水闸设计中闸下水位-流量关系的计算分析

2022-09-11

1. 理论分析

天然河道过水断面极不规则, 粗糙系数及底坡沿流程都有变化, 可视作非棱柱体明渠, 采用非棱柱体明渠的计算方法来计算河道水面线。非棱柱体明渠水面线计算采用明渠恒定非均匀渐变流水面线的计算方法——逐断试算法【1】, 基本计算公式如下:

将上式微分方程写作差分方程如下:

在北方丘陵平原区, 河道断面变化较小Ad≈Au, 且同一河段中没有支流汇入Qd=Qu, 所以∆Es≈hu-hd。推导出如下公式:

天然河道底坡大多都是缓坡, 由棱柱体明渠恒定非均匀流渐变流知识:, 即水深沿流程不变, i=J。雍水曲线可近似为二次抛物线, 越向上游推算河道水力比降J越接近于河道底面坡降i, 由 (6) 式可得hu=hd。

推算河道水面线时, 下游起推水位hd有偏差∆h时, 上式 (5) 变为:

由 (8) 式知, 下游起推水位hd有偏差∆h, 会对某一河段水面线有影响, 其影响河段长度为, 不会对整个河段都有影响。

2. 工程实例

临沂市费县三和水源工程为国家烟草公司的烟草水利示范项目, 是国家烟草公司响应中央“工业反哺农业”的号召、改善农田水利设施的一项惠及当地的民心工程。新建三和水源工程位于临沂市费县胡阳镇三河庄村西北的祊河上, 左岸为胡阳镇三河庄村, 右岸为费城镇西曹家庄村, 中泓桩号为祊河20+895。其上游7km为北石沟拦河坝, 下游1km处为姜庄湖渡槽。上游1km为温凉河与浚河交汇处。根据实测资料, 现状坝址处主河槽宽约200m, 河床平均高程88.50m左右, 滩地平均高程为95.00m, 闸址附近河床比降约为1:1300。设计洪水为50年一遇, 相应设计流量为5750m3/s, 校核洪水为100年一遇, 相应校核流量为6740m3/s【2】。

河道水面线采用根据河道恒定流水面线逐断试算方法【3】编制的程序计算, 本设计采用《百图水利设计软件》, 50年一遇、100年一遇的起始推算水位按明渠均匀流计算的水位及其抬高、降低1.0m的水位分别推算, 河槽糙率为0.032, 滩地糙率为0.065, 向上游推算至闸下, 计算结果见下表:

由以上计算结果可以看出, 当起始推算水位在明渠均匀流推算水位抬高、降低1.0m时, 推算至闸下的水位相差只有0.02~0.03m, 对工程设计的影响可忽略不计, 满足设计使用要求。

3. 结语

在水闸设计中确定闸下水位~流量关系时, 起始水位不同对河道水面线的影响在一定范围内, 其影响长度与河道比降、水力坡度、假定水位与实际水位的差值有关系。在水闸工程设计中确定闸下水位~流量关系时, 将推算范围延伸至水闸下游相当长一段距离就会消除起始水位的影响。此计算方法可延伸推广到河道整治等水利工程设计中。

摘要：在水闸设计中, 确定闸下水位流量关系时, 起始水位不同对河道水面线的影响在一定范围内。文章在理论上分析推导了起推水位偏差对水面线的影响范围, 提出工程设计中将推算范围向河道下游延长相当长一段距离后, 推算的闸下水位流量关系的计算办法, 并应用于实际工程中。

关键词：水闸设计,天然河道,水位流量关系,推算范围