中图法分类号: TV133 文献标志码: A 文章编号: 1001 - 4179 (2010) 11 - 0044 - 03
Ana lysis on ca lcula tion of flood tide wa ter surface prof ile of island channels
YANGMingyun, HU Jun,WANGWei
Abstract: In order to imp rove ability of p reventing flood tide hazard in coastal areas, regulation of island channels is needed. Therefore, we p ropose the thoughts and methods for calculating water surface p rofile of island channel. According to the steady non - uNIform flow equation for an open channel, we calculate the water surface p rofile from two outlets to the flow diversion node in the middle of the channel. The results show that calculated water surface p rofile is lower at the two ends and slightly higher at the middle and the water level canmeet the surface filling requirement. Themethod is feasible and can p rovide reference for similar calculation of island channels in which the flows are diverted to the two ends.
Key words: flood tide; water surface p rofile; calculation analysis; island channels
沿海地区频遭洪潮夹击,洪潮灾害往往具有季节性、突发性强的特点,且发生频率高,受灾范围广,灾害持续时间长,受灾强度大。为了保证沿海地区经济的发展,需要对岛屿的排洪河渠进行整治,以提高沿海地区岛屿防御洪潮灾害的能力。水面线的推算对于确定沿海河渠防洪潮规模起着至关重要的作用。
一般的沿海河渠,山洪多自上游向下游排水入海,岛屿多面临海,内部排水渠汇水后有多个出口排水入海。对有主排水河(渠)的地区,主排水口分别位于河渠的两端,水面线呈中间高、两端略低的趋势。本文针对沿海地区岛屿河渠两边分流的特点,提出了岛屿河渠水面线推算的思路和方法。
1 水面线推算原理
天然河道水面线计算严格来说是非恒定流问题,但在工程实际中,一般按照恒定流来考虑,计算依据的基本方程式为明渠恒定非均匀渐变流方程[ 1 ] :
式中, Z1 , Z2 分别为计算河渠下游断面和上游断面的水位; hf , hj 分别为沿程损失和局部损失;α1 ,α2 分别为下游断面和上游断面的流速修正系数; v1 , v2 分别为下游断面和上游断面的流速; g为重力加速度。
2 岛屿河渠水面线推算
岛屿河渠水面线可从河渠两端出口分别向中间分流节点推算,试算至汇合点处水位互相衔接,即可得出某一特定工况下的分流比及相应的水面线,从而确定出河渠设计规模。
图1是岛屿河渠水面线推算过程示意图。在天然河道水面线推算方法的基础上,首先假定一个汇合点,汇合点确定后即可确定出各断面排洪流量,再结合两侧水面线推算的相关参数,从两侧出口分别向假定汇合点推算水面线,获得水面线1与水面线2的推算结果;然后比较所推算得到的两侧水面线在汇合点处的水位,如果互相衔接,则试算成功,若衔接不成功,则需要重新调整初始假定的汇合点,再确定各断面排洪流量,并进行水面线的推算,直至最终汇合点处的水位衔接成功,方可确定水面线推算成果。
3 实例分析
基于前述岛屿河渠水面线推算过程,以湖北省水利水电勘测设计院设计的一条排洪渠工程某一特定工况为例, 分析沿海地区岛屿河渠水面线推算参数的确定及推算方法。
图1 岛屿河渠水面线推算过程示意
排洪渠位于珠海市南部一岛屿中部,东西走向,全长约8 km,两端各有一出口通向大海。该排洪渠排洪系统总汇水面积29. 7 km2 ,其中山地面积12. 5 km2 ,规划山体排洪按照等高截流、分别排放的原则,分由9条排洪支渠排入岛中主沟,其中沟北设4条排洪支渠,沟南设5条排洪支渠,每个排洪系统由山脚截洪沟和排洪渠组成。山地以外的地区为平原区,现多为水面养殖,规划填筑后进行开发利用。区内雨水经管网收集后分散、就近排至排洪渠。根据地面填筑高程,要求排洪渠设计标准内最高蓄涝水位不超过3. 2 m。
3. 1 水面线推算参数确定
(1) 渠道纵横断面。主沟两端出口断面底高程同为- 2. 0 m,汇合点断面底高程为- 0. 5 m。本文将主沟断面形式初拟为矩形,出于景观要求,沿程渠宽相同。根据相关规划,排洪支渠及跨渠桥梁位置见图2[ 2 ] 。
图2 排洪支渠及跨渠桥梁位置示意
(2) 设计流量。除排洪支渠外,沿程汇入主沟的洪水总洪峰流量为377 m3 / s,按主沟长度平均分配,根据假定的不同分流控制断面,计算沿程流量。支渠离东出口距离及流量见表1。
(3) 起始断面及水位。以主沟东、西出口为推算水面线起始断面,因主沟东、西出口处同一海平面,故起推水位依据洪潮遭遇分析结果,均确定为2. 78 m。
(4) 设计糙率。根据设计要求,为减小过流断面和便于清淤,主沟渠底拟采用混凝土衬砌,出于生态景观需要,常水位以上的渠坡宜采用生态护坡,因此综合糙率取为0. 03。
(5) 局部水头损失。排洪渠宽且水流缓慢,桥梁局部水头损失取0. 02 m。
表1 排洪支渠离东出口距离及流量
3. 2 水面线推算
根据上述水面线推算参数,按单一河道恒定非均匀流公式推算水面线[ 3 - 4 ] ,成果列于表2及图3。
表2 主沟排洪渠水面线推算成果
图3 主沟水面线
3. 3 成果分析
由上述水面线成果可以看出,由于主沟西段排洪支渠较多,东、西段来水流量的比例为0. 43 ∶0. 57,来水偏于西出口,在沿程断面宽度不变的情况下,分流节点同样偏向于西出口,将主沟西侧的来水分流一部分到来水较少的东侧, 东、西出口流量相应调整为0. 46∶0. 54。排洪渠水面线呈两边低、中间略高的趋势,水位满足地面填筑要求。
4 结语
随着社会经济的飞速发展,沿海地区城镇化进程的加快,防御洪潮灾害的要求更高,需要对现有河渠进行综合整治,合理的水面线计算对于确定工程规模起着至关重要的作用,本文对于两边分流河渠提出了推算水面线的思路和方法,得到了计算实例验证,可供同类计算参考。
参考文献:
[ 1 ] 李炜. 水力计算手册(第二版) [M ]. 北京:中国水利水电出版社,2006.
[ 2 ] 张阿龙,刘鑫. 沿海地区洪潮遭遇分析[ J ]. 黑龙江水利科技,2006, (4) : 44 - 45.
[ 3 ] 郭世兴. 水面线计算中值得商榷的几个问题[ J ]. 陕西水利水电技术, 2006, (1) : 30 - 32.
[ 4 ] 潘玉敏. 烽火角水系设计洪潮水面线计算分析[ J ]. 广东水利水电, 2004, 4 (8) : 58 - 60.
作者简介:杨明云,女,工程师,主要从事水资源规划工作。
