禹门河溢流堰水力学计算

2015-07-25史鹏飞

山西水利科技 2015年1期

关键词：小段滞洪区溢流

史鹏飞

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原 030024）

1 工程情况概述

汾阳市位于山西省腹地偏西，吕梁山东麓，太原盆地西缘。

本文讨论的河道治理工程位于山西省汾阳市城区范围内的禹门河及其支流董寺河上。禹门河源于上林舍、郝家庄、北杨家庄，由三条季节性河流汇合而成，流经张家庄、河堤、田村、北关园、米家庄，至申家堡和潴城村有支流董寺河汇入，然后继续向东汇入文峪河。

根据“防洪规划”，禹门河利用潴城滞洪区滞洪，滞洪区范围北起汾屯公路，南至董寺河口段下游禹门河，东起文峪西河，西至禹门河，面积为6.03 km2，滞洪水位为736.08 m，滞洪水量为651万m3。滞洪区段河道范围为禹门河汾屯线至入文峪河口，长5.52 km。本次治理需结合该段堤防建设三段溢流堰。

2 溢流堰位置的确定

布置有三处，即1#溢流堰、2#溢流堰、3#溢流堰，分别位于汾屯线下游、董寺河汇入口下游及治理段末端的禹门河左堤上。

1#溢流堰主要分泄禹门河超过150 m3/s流量的洪水，分泄流量为215 m3/s。2#溢流堰分泄董寺河及城市总退全部设计洪水，分泄流量为338.4 m3/s。3#溢流堰仅当文峪河上游来水时启用，最大分泄流量为150 m3/s。

3 溢流堰计算原理

本工程治理长度为8.88 km，河道设计纵坡为0.94‰～0.7‰，河床较平缓，为梯形断面。在规划的潴城滞洪区范围内的禹门河上结合堤防设有三处溢流堰。

本河道水面线推算，结合实际地形和水流特性，为缓流，采用明渠恒定非均匀渐变流公式计算，自下游向上游依次推算。

溢流堰段河道水面线的推算采用明渠恒定非均匀渐变流与侧堰溢流公式联合求解，即将该段河道自下而上划分为若干小段，并假定每小段为恒定流，采用该小段河道内的平均流量来推算水面线，且该小段始、末端流量差即为侧堰溢流的流量，堰上水头为该小段河道水面线减去堰高的平均值。

将各小段水面连起来即为每座溢流堰段河道水面线，各小段侧堰溢流的流量累加起来即为每座溢流堰的总分洪流量，总长度即为堰长。

明渠恒定非均匀渐变流计算公式如下：

式中：Z——断面水位，m；

Q——断面流量，m3/s；

V——平均流速，m/s；

a、ζ———分别为动能修正系数和局部阻力系数；

K——综合流量系数，由下式确定：

式中A、R、n分别为流量系数、过水面积水力半径和糙率。

侧堰溢流公式如下：

式中：Q——泄量，m3/s；

C——流量系数，取C＝0.95 m，m为正堰流量系数；

b——堰宽；

g——重力加速度；

H——堰上水头，m。

4 溢流堰高度的计算

溢流堰高度根据文峪河的最大安全泄量确定。三段溢流堰高度确定原则为：在与文峪河洪水不遭遇的情况下，保证禹门河来水流量小于等于文峪河的最大安全泄量时顺利进入文峪河。根据“防洪规划”，文峪河最大安全泄量为150 m3/s，以此流量下的河道自由下泄时的水面线为堰顶高程。经计算，1＃溢流堰、2＃溢流堰、3＃溢流堰的堰高分别为2.37～2.71 m、3.28～3.99 m、3.99～4.4 m。

5 溢流堰长度的计算

本方案禹门河发生设计洪水时，水面线推算有二种情况：一是文峪河上游来水时，禹门河发生设计洪水，此时起推水位736.83 m；二是文峪河上游无水时，禹门河发生设计洪水，此时起推水位736.42 m。经分析，前种情况下水面线的起推水位较后者略高，为不利工况，故下面以前种情况（即文峪河上游来水情况）采用明渠恒定非均匀渐变流公式来推算河道水面线。

3座溢流堰处顺河道方向自下游向上游细分小段，再根据各细分小段的水面线采用侧堰公式计算每段溢流流量，依次向上游推求。由于20年一遇滞洪区的滞洪水位为736.08 m，而1＃堰顶高程为738.79～738.46 m，2＃堰顶高程为737.46～737.09 m，3＃堰顶高程为736.57～736.45 m，均为非淹没出流。

根据计算结果，考虑一定的富裕度，1＃溢流堰长取400 m，2＃号溢流堰长700 m，3＃溢流堰长500 m。