天然河道水面線計(jì)算的幾點(diǎn)體會(huì)

□鄭 星

在天然河道整治工程設(shè)計(jì)中，河道水面線的計(jì)算是關(guān)鍵的一步，推求水面線的計(jì)算方法也很多，例如水深沿程變化的微分方程法、斷面比能沿程變化的微分方程法、水位沿程變化的微分方程法以及天然河道水面線計(jì)算系統(tǒng)等。這些方法基本理論依據(jù)都是明渠恒定非均勻流漸變流一維平移流動(dòng)能量平衡的微分方程，在公式的推導(dǎo)過(guò)程中均有按其邊界條件做了近似或技術(shù)處理，均有其邊界條的局限性。很多的水利工作者已經(jīng)證明，對(duì)人工河道或水力參數(shù)變化不大相對(duì)規(guī)則的天然河道，采用前4種推算天然河道水面線的計(jì)算方法均能滿足河道整治工程的精度要求，但對(duì)于河道的過(guò)水?dāng)嗝鏄O不規(guī)則、河床不斷發(fā)生沖淤變化、沿程水力參數(shù)變化較大的情況，建議采用天然河道水面計(jì)算系統(tǒng)分析計(jì)算水面線，這種方法相對(duì)比較符合實(shí)際?，F(xiàn)就在實(shí)際工作過(guò)程中、采用天然河道水面線推求系統(tǒng)計(jì)算河道水面線談幾點(diǎn)體會(huì)。

1.明渠恒定漸變流微分方程

在底坡為i的明渠漸變流中，沿水流方向任取一微分流ds，如圖1所示。

圖1

斷面1—1和斷面2—2，列出能量方程?

可以看出，方程左端為上游水位函數(shù)，右端為下游水位函數(shù)，令上游水位函數(shù)為F1(Zu)，下游水位函數(shù)為F2(Zd)，則有

F1(Zu)=F2(Zd)時(shí)的水位高程即為所求。F1(Zu)和F2(Zd)函數(shù)中：

u、d—為上游和下游斷面的水流要素下標(biāo)；

Zu、Zd—為上游水位和下游水位，Z=ZO+h；

ZO—為河道底高程，實(shí)測(cè)取得；

α—?jiǎng)幽苄拚禂?shù)，平均流速代替質(zhì)點(diǎn)流速的修正系數(shù)，視情況一般取1.0～1.1；

ξ—局部水頭損失系數(shù)，參考相關(guān)書(shū)籍取值；

ΔS—計(jì)算流段，山區(qū)河道取短些，平原河道取長(zhǎng)些；

Au、Ad—為上下游過(guò)水?dāng)嗝妫瑢?shí)測(cè)可得；

Ku、Kd—上下游的流量模數(shù)為設(shè)計(jì)流量，按設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)注求得；

Q—為設(shè)計(jì)流量，按設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)求得；

式中：

v—斷面平均流速；

J—為水力坡度，實(shí)際為摩擦阻力，

在計(jì)算中，建議用水力坡度代替河底坡度。

2.計(jì)算方法

由和以及其中各個(gè)參數(shù)均為上下游水位的函數(shù)，直接求解是不可能的，計(jì)算方法有兩種：一種是試算法，一種是圖解法。圖解法也是一種很好的方法，這里不再贅述。下面就試算法做一說(shuō)明。

已知下游斷面的水位Zd（已知上游水位Zu、時(shí)方法相同），求出F2(Zd)的值。

設(shè)定若干上游斷面水位Zu的值，求出函數(shù)F1(Zu)的值，可繪制Zu～F1(Zu)曲線，如圖2所示。

圖2

在Zu～F1(Zu)曲線上，取F1(Zu)=F2(Zd)的位置的Z值，即為Zu值，以此類(lèi)推自下游向上游推求。

依據(jù)上述的基本理論，可以編制計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算，試算程序編制過(guò)程中，注意精度控制，一般保留2位或3位小數(shù)即可滿足精度要求。

3.幾點(diǎn)體會(huì)

一是河道糙率的確定。河道糙率是影響水面線精度的關(guān)鍵參數(shù)之一，在計(jì)算過(guò)程中要認(rèn)真斟酌?？捎脤?shí)測(cè)資料反推綜合糙率。《水力計(jì)算手冊(cè)》中選取，注意河道治理中適當(dāng)選小些，治理規(guī)劃中可選大些。

二是起推斷面與起推水位。上述方程中可知，第一斷面必須是已知的，否則不能逐步推求下一個(gè)斷面。起推斷面：緩流時(shí)選在下游，由下游向上游推求，急流時(shí)選在上游，由上游向下游推求（斷面比能法已有證明），起推斷面位置應(yīng)設(shè)計(jì)斷面終占下游或上游延伸200～500m，消除誤差；起推斷面水位。起推斷面選擇較規(guī)整的河道斷面，或橋涵等處，采用謝才公式求得水位，做為起推水位，逐河段推求。有歷史記載的洪水位資料也可以分析確定起推斷面的起推水位。

三是逐段推求，分段原則：分段中，水流要素應(yīng)變化較??；有支流匯入或流出時(shí)，增設(shè)推求斷面；各種阻水建筑上下游增設(shè)推求斷面；河道比降，斷面形狀變化較大時(shí)，分段短些，反之可長(zhǎng)些。一般段內(nèi)水位較差平原河道控制在0.2～1.0m，山區(qū)河道控制在1.0～3.0m。

四是縱橫斷面修正。遇到回水區(qū)域局部大坑存有死水區(qū)，根據(jù)上下游斷面情況，應(yīng)修正為平面上有效過(guò)水?dāng)嗝?；縱坡為人為的局部變化較大，局部縱坡明顯與上下游天然縱坡不符的情況，應(yīng)恢復(fù)原有縱坡。

五是局部水頭損失。河道中的橋涵壩阻水較大的建筑物，僅有局部水頭損失系數(shù)反映水頭損失是不夠的，這種情況可用阻水計(jì)算方法來(lái)確定局部水頭損失。

六是水面線成果合理性分析。水面線計(jì)算成果合理性分析是重要的一步。天然河道水面線推求系統(tǒng)的基本方程的推演過(guò)程中有各種近似的處理，另外在推求過(guò)程中有人為的因素添加在里面，因此成果是否符合實(shí)際情況要進(jìn)行合理性分析。推求的成果與已有的實(shí)測(cè)成果比較，是否相匹配；不同標(biāo)注的水面線應(yīng)相協(xié)調(diào)，不能相交；水面線平滑，不能有明顯的突然變化；河道形態(tài)沒(méi)有突然變化，流速不能有明顯變化；在沒(méi)有發(fā)生水躍和水跌的條件下，采用流態(tài)判斷參數(shù)判斷流態(tài)，其流態(tài)不能發(fā)生變化。

七是采用這種方法推求天然河道水面線，應(yīng)充分掌握河道的一手資料，水文氣象、地形地貌、河床地質(zhì)、河道來(lái)水來(lái)沙等資料，利用這些資料具體情況，科學(xué)處理推求過(guò)程中的問(wèn)題。