試算法在驗證復雜泄流設施過流能力中的應用

趙國良，倪 川

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430019）

目前，隨著水資源開發利用的程度的加大，水利工程建設項目也逐漸增多， 往往城市河道上的泄流設施布置密集。這就要求工程建設應結合實際，綜合考慮防洪標準、投資額度、上下游防洪安全等因素，采用科學方法組織工程建設。因此，本文提出采用試算法來驗證復雜泄流設施過流能力， 為工程建設提供有效的計算途徑。

1 工程概況

工程項目位于四川省內江市資中縣重龍鎮東林壩片區谷田河流域出口入沱江處， 其建設意在滿足谷田河20 年一遇排澇標準，同時增強東林壩片區的親水性、景觀性及娛樂性。

資中縣城北水系由3 條主要河流組成， 東北側烏龜山水庫溢洪道至茨菇橋村三社 （叫花巖水庫溢洪道前）為永興河，叫花巖水庫溢洪道至沱江段為谷田河。城區西側狀元街旁雨污水合流渠道為廣義河，廣義河與谷田河在縣醫院迎賓橋路口匯合， 穿過東林壩片區排入沱江。縣醫院以下谷田河改道后，廣義河的水通過老谷田河的箱涵排出，在水位較高時，廣義河的水通過新谷田河排入沱江。

2 水文條件

項目流域內徑流由降雨形成， 其年內變化與降雨的年內變化基本一致。 據鄰近的濛溪河元灘灣水文站實測資料統計，多年平均徑流深280.8 mm，6—9月為汛期，占年徑流的81.0%，其中7—8 月為主汛期，占年徑流的55.7%，12—4 月為枯水期，占年徑流的5.5%。 徑流年際變化較大，最大年徑流約為最小年徑流的47 倍。 與濛溪河流域屬同一氣候區，流域自然地理條件也基本一致。據此項目流域直接移用濛溪河元灘灣水文站實測多年平均徑流深280.8 mm， 多年平均徑流量682 萬m3。

谷田河上游已建烏龜山水庫、 姜家灣水庫和叫化巖水庫，姜家灣水庫位于雙龍鎮鏵頭場，集水面積1.6 km2， 烏龜山水庫位于資中縣重龍鎮寧國寺村六組，集水面積9.69 km2，叫花巖水庫位于重龍鎮歇山廟村，集水面積0.92 km2。其中姜家灣水庫和叫花巖水庫集雨面積較小，對洪水影響較小，本次洪水計算不考慮2 座水庫削峰作用， 烏龜山水庫集雨面積較大，本次設計考慮該水庫削峰作用。根據《四川省中小流域暴雨洪水手冊》計算［1］，經烏龜山水庫削峰后，谷田河河口20 年一遇的洪峰流量123.8 m3/s。

圖1 河流水系分布

3 工程布置

3.1 新建石河堰布置

新建石河堰預設在谷田河的出口處， 新建石河堰高2.5 m，雙拱壩，半徑在1.25 m 以上，堰寬10 m，堰厚約0.6 m，底板高程313.5 m，堰頂高程316 m。

3.2 其他泄流工程

據悉， 在新堰上游存在排水孔洞和排水箱涵2個泄流工程。經統計，排孔底部高程為317.1 m，頂部高程為317.5 m，高0.4 m，厚度為0.4 m，單邊14 孔，每孔長度不一，單邊排孔總長度約27 m。由排水孔排至老谷田河，老谷田河已建排澇泵站，由排澇站排至沱江。當水位達318 m 時，排水箱涵發揮泄流作用，箱涵底板高程318 m，高0.4 m，寬3.0 m。

3.3 泄流能力計算

3.3.1 計算方法

新建石河堰的泄流能力采用堰流公式進行計算，因排孔高程較高，排孔的泄流能力分為兩部分進行計算， 先按堰流公式進行計算， 水位達到一定高度，按照閘孔出流公式進行計算［2］。滾水堰的排水能力最終由排水箱涵的泄流能力決定，因此，直接計算排水箱涵的泄流能力。

堰流公式：

式中m 為流量系數；n 為閘孔數；ε 為側收縮系數；σs為淹沒系數，因堰后不形成淹沒，淹沒系數取1.0；b 為單孔閘孔凈寬；H0為計入行近流速水頭的堰上水深。

閘孔出流公式：

式中μ0為閘孔自由出流的流量系數，μ0=0.6-0.18e/H；e 為閘門開啟高度；n 為閘孔數；σs為淹沒系數，自由出流時，淹沒系數取1.0；b 為單孔閘孔凈寬；H0為計入行近流速水頭的堰上水深。

