甘肃科技 Gansu Science and Tec

第30卷 第17期 2014年9月

lf-30 Ⅳ0．17 Sep． 2014

山洪沟道治理工程水面线推算

王华国

(甘肃省古浪县古丰河水管处，甘肃古浪733000)

摘 要：以古浪县王府沟山洪治理工程为例，探讨了以天然河道恒定非均匀流能量方程推算山洪沟道水面线的简捷 方法、计算步骤、注意事项，并结合历史洪水洪痕调查，对计算水面线的合理性作了初步分析。 关键词：山洪沟道；能量方程；水面线推算 中图分类号：TV133

1 工程概况

王府沟山洪治理工程位于古浪县中部低山丘陵 沟壑区与山前倾斜平原绿洲农业区结合部，属古浪 河流域，距县城西北3kin。危害项目区的山洪主要 来自王府沟、段山沟、东西冲沟，三条沟道出山口以 上坡陡梁长，彼此相连，呈狭长型产流区，总集水面 积49．6km ，是古浪县山洪灾害威胁人口最多、灾后 损失最大、山洪灾害最频发的沟道之一，也是山洪灾 害防治非工程措施建设的重点区域。拟治理区长期 以来无系统、完善、有效的防洪设施，部分天然山洪 沟道一再被人为压缩，致使沟道两岸低洼居民点进 水、迎流顶冲部位院落被冲毁、溃堤洪水人村等均有 发生。拟实施的山洪灾害治理工程，按l0年一遇洪 水标准设防，相应洪峰流量22—73m ／s，以解决山 洪危害区防洪问题为主，对出山口以后山洪危害严 重、人口密集的居民点、重要基础设施等处，通过修 筑堤防、沟道疏浚清障、重要节点加固等工程措施 “护、通、导”行洪沟道，安全引排山洪，使保护区防 洪能力达到国家防洪标准要求，沟道两岸人民群众 生命财产安全得到保障，最大限度地减轻灾害损失， 实现人与自然和谐相处。工程设计中，沟道水面线 的计算是其中的重要内容之一。

2 断面几何水力学要素确定

在用恒定非均匀流能量方程式推算山洪沟道水 面线时，天然沟道横断面面积和湿周是最基本的计 算内容之一。由于天然沟道横断面多不规则，在以 往计算中多采用平均水深代替水力半径、将不规则 的断面概化为梯形或矩形等作简化处理，但这些简 化会不同程度地影响到水面线推算结果。

随着数字化测绘技术的普及，为了较准确计算

断面面积和湿周等几何水力学要素，可利用沟道数 字化测量成果中采集到的横断面数据文件。该文件 一 般是以桩号作文件名，相应横断面实测点二维坐 标(x，Y)为内容的文本文件，计算时利用Excel从文 本获取数据的功能，将其导人Excel电子表格，用求 两直线相交交点的方法，求解水面线与河床横断面 的交点，从而计算湿周和过水断面面积。其中水面 与河床横断面的交点按下式计算：

式中：H——水面高程，m；

， XI+I——水面与河床横断面交点的水平坐 标，m；

Y ，Yi~l——水面与河床横断面交点的垂直坐 标，m。

湿周按下式计算：

过水断面面积以水面线与河床、河岸横断面实 测点垂线交点，切割的三角形和梯形为基础，将三角 形概化为上底为0的梯形，统一用梯形面积按下式 计算：

水面线计算中，试算水位与河岸(堤防)交线以 下的过水面积和湿周，由直线方程求得交点后，用各 实测河床面点的连线和水面线之间围成的面积用若 干小梯形计算，湿周则用各点坐标计算。

按上述计算式计算的几何水力学要素精度较 高，且自动判断并剔除了w 型河槽中高于水面线以 上点围成的面积和湿周。当建立横断面实测点二维 坐标与过水断面和湿周数据链接关系后，随着试算

第l7期

王华国：山洪沟道治理工程水面线推算

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水位的变化，水面线与河床横断面的交点及过水断 量和计算精度，示例见表1。 面面积、湿周均随之而变，从而大大减轻了计算工作

