中国市政工程中南设计研究总院有限公司 武汉 430010
摘要：针对河道治理工程，本文应用明渠恒定非均匀流计算公式，分析计算了设计流量、河道糙率以及控制水位等推求水面线的几个重要问题，以此为基础推求30年一遇标准洪水水面线，计算出满足工程需要的成果，为河道整治提供参考。
关键词：水面线；恒定非均匀流；控制水位
1、概述
老县河是汉北河的支流，起于中心城区湾上闸，全长36.2公里，流域面积341平方公里。工程治理段为老县河周陈闸至喻家闸段，总长度约为8.4公里。通过河道清淤以及河堤防护加固，提高河道防洪能力。
2、水面线计算方法
2.1 明渠恒定非均匀流公式
天然河道水面曲线的计算是根据河道地形地貌、河道现状横（纵）断面资料和河道糙率，推求河段在某一流量下各断面处的水位值，根据水位值连出一条对应于该流量下的水面曲线。水面线计算按明渠恒定非均匀渐变流能量方程，根据沿程比降、流量、建筑物及支流汇入情况，在相邻断面之间建立方程，采用逐段试算法从下游往上游推算水面线。
水面线推算的基本公式[1，2]如下：
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式中：Z1、V1——上游断面的水位和平均流速；
Z2、V2——下游断面的水位和平均流速；
hw=hf+hj——上、下游断面之间的能量损失；
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——上、下游断面之间的沿程水头损失；
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——上、下游断面之间的局部水头损失；
ζ——局部水头损失系数，根据《水力计算手册》，断面逐渐扩大处的ζ取值为0.333，桥渡处取0.05-0.1；
C——谢才系数；
R——水力半径；
α——动能修正系数。
2.2桥墩壅水
《公路桥位勘测设计规范》规范中的桥墩壅水计算公式[3，4]为：
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——与河段特征及河滩路堤阻挡流量和设计流量的比值有关的系数；
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——桥下平均流速（m/s）；
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——断面平均流速（m/s）。
3、水面线计算
3.1 基本资料
1、设计流量
根据《湖北省应城市城乡总体规划（2013-2030年）》和《防洪标准》（GB50201—2014），结合应城防洪实际，汉北河、府河、大富水为 50 年一遇防洪标准，其它河流、水库和湖泊为 30—50 年一遇防洪标准。因此，老县河主河道防洪标准为30年一遇。本文根据湖北省水利电力设计院编制的湖北省水文要素等值线汇编资料及《湖北省暴雨径流查算图表》计算控制断面周陈闸、横六西路、喻家闸30年一遇设计流量分别为107.9 m3/s、118.5 m3/s、125.1m3/s。
2、断面资料
本次现状水面线推求采用实测现状断面资料进行推求；设计水面线推求采用设计断面进行推求。
3、河道糙率
在设计高水位情况下，河道横断面为复式断面，滩地多为杂草树丛等，横断面可分为主槽及滩地两部分，下部主槽部分粗糙系数取0.025，滩地及上部护坡部分采用0.03。
4、控制水位
由于老县河河段上无水文测站，因此缺乏控制断面水位流量关系曲线。根据老县河洪水与大富水的遭遇分析以及夹河沟泵站、喻家节制闸汛期调度预案，上游北十闸、倒口闸、喻家横河闸等均存在抢排能力。
确定老县河下游喻家闸为推算水面线的控制断面，其设计水位作为控制水位进行河道现状及设计水面线计算。将老县河喻家闸以上看作一个水库，老县河上游来水作为入流，上游一定水位一定时段内闸的抢排能力和夹河沟泵站的提排能力作为出流，进行调洪演算。
根据夹河沟泵站及喻家节制闸调度规程，老县河蓄排涝演算按以下原则及控制水位进行。
①起调水位的确定
按照分区排水的原则，根据应城县防办确定的喻家节制闸调度方案，喻家节制闸闸前水位达到29.6m（吴淞高程），且上游仍有来水或继续下雨，开启节制闸。开闸流量，一是保证夹河沟泵站的开机承受能力，二是保证节制闸以下老县河堤防安全。
因此，拟定喻家闸抢排最高运行水位为29.6m（吴淞高程），即超过29.6m时，开启喻家节制闸，由夹河沟泵站提排内涝洪水入汉北河。拟定喻家节制闸前起调水位为29.6m（吴淞高程）。
②各闸泄流能力曲线
按起调水位29.6m（吴淞高程），此水位时北十闸、倒口闸、喻家横河闸均可开闸抢排。考虑老县河与大富水遭遇的几率很高，抢排时过闸能力均按闸孔淹没出流计算。
③夹河沟泵站排水流量
根据调度原则，夹河沟泵站必须先排除喻家节制闸以下农田的涝水，在确保下游堤防及泵站安全的前提下，控制喻家节制间开度下泄上游洪水。夹河沟泵站设计排水流量51m3/s。
④蓄泄演算
根据确定的起调水位29.6m（吴淞高程）以及各闸的泄流能力曲线、泵站的排水流量，对30年一遇的设计洪水调蓄计算，确定喻家节制闸闸前最高水位。
调度原则：
A、当闸前水位低于29.6m（吴淞高程）时，喻家节制闸关闭，仅北十闸、倒口闸、喻家横河闸抢排泄洪；
B、当水位高于29.6m（吴淞高程）后，如果大富水水位低于北十闸、倒口闸、喻家横河闸处内河水位，适时抢排：同时开启喻家节制闸，控制闸门开度使节制闸泄流量小于夹河沟泵站设计排水流量，由夹河沟泵站提排老县河洪水