3.3.2 計算結果

排水孔距新建堰的位置為150～200 m，因此，計算下游總泄流能力時，不考慮水面線翹尾情況，由新建堰的泄流能力直接加上對應水位的排水孔的泄流能力。新建石河堰過流能力計算如表1。

表1 新建石河堰過流能力計算單位：m3/s

4 計算方法

縣醫院排水箱涵、 排水孔及新建石河堰的發揮泄流作用的最低高程分別為318，317.1，316 m，3 個泄流設施并非在同一位置，需考慮到水面線的翹尾，因此，工程河段的泄流能力并非3 個泄流設施各自泄流能力簡單相加，因此，本文運用試算法計算工程河段的水面線。

4.1 試算法

參考試算法在調洪演算中的應用［3］，計算水面線時，首先假定一個起推水位h1，通過新建堰泄流能力表確定對應的泄流流量q1，之后用Hec 軟件，由泄流流量q1及出口水位h1反推28 孔排水孔處的水位h2，由排水孔水位流量關系確定對應的泄流流量q2，接著，由通過排水孔位置的流量q1+q2及排水孔位置的h2反推中醫院處的水位h3，由縣醫院排水箱涵水位流量關系確定對應的泄流流量q3，若q1，q2，q3的泄流流量之和恰好等于谷田河河口20 年一遇（烏龜山水庫削峰后）的洪峰流量（123.8m3/s），則說明假定起推水位可取，否則重新假定。

4.2 水面線計算

4.2.1 計算方法

天然河道水面線的計算，運用能量方程，即：

式中Zu、Zd為上、下游斷面的水位（m）；Au、Ad為上、下游斷面過水面積（m2）；ku、kd為上、下游斷面流量模數（m3/s）；Q 為斷面流量（m3/s）；Δs 為上、下斷面之間的河段長度（m） ；ξ 為局部水頭損失系數，取ξ=0，α=1；g 為重力加速度，取9.81m/s2。

4.2.2 參數選取

（1）邊界條件。本次水面線由河道沱江出口推算至縣醫院匯流口，推算河長0.9 km。上游邊界采用設計洪峰流量，下游邊界采用對應水位。

（2）糙率。根據《水力學》中的糙率表，本段景觀河道為鋼筋混凝土或者條石擋墻結構， 建堰前后河道未發生變化，因此，建堰前后綜合糙率均取0.025。

（3）斷面。本次推算河長斷面布設如圖2。

圖2 斷面布設圖

4.3 計算結果

本次計算采用Hec-Ras 軟件， 建堰前設計水面線如表2。

表2 建石河堰前后水面線計算成果單位：m

建堰后， 谷田河河口20 年一遇洪峰流量為134 m3/s，經烏龜山水庫滯洪削峰影響，洪峰流量降至123.8 m3/s，此工況下，縣醫院排水涵排水能力為6 m3/s，28 孔排水孔的排水能力為45.4 m3/s， 最后通過新建堰的流量為73.4 m3/s。

由表2 可知， 沱江出口（T01）20 年一遇水位由316.7 m 升高至318.1 m，升高了1.4 m；中醫院斷面（T04）處，水位由318.78 m 升高至319.32 m，升高了0.54 m。據核實，中醫院處路面高程為319 m 左右，且無法實施加高措施，此段水位超過了堤頂高程（318.5 m）及路面高程（319 m），不滿足防洪要求。

5 結語

本文運用試算法分析內江市資中縣谷田河流域沱江出口新建石河堰項目的可行性。 利用Hec-Ras軟件計算了工程河段防洪標準下的水面線， 并分析建堰后工程河段水面線的變化， 以及現狀河岸是否滿足防洪要求。結果表明，建堰后，谷田河遭遇20 年一遇洪水時，沱江出口處水位升至318.1 m，升高了1.4 m，中醫院處水位升至319.32 m，升高了0.54 m。由于谷田河設計堤頂高程為318.5 m， 道路高程約319 m，20 年一遇洪水下， 建堰后的水面線不滿足谷田河的現狀防洪要求，因此，在內江市資中縣谷田河流域沱江出口處新建石河堰不可行。