勉縣漾家河溫泉鎮(zhèn)段防洪工程水面線計算

吳小妮 蒲正中

（漢中市水利水電建筑勘測設計院 陜西 漢中 723000）

1 工程地理位置

勉縣漾家河溫泉鎮(zhèn)段防洪工程位于勉縣縣城東南溫泉鎮(zhèn)，距縣城15km，北臨漢江，南接鎮(zhèn)川鄉(xiāng)，東連金泉鎮(zhèn)，西與元墩鎮(zhèn)接壤。工程起始于上游檔口寺（左13+800，右14+450），左岸終止于郭家灣村河道分洪口處（左+16+679），右岸堤防終點為分洪口下游右17+720，河道治理長度3.8km。

2 工程河段地形條件復雜

工程河段為漾家河河口地段，距入漢江河口約5km，灘涂眾多，彎道多、比降小。1979年當?shù)卣畬υ摱魏拥肋M行了裁彎取直治理，在原河道左岸人工開挖、疏浚一條新河道，在新老河道之間形成了一個河心島。

工程區(qū)河道左岸有天堰灌區(qū)凈水堰引水樞紐，左15+800處為凈水堰引水樞紐攔河壩。

凈水堰下游700m，樁號左16+679處，該處距漢江直線距離僅2km，歷年來河水多次在此沖出缺口，洪水在此分為兩路，一路從此缺口匯入漢江，另一路沿漾家河原河道，流經(jīng)約5km，于入漢江河口匯入漢江，為減輕下游入河口段河道防洪壓力，當?shù)卣畬θ笨谶M行修整，形成分洪口，在分洪口處設計漿砌石實用堰。分洪口修建完善后，漾家河發(fā)生較大洪水時，部分洪水從該處流入漢江，有效緩解了下游河段的防洪壓力。

3 問題的提出

工程區(qū)內(nèi)灘涂眾多，河道中心樁號0+925～1+868段有一河心島，該河心島較寬，最寬處達180m，最高處高出河床約3m，河心島規(guī)模較大增加了該段水面線計算難度，采用綜合糙率計算該段水面線，已不太合適。樁號左16+679處有一處分洪口，由于分洪口為自然缺口，后經(jīng)當?shù)厮块T略加修繕而成，河道不同水位時分洪口過流能力不明，致使洪水時分洪口下游河道流量未知，給分洪口下游約5km河道水面線計算帶來困難。本文主要針對以上兩問題，結(jié)合該河段防洪標準（20年一遇洪水1425m3/s），提出解決方法。

4 水面線推算

4.1 基本資料

計算資料為2006年5月實測的8條河道橫斷面，2010年12月的12條河道橫斷面以及本次補測的2條，河心島上游斷面間距為150m～200m；河心島處斷面間距約為150m；河心島以下斷面間距均為100m。

2010年“7·16”洪水期間，漾家河元墩站實測最大洪峰流量1130m3/s，采用水文比擬法計算出工程區(qū)洪水為1300m3/s，本次選用這次洪水推算河道現(xiàn)狀水面線，并用洪痕分析驗證現(xiàn)狀水面線，選取合適的河道天然糙率。對于河心島段水面線計算，經(jīng)反復查閱資料比選，初步選定1980年版《水力計算手冊》中，復式斷面河道水面線逐段試算法，該方法主要解決了兩方面問題。

（1）解決了灘地較大時，沿灘地和主槽量取的兩河道大斷面間距離相差較大，如何選擇的問題。對于灘面較寬，尤其在彎道段有較寬灘面時，本方法采用灘地和主槽量取距離比值的平方修正灘地糙率，以主槽間斷面距離作為該河段距離進行水面線推算。

（2）解決了灘地和主槽水力要素相差較大問題。對灘地和主槽分別根據(jù)各自水力要素計算流量模數(shù)，將分算出的流量模數(shù)求和，作為該斷面的流量模數(shù)，由該流量模數(shù)計算水力坡度，進而計算出兩斷面間水頭損失，推算河道水面線。

對于分洪口下游河道，由于流量未知，且上游段有與之地形條件相似的段落，故在擬合水面線時，可先不對該段進行擬合，采用相似段落糙率作為該段糙率。

通過擬合計算確定，現(xiàn)狀主河槽糙率采用0.032，河心灘地糙率根據(jù)灘面大小和植被情況采用0.06～0.076，河道兩岸灘地根據(jù)兩岸植被情況，植被為高大喬木段糙率采用0.07，植被為農(nóng)田及低矮灌木段糙率采用0.05。

4.2 建堤后河道水面線

4.2.1 分洪口以上河道水面線計算

根據(jù)確定的糙率、控制斷面（實測河心島下游處10＃斷面）的水位～流量關系曲線和實測的橫斷面資料，首先計算各個斷面的水力要素，然后采用前述確定的計算方法，以河心島下游處10＃斷面作為起算斷面，在該斷面的水位～流量關系曲線上查出相應設計洪水流量的水位為起算水位，向上、下游推求各斷面的設計洪水位。

