堰高度根據(jù)文峪河的最大安全泄量確定。三段溢流堰高度確定原則為：在與文峪河洪水不遭遇的情況下，保證禹門河來水流量小于等于文峪河的最大安全泄量時順利進(jìn)入文峪河。根據(jù)“防洪規(guī)劃”，文峪河最大安全泄量為150 m3/s，以此流量下的河道自由下泄時的水面線為堰頂高程。經(jīng)計算，1＃溢流堰、2＃溢流堰、3＃溢流堰的堰高分別為2.37～2.71 m、3.28～3.99 m、3.99～4.4 m。

5 溢流堰長度的計算

本方案禹門河發(fā)生設(shè)計洪水時，水面線推算有二種情況：一是文峪河上游來水時，禹門河發(fā)生設(shè)計洪水，此時起推水位736.83 m；二是文峪河上游無水時，禹門河發(fā)生設(shè)計洪水，此時起推水位736.42 m。經(jīng)分析，前種情況下水面線的起推水位較后者略高，為不利工況，故下面以前種情況（即文峪河上游來水情況）采用明渠恒定非均勻漸變流公式來推算河道水面線。

3座溢流堰處順河道方向自下游向上游細(xì)分小段，再根據(jù)各細(xì)分小段的水面線采用側(cè)堰公式計算每段溢流流量，依次向上游推求。由于20年一遇滯洪區(qū)的滯洪水位為736.08 m，而1＃堰頂高程為738.79～738.46 m，2＃堰頂高程為737.46～737.09 m，3＃堰頂高程為736.57～736.45 m，均為非淹沒出流。

根據(jù)計算結(jié)果，考慮一定的富裕度，1＃溢流堰長取400 m，2＃號溢流堰長700 m，3＃溢流堰長500 m。

6 溢流堰的計算結(jié)果

3座溢洪堰的計算結(jié)果見表1、表2、表3。

表1 1＃溢流堰流量計算成果

表2 2＃溢流堰流量計算成果

表3 3＃溢流堰流量計算成果

7 溢流堰結(jié)構(gòu)的確定

溢流堰設(shè)計為梯形斷面，堰頂寬為4 m，與堤頂同寬，上、下游邊坡為1:2.5、1:2，采用500 mm厚M7.5漿砌石貼坡防護(hù)，下鋪200 mm厚碎石墊層。堰下游設(shè)有10 m長0.5 m厚的格網(wǎng)石籠海漫防沖。

8 結(jié)論

本工程通過逐段計算溢流量和河道過流能力來確定溢流堰的長度和高度。最終利用固定的堰解決了流動水的分流問題，省去了閘門的運用，節(jié)省了工程投資。