勉县漾家河温泉镇段防洪工程水面线计算

2014-10-25吴小妮蒲正中

陕西水利 2014年4期

吴小妮蒲正中

（汉中市水利水电建筑勘测设计院陕西汉中 723000）

1 工程地理位置

勉县漾家河温泉镇段防洪工程位于勉县县城东南温泉镇，距县城15km，北临汉江，南接镇川乡，东连金泉镇，西与元墩镇接壤。工程起始于上游档口寺（左13+800，右14+450），左岸终止于郭家湾村河道分洪口处（左+16+679），右岸堤防终点为分洪口下游右17+720，河道治理长度3.8km。

2 工程河段地形条件复杂

工程河段为漾家河河口地段，距入汉江河口约5km，滩涂众多，弯道多、比降小。1979年当地政府对该段河道进行了裁弯取直治理，在原河道左岸人工开挖、疏浚一条新河道，在新老河道之间形成了一个河心岛。

工程区河道左岸有天堰灌区净水堰引水枢纽，左15+800处为净水堰引水枢纽拦河坝。

净水堰下游700m，桩号左16+679处，该处距汉江直线距离仅2km，历年来河水多次在此冲出缺口，洪水在此分为两路，一路从此缺口汇入汉江，另一路沿漾家河原河道，流经约5km，于入汉江河口汇入汉江，为减轻下游入河口段河道防洪压力，当地政府对缺口进行修整，形成分洪口，在分洪口处设计浆砌石实用堰。分洪口修建完善后，漾家河发生较大洪水时，部分洪水从该处流入汉江，有效缓解了下游河段的防洪压力。

3 问题的提出

工程区内滩涂众多，河道中心桩号0+925～1+868段有一河心岛，该河心岛较宽，最宽处达180m，最高处高出河床约3m，河心岛规模较大增加了该段水面线计算难度，采用综合糙率计算该段水面线，已不太合适。桩号左16+679处有一处分洪口，由于分洪口为自然缺口，后经当地水利部门略加修缮而成，河道不同水位时分洪口过流能力不明，致使洪水时分洪口下游河道流量未知，给分洪口下游约5km河道水面线计算带来困难。本文主要针对以上两问题，结合该河段防洪标准（20年一遇洪水1425m3/s），提出解决方法。

4 水面线推算

4.1 基本资料

计算资料为2006年5月实测的8条河道横断面，2010年12月的12条河道横断面以及本次补测的2条，河心岛上游断面间距为150m～200m；河心岛处断面间距约为150m；河心岛以下断面间距均为100m。

2010年“7·16”洪水期间，漾家河元墩站实测最大洪峰流量1130m3/s，采用水文比拟法计算出工程区洪水为1300m3/s，本次选用这次洪水推算河道现状水面线，并用洪痕分析验证现状水面线，选取合适的河道天然糙率。对于河心岛段水面线计算，经反复查阅资料比选，初步选定1980年版《水力计算手册》中，复式断面河道水面线逐段试算法，该方法主要解决了两方面问题。

（1）解决了滩地较大时，沿滩地和主槽量取的两河道大断面间距离相差较大，如何选择的问题。对于滩面较宽，尤其在弯道段有较宽滩面时，本方法采用滩地和主槽量取距离比值的平方修正滩地糙率，以主槽间断面距离作为该河段距离进行水面线推算。

（2）解决了滩地和主槽水力要素相差较大问题。对滩地和主槽分别根据各自水力要素计算流量模数，将分算出的流量模数求和，作为该断面的流量模数，由该流量模数计算水力坡度，进而计算出两断面间水头损失，推算河道水面线。

对于分洪口下游河道，由于流量未知，且上游段有与之地形条件相似的段落，故在拟合水面线时，可先不对该段进行拟合，采用相似段落糙率作为该段糙率。

通过拟合计算确定，现状主河槽糙率采用0.032，河心滩地糙率根据滩面大小和植被情况采用0.06～0.076，河道两岸滩地根据两岸植被情况，植被为高大乔木段糙率采用0.07，植被为农田及低矮灌木段糙率采用0.05。

4.2 建堤后河道水面线

4.2.1 分洪口以上河道水面线计算

根据确定的糙率、控制断面（实测河心岛下游处10＃断面）的水位～流量关系曲线和实测的横断面资料，首先计算各个断面的水力要素，然后采用前述确定的计算方法，以河心岛下游处10＃断面作为起算断面，在该断面的水位～流量关系曲线上查出相应设计洪水流量的水位为起算水位，向上、下游推求各断面的设计洪水位。