表1 沟道横断面过水面积、湿周计算表
断面 测点蓐号 小计 1 i 2 3 4 S 6 彳 8 g i0
庠暑
水面线高程 ) 19时．6l
水平距离x钿) 21 000 鹊000 33．O00 34∞0 35 O00 4。．0∞ {0 40o
酒床高程Y ) lgT1 I60 lgfi8．340 I娓6 030 l965 T20 l镐5．T90 19明070 l96_9．350
i寸永 萄摹葵抽 ) 8 26 l 73 1弱
0+48O 涅 周 ) 8．53 1．05 1．00
虚交点坐标x 。 31．07 30 26 钉．90 61．O0 37 T7 3T．9l
买交点坐标x ： 30 26 37 77
=角W细尉Q ：) 2 2 52
三角If{湟周抽) 3．16 3．32
水萄线离程 ) 1％9 l1e
水平蹈离x ) 0．0o0 1 9l4 S．∞0 9．0()0 lO铷0 】2 031 lS．22o 2o )0 22 221 2I．667
涸床高程Y ) 1973 500 1们2 299 lg68．9o0 l9盯800 1987 2O吨 l967．004 1％1，829 t96T 780 l967．852 l盯l 515
柬断面}口 ’。 23 90 2．38 2，20 3 36 5．T5 6 76 2鸽
2+瑚 澧胃 t8．研 3 29 t 4q l 68 3 25 t T8 2 22
虚交点坐标x ) 6 98 5 64 S 28 5 99 -5 62 22．82 ’62 39 6l 30 23．0s
实交点坐标x } 5 64 23．05
：角 ±菌瑕ca,： 0 O3 0．S3
三角形湟周 ) ’0．34 I．52

3 控制断面选择及水位流量关系的建

— j 一

控制断面水位是推算山洪沟道水面线的基础。 由于山洪沟道水流一般为急流，水面线大多按自上游 向下游的顺序推算，总希望在上游起始位置找到一个 控制断面和相应水位流量关系作为计算的依据。但 实际工程中这种情况很难遇到，所以只能从拟治理区 段中，选择沟道相对顺直均整、上下游断面形态及断 面面积接近、河床及岸坡稳定、便于指认山洪洪痕，易 于用满宁公式建立水位流量关系的断面，以及有较明 显历史洪痕，可用宽顶堰流计算水位的跨沟便桥、渡 槽等作为控制断面，并建立相应的水位流量关系，以 确定控制断面水位、复核修正水面线成果。

王府沟山洪治理工程中，按以上原则选择2+ 480作控制断面，该断面为单式河槽，底宽2．9m，口 宽14．1m，沟底纵坡1／63，沟道相对狭窄，顺直平整， 两岸为斜坡，高水控制良好。由沟道岸边台地上居 住多年老人在现场分别指认了1958年、2006年山洪 洪痕。施测该处纵、横断面及洪痕高程后，按单断面 比降法，用满宁公式计算建立了控制断面水位流量 关系，并以此为起始断面推算了水面线。

4 设计水面线推算

山洪沟道水面线可用恒定非均匀流能量方程按 分段求和法计算。水面曲线的能量方程如下：

式中：z．、 ——下游断面和上游断面的水面高程或 水位(m)；

、 — — 下游断面和上游断面的平均流速(m／ s)； — — 动能修正系数，参照《水力计算手册》推 荐的下式计算：

厂—计算河段水流的沿程水头损失(m)，按 下式计算：

= 了=

— — 计算河段水流的局部水头损失(m)。 水面曲线的能量方程为已知断面和待定断面以 水位为函数的机械能表达式，两断面水位存在着一 一 对应的关系，因而无论通过已知的下游水位或上 游水位均可试算求得未知的上游水位或下游水位， 从而达到推求水面线的目的。

计算时采用试算法在Excel中列表进行，表中 待求断面水位为自变量，面积、湿周、流速、两断面间 流段的平均水力坡度、动能修正系数等均为应变量， 只要输入试算水位、糙率、与河道地形有关的局部水 头损失系数(一般水力计算手册中均有)，即可得出 两断面比能之差。当试算水位满足水面线推算的精 度要求时，即可进行下一段计算，通常试算几次就能 满足要求。将计算公式复制在下一行，重复上述步 骤便完成整个水面线的推算，可大大提高计算精度 及速度。计算示例见表2。

表2中河道中心桩号及水位均与表1中沟道横