應用EXCEL軟件進行攔沙工程調洪演算實例

2012-07-26 10:58:38張瑞，程鯤，田博

中國水土保持 2012年9期

張瑞，程鯤，田博

(1.黃河水利委員會晉陜蒙接壤地區水土保持監督局，陜西榆林719000;2.黃河上中游管理局西安規劃設計研究院，陜西西安710021)

攔沙工程是以攔沙為目的的大型水土保持溝道治理工程，是以土壩形式攔河蓄洪蓄沙、以溢洪道形式保障運行安全、以放水工程為手段實現“滯洪排清”的水土保持工程。調洪演算是攔沙工程設計的一個關鍵環節，調洪演算的結果是確定攔沙工程壩高和溢洪道尺寸的主要依據，也是確保攔沙工程安全性的重要內容。調洪演算是在確定溢洪道溢流堰形式的基礎上，利用庫容曲線、根據水量平衡原理進行試算，得到溢流堰最高水位與溢洪道寬度的合理比例。采用EXCEL軟件設計調洪方案，不需要復雜的編程，可避免人工計算費時、費力、容易出錯等問題，并且可以通過軟件自帶的圖表功能方便、快捷、直觀地將洪水過程及溢洪道調洪過程顯示出來，便于調洪方案的調整、比選、分析，從而大大提高了工作效率。筆者以黃河流域粗泥沙集中來源區的禿尾河流域崖窯峁小流域一級支溝王岔溝的大陰灣2#攔沙壩為例，采用EXCEL軟件進行調洪演算，驗證EXCEL軟件在攔沙工程設計中的應用效果。

1 選擇攔沙壩

大陰灣2#攔沙壩位于禿尾河一級支流開光川的右岸王岔溝下游，所在小流域面積15.71 km2，侵蝕模數19200 t/(km2·a)，單壩控制面積3.44 km2，距上游串聯攔沙壩中的武家石畔攔沙壩 1.09 km、寨山攔沙壩 3.24 km、李家溝岔攔沙壩 4.18 km。根據《水土保持治溝骨干工程技術規范》(SL 289—2003)要求，該壩采用骨干工程標準設計，經過不同淤積年限試算，確定總庫容在100萬～500萬m3之間，工程等別為四等，主要建筑物為4級，洪水重現期為30年設計、300年校核，設計淤積年限30年。除了李家溝岔攔沙壩采用壩體、放水建筑物“兩大件”設計以外，其余上游攔沙壩與大陰灣2#攔沙壩設計標準相同，均由壩體、溢洪道、放水建筑物“三大件”組成。

2 調洪演算起始條件

大陰灣2#攔沙壩溢洪道為無閘控制，為最大限度地攔蓄泥沙，溢洪道溢流堰堰頂高程為攔泥壩高，故起調水位為23.52 m，攔泥庫容為117.42萬m3，起始下泄流量為0。

3 推求庫容—水位關系曲線、庫容—水位關系式

新建EXCEL工作表，輸入攔泥庫容以上的庫容、水位數據，選擇圖表向導→標準類型→圖表類型→XY散點圖，利用庫容、水位數據生成XY散點圖，選中生成點右鍵選擇添加趨勢線，在添加趨勢線的類型選項卡中選擇趨勢線類型，使相關系數R2趨近于1，如庫容—水位關系比較復雜，可分段顯示趨勢線公式。大陰灣2#攔沙壩水位及對應庫容數據見表1，庫容—水位關系曲線見圖1。

表1 大陰灣2#攔沙壩水位及對應庫容數據

圖1 大陰灣2#攔沙壩庫容—水位關系曲線

圖1 中水位減去起調水位即可得到滯洪水深即溢流堰堰上水深、溢洪水深，庫容—水位關系式為 H=2.9829V0.4333－23.52。

4 確定調洪演算方法

進行調洪演算要先假定溢流堰的形式，依據洪水過程線反復試算泄洪過程，通過溢流堰尺寸、安全性、投資效益等內容比選，選擇最優的調洪演算方案，確定溢洪道尺寸，從而保證攔沙壩的運行安全和經濟效益最優。

4.1 溢流堰形式

溢流堰一般采用矩形斷面形式，寬頂堰的堰寬和堰上水頭計算公式分別為

上二式中:B為溢流堰堰寬，m;q為溢洪道設計流量，m3/s;M為流量系數，取值范圍為1.42～1.62;H0為計入行進流速的堰上水頭，m;h為溢洪水深，即堰前溢流坎以上水深，m;V0為堰前流速，m/s;g 為重力加速度，取 g=9.81 m/s2。