根据实际踏勘及历史洪水资料，修堤后主河槽糙率采用0.032，由于本次河道不进行疏浚，河心滩地糙率仍采用建堤前糙率，河道两岸滩地根据两岸植被情况，植被为高大乔木段糙率采用0.07，植被为农田及低矮灌木段糙率采用0.035～0.045。

当洪峰流量Q5%=1425m3/s，10＃断面对应天然水位为541.78m，向上、下游推求各断面的设计洪水位。分洪口以上水面线计算结果见表1。

4.2.2 分洪口以下河道水面线计算

分洪口以下水面线计算考虑侧堰的分流作用，20年一遇洪水时侧堰首端水位为541.20m，此处需计算分洪口分出的流量、分洪口末端16＃断面水位。

侧堰段堰后侧槽中水流是横向进流纵向出流，河道内及侧槽中纵向水流是在重力作用下由上游流向下游，横向水流也是在重力作用下由河道内通过侧堰流向堰后侧槽，槽内水流为恒定不均匀递增变量流。

该分洪口处侧堰长120m，堰前水位为河道水位，堰的布置为：堰顶长度方向与河道主流平行。因此，沿堰长方向，堰顶水头是逐渐减小的。现有的侧堰水力计算公式是用侧堰首端水头代替整个侧堰水头，采用堰流公式进行计算，对于侧堰堰长较短情况，这种计算可以适用，但是对于堰长为几十米甚至一二百米的情况，这种计算方法误差较大。本工程分洪口堰长120m，分洪口流量计算已无法按此种方法进行。目前，对于长侧堰水力计算还没有明确的方法，仅有一些初步分析和探讨，还不能应用于工程实践中，本文针对本工程的实际情况，用侧堰中点（15＃断面）水头代替整个顶水头，绘制侧堰水位流量关系曲线，计算出不同水位时侧堰过流量。

表1 P=5%水面线计算成果表

表2 P=5%水面线计算成果表

分洪口下游河道水面线计算较复杂，首先需在满足堰首端、中点、末端水位几何关系的前提下，满足河道下游流量与分洪口分出的流量之和等于设计洪峰流量，另外，还需要计算在该流量下，由下游向上游推算的该段河道水面线能否和分洪口末端水位衔接，如果能衔接，说明下游河道流量及下游水面线正确，如果不能衔接，需重新进行流量分配和水面线计算，计算中涉及流量和水面线两个试算过程。由于该计算过程复杂、繁复，为便于实际操作，现将该试算归纳为以下几个步骤：

（1）取堰中点15＃断面和堰末端16＃断面，15＃断面处水位作为整个侧堰的平均水位，按堰流公式和曼宁公式分别计算出侧堰和16＃断面不同水位的流量，绘制出侧堰和16＃断面的水位～流量关系曲线。

（2）假设末端16＃断面水位H2，内插计算出15＃断面处堰顶水位H1，由侧堰水位流量曲线图查出15＃断面流量Q1，将16＃断面流量Q2和查出的侧堰流量相加。

（3）重复步骤（2）直到16＃断面流量Q2和相应水位的侧堰流量Q1叠加值等于设计洪峰流量Q，即可得出设计洪峰流量时侧堰分流量Q1，侧堰下游主河槽的流量Q2。

（4）以河道下游大桥处22＃断面为起始断面，以下游主河槽流量Q2，向上游推算水面线，推至16＃断面，推出16＃断面水位H3

（5）将推出的16＃断面水位H3与假设的16＃断面水位H2进行比较，如果两个值不相等，重复步骤（2）（3）（4）步骤，直至推出的16＃断面水位H3与假设的16＃断面水位H2相等，即可得出堰顶水位H1、流量Q1，下游流量Q2和下游水面线。

计算结果见表2。

经计算，20年一遇洪水时，当堰顶15＃断面水位为540.69m时，堰顶分流515.91m3/s，下游流量909.1m3/s，计算的堰下游16＃断面水位540.18m，以22＃断面作为控制断面推求分洪口以下段河道水面线，流量909.1m3/s，水位539.10m，由22＃推算至16＃断面，推算的16＃断面水位为540.21，推算的16＃断面水位与计算的16＃断面水位相差0.03m，故此结果为堰和下游河道的水位、流量及水面线。