根據(jù)實際踏勘及歷史洪水資料，修堤后主河槽糙率采用0.032，由于本次河道不進行疏浚，河心灘地糙率仍采用建堤前糙率，河道兩岸灘地根據(jù)兩岸植被情況，植被為高大喬木段糙率采用0.07，植被為農(nóng)田及低矮灌木段糙率采用0.035～0.045。

當洪峰流量Q5%=1425m3/s，10＃斷面對應天然水位為541.78m，向上、下游推求各斷面的設計洪水位。分洪口以上水面線計算結(jié)果見表1。

4.2.2 分洪口以下河道水面線計算

分洪口以下水面線計算考慮側(cè)堰的分流作用，20年一遇洪水時側(cè)堰首端水位為541.20m，此處需計算分洪口分出的流量、分洪口末端16＃斷面水位。

側(cè)堰段堰后側(cè)槽中水流是橫向進流縱向出流，河道內(nèi)及側(cè)槽中縱向水流是在重力作用下由上游流向下游，橫向水流也是在重力作用下由河道內(nèi)通過側(cè)堰流向堰后側(cè)槽，槽內(nèi)水流為恒定不均勻遞增變量流。

該分洪口處側(cè)堰長120m，堰前水位為河道水位，堰的布置為：堰頂長度方向與河道主流平行。因此，沿堰長方向，堰頂水頭是逐漸減小的?，F(xiàn)有的側(cè)堰水力計算公式是用側(cè)堰首端水頭代替整個側(cè)堰水頭，采用堰流公式進行計算，對于側(cè)堰堰長較短情況，這種計算可以適用，但是對于堰長為幾十米甚至一二百米的情況，這種計算方法誤差較大。本工程分洪口堰長120m，分洪口流量計算已無法按此種方法進行。目前，對于長側(cè)堰水力計算還沒有明確的方法，僅有一些初步分析和探討，還不能應用于工程實踐中，本文針對本工程的實際情況，用側(cè)堰中點（15＃斷面）水頭代替整個頂水頭，繪制側(cè)堰水位流量關系曲線，計算出不同水位時側(cè)堰過流量。

表1 P=5%水面線計算成果表

表2 P=5%水面線計算成果表

分洪口下游河道水面線計算較復雜，首先需在滿足堰首端、中點、末端水位幾何關系的前提下，滿足河道下游流量與分洪口分出的流量之和等于設計洪峰流量，另外，還需要計算在該流量下，由下游向上游推算的該段河道水面線能否和分洪口末端水位銜接，如果能銜接，說明下游河道流量及下游水面線正確，如果不能銜接，需重新進行流量分配和水面線計算，計算中涉及流量和水面線兩個試算過程。由于該計算過程復雜、繁復，為便于實際操作，現(xiàn)將該試算歸納為以下幾個步驟：

（1）取堰中點15＃斷面和堰末端16＃斷面，15＃斷面處水位作為整個側(cè)堰的平均水位，按堰流公式和曼寧公式分別計算出側(cè)堰和16＃斷面不同水位的流量，繪制出側(cè)堰和16＃斷面的水位～流量關系曲線。

（2）假設末端16＃斷面水位H2，內(nèi)插計算出15＃斷面處堰頂水位H1，由側(cè)堰水位流量曲線圖查出15＃斷面流量Q1，將16＃斷面流量Q2和查出的側(cè)堰流量相加。

（3）重復步驟（2）直到16＃斷面流量Q2和相應水位的側(cè)堰流量Q1疊加值等于設計洪峰流量Q，即可得出設計洪峰流量時側(cè)堰分流量Q1，側(cè)堰下游主河槽的流量Q2。

（4）以河道下游大橋處22＃斷面為起始斷面，以下游主河槽流量Q2，向上游推算水面線，推至16＃斷面，推出16＃斷面水位H3

（5）將推出的16＃斷面水位H3與假設的16＃斷面水位H2進行比較，如果兩個值不相等，重復步驟（2）（3）（4）步驟，直至推出的16＃斷面水位H3與假設的16＃斷面水位H2相等，即可得出堰頂水位H1、流量Q1，下游流量Q2和下游水面線。

計算結(jié)果見表2。

經(jīng)計算，20年一遇洪水時，當堰頂15＃斷面水位為540.69m時，堰頂分流515.91m3/s，下游流量909.1m3/s，計算的堰下游16＃斷面水位540.18m，以22＃斷面作為控制斷面推求分洪口以下段河道水面線，流量909.1m3/s，水位539.10m，由22＃推算至16＃斷面，推算的16＃斷面水位為540.21，推算的16＃斷面水位與計算的16＃斷面水位相差0.03m，故此結(jié)果為堰和下游河道的水位、流量及水面線。

5 結(jié)語

該工程于2012年11月經(jīng)陜西省水利廳批準建設，2013年12月完工。河道水面線的推算受河段糙率、比降等諸多因素影響，對該段復雜河段河道水面線的推算，需在工程實踐中進一步檢驗其正確性。