4.2 洪水過程線

采用概化三角形過程線法推求洪水過程線，則洪水過程線可用兩個線性關系式表示，即當T≤936時，

圖2 大陰灣2#攔沙壩洪水過程線

4.3 調洪演算方法

根據單位時段入庫、出庫、庫存水量平衡原理，先假定一個溢流堰堰寬，由洪水開始時單位時段內入庫洪水總量即本壩洪水和上游壩泄洪總量之和，根據庫容—水位關系曲線、庫容—水深關系式得到一個溢洪水深;再將該溢洪水深代入堰寬和堰上水頭計算公式得到下泄流量，從而得出該時段的泄洪總量;然后將入庫洪水減去泄洪總量得到滯洪庫容，該滯洪庫容對應一個新的溢洪水深，新的溢洪水深又對應新的泄流量和泄洪總量;這是一個互相引用、反復試算下泄流量以達到時段內水量平衡的計算過程，最終確定該時段的下泄流量。下一時段入庫洪水總量為上一時段的滯洪庫容、本時段本壩洪水和上游壩泄洪總量之和，采用同樣方法，得到隨時間推移溢流堰的下泄流量是一個帶峰值的曲線，該峰值對應的下泄流量和溢洪水深分別為該斷面溢流堰的最大下泄流量和溢洪水深。試算不同溢流堰堰寬得出不同的泄洪過程，通過調洪方案比選得出最優的泄洪過程和溢洪道斷面尺寸，從而完成調洪演算的任務。

5 調洪演算

采用EXCEL自帶的公式引用、循環、迭代計算完成調洪演算的試算過程。下面介紹應用EXCEL軟件進行調洪演算的步驟。

在EXCEL的工具菜單欄中選擇選項→重新計算→迭代計算，選擇最多迭代次數100、最大誤差0.001。制作調洪演算表格，共設置10列，主要參數見表2。其中，A列為洪水歷時，單位為min，時間間隔設為1 min，從洪水起始(0)至洪水結束(92 min)，中間加設洪峰時間15.6 min;B列為洪水間隔歷時，單位為s，在B2錄入“=(A3－A2)*60”;C列為該時段上游攔沙壩下泄洪水流量，單位為m3/s，如上游壩無溢洪道則該列數值均為“0”;D列為洪水流量，單位為m3/s，在洪峰時間前后輸入不同的線性關系式，即在 D2輸入“=230/936*A2”，D18輸入“=230/(5220－936)*(5220－A18)”;E列為庫容，單位為萬m3，在E2錄入攔泥庫容117.42萬 m3，E3錄入公式“=E2+I3”;F列為該時段內入庫洪水總量，為本時段本壩洪水總量與上游攔沙壩下泄洪水總量之和，計算公式為(上時段末上游攔沙壩下泄洪水流量+本時段末上游攔沙壩下泄洪水流量+上時段末本壩洪水流量+本時段末本壩洪水流量)÷2×本時段時長，故在F2直接錄入數字“0”，F3錄入公式“=(C2+C3+D2+D3)/2*B3/10000”;G列為溢流堰下泄流量，單位為m3/s，在G2錄入數字“0”，根據溢流堰堰寬和堰上水頭公式，在G3錄入溢流堰下泄流量公式，即“=假定溢流堰寬度數值*1.5*J3^1.5”，錄入該公式時引用J3溢洪水深;H列為本時段下泄洪水總量，單位為萬m3，根據溢流堰上時段末下泄流量和本時段末下泄流量求得，計算公式為(上時段末下泄流量+本時段末下泄流量)÷2×本時段時長，即在H3錄入“=(G2+G3)/2*B3/10000”;I列為時段內滯洪總量，單位為萬m3，計算公式為本時段入庫洪水總量－本時段下泄洪水總量，即在I3錄入“=F3－H3”;J列為滯洪水深，單位為m，根據溢洪水深關系式，在J3 錄入“=2.9828*E3^0.4333 －23.52”。表格信息錄入完成后，檢查各列公式及單位，為G列公式輸入一個假定的溢流堰堰寬，選中E3至I3行，計算至洪水結束時間，找出G列的最大下泄流量值和J列的最大溢洪水深值。假定溢流堰堰寬分別為 4.0、4.5、5.0、6.0 m，得出 4 組最大下泄流量、溢洪水深，并進行方案比選，最終確定方案三為大陰灣2#攔沙壩調洪演算方案，比選結果見表3，選定方案泄洪過程線見圖3。