天然河道水面线推求分析计算

顾嵋杰

【摘要】天然河道水面线计算的原理及方法，水面线推求方向、起推水位、水头损失及交叉建筑物等各种影响水面线结果因素的确定与处理。最后结合工程实例，推算出天然河道水面线。

【关键词】天然河道；水面线；水头损失

一前言

水面线推求计算是河道堤防工程设计的第一步，其推求结果是确定河道断面尺寸的重要方法，直接影响到河道整治工程量及工程投资规模。水面线的计算根据水流形态的不同而选择不同的计算方法，水流根据河道断面形状、尺寸、沿程比降等因素可分为明渠恒定均匀流与明渠恒定非均匀流。均匀流水面线根据曼宁公式可求的。非均匀流水面推算较为繁琐，天然河道因其过流断面形状极不规则，河道比降和粗糙系数沿程变化，这些因素导致天然河道中水力因素变化复杂。因此，一般情况下天然河道水流属于明渠非均匀流，本文就天然河道明渠非均匀流水面线推求进行分析计算。

二天然河道水面计算

2.1明渠恒定非均匀流法

天然河道水面线的计算就是从某控制断面已知水位开始，逐河段推算下一个未知断面的水位高程的过程，采用逐段试算法。对于河道比较顺直，断面形状基本一致，水流比较平稳，计算的河段可划得长一些；如果河道变化剧烈（弯道急滩较多） ，则应多布置些断面，把计算的河段划得短一些。确保水流要素在每个段内变化不大，因此可将天然河道近似视为恒定非均匀流，利用水流能量方程式推算水面曲线，基本方程式如下：

式中 Z1、Z2——上游断面和下游断面水面高程或水位；

——上游断面和下游断面流速水头；

hf、 hg——上下游断面之间的沿程水头损失和局部水头损失。

2.2 水面线推求方向

河道水流流态根据佛汝德数Fr大小可分为三类：缓流（Fr<1）、急流（Fr>1）和临界流（Fr=1）。平原河道一般为缓流，山区类河道一般为急流，临界流只存在于局部河道中。对于不同流态的水面推求方向也不一致，平原型缓流河道起始控制断面设在下游，水面线从下游向上游依次推算；山区型急流型河道起始控制断面设在上游，水面线从上游向下游依次推算。

2.3 起推水位

由于大部分河道流态均属于缓流，河道起始控制断面设在下游，水面线自下而上推算。当河段内或距离不远处设有水文站时，应当以其实测断面为初始计算断面，可从实测水位流量关系确定计算水深。但对于中小河流大多数没有水文站或距离水文站较远，这种情况下可根据曼宁公式，将起推断面的正常水深作为起推水位。

2.4 局部水头损失

如果河道局部地方有较突出的变化或障碍物，如断面的突缩和尖扩、急弯段、河床中存在的特大礁石或石梁以及河中的桥墩等，将引起水流涡旋丛生、流态复杂，并产生较大的局部水流阻力。在进行河流（特别是山区河流）的水面曲线等计算中则需要考虑。当河道急剧扩大时，局损系数取-0.5～-1.0；河道逐渐扩大时，局损系数取-0.1～-0.333 。反之，局损系数取其相反数。

2.5支流匯入

天然河道干流上往往有多条支流汇入，在计算有支流汇入设计水面线时，设计洪水量可按照同频率干支流设计洪水叠加，由于流量有变化，应在支流汇入前后加设断面，所设的断面位置应使同一河段的流量沿程不变。在进行水面推求计算中，还应考虑支流汇入主流时，支流断面与交汇后的主流断面之间发生的局部水头损失hj。

式中v1、v2一一汇合前支流上的断面平均流速和汇合后主流上的断面平均流速。

2.6 交叉建筑物

根据生产交通及景观要求，河道上会布置大量交叉建筑物，常见主要有跨河桥梁、水闸及溢流堰坝等。一般情况下，这些跨河建筑物上游会产生一定的壅水现象。下游水面推求到此处时，应在此处加设断面，以桥闸堰坝为新的控制断面，根据无坎宽顶堰堰流公式推求建筑处设计水位H，确定设计水位后，可继续向上游推算，从而实现跨河建筑物上下游水面的衔接。建筑物处设计水位H可按下列公式计算。

式中： H0——堰上全水头；

m、 ——流量系数，可通过查表得；

b、 A0——净宽、堰前河道过流面积。

三水面线计算工程实例

3.1 基本情况

以浙江宁海清溪某一段河道水面线计算为例。清溪属于浙江宁海县五大溪流之一，位于浙江省东部沿海，主流发源于天台华顶山，出口地点为旗门港，向东南流经丰家、山王岭至梁坑折向南流，经泳溪乡至岩下坊村，右纳支流鲍下溪。流域面积164 km2，主流河长39.5 km，河道平均坡降3.8‰，流域内最大河宽135.0m，最窄处仅为68.0m，植被较好，工程段内20年一遇设计流量1166m3/s。

3.2水面线推求

水面线推求从下游向上游推算，起始断面处（K2+200）为已建溢流堰坝，通过堰流公式可得出堰前设计水深。糙率根据各个河段不同因素分别取值0.033、0.035、0.040。流域内共布置有1座堰坝，一座桥梁，各交叉建筑物处的水面线水位见下表3-1。根据水流能量方程推算河道洪水水面线，结果见图2。

表3-1 交叉建筑物处水面线水位

部位 桩号 设计河底高程（m） 水面高程（m）

起调断面 K2+200 36.36 40.90

五福桥下游 K1+645 38.58 41.53

五福桥上游 K1+635 38.63 43.13

堰坝下游 K1+180 40.44 44.58

堰坝上游 K1+180 40.48 45.08

初始断面 K0+000 45.77 49.85

图2 河道洪水水面线

由表3-1可知，当水面线推求到堰坝及桥梁处，分别在此处加设断面，以实现上下游水面线的衔接。由图2可知，水面线在堰坝及桥梁处，水面线发生突变，上游产生一定的壅水高度，此现象与实际情况相符。

四结束语

天然河道在计算水面线过程中，遵循的是水流能量守恒定律，合理的确定及处理好水面线的推求方向、起推水位及局部水头损失，对水面线的最终结果至关重要。对于河道中的交叉建筑物，水面线推求通过加设断面，从而实现上下游水面线的衔接。

参考文献：

[1] 李炜.水利计算手册（第二版）2006.

[2] 吕宏兴，裴国霞，杨玲霞. 水力学.中国农业出版社，2002.

[3] 朱忠龙.天然河道水面线计算中起推水位的确定[J].工程与建设.2014，28（4）.448-449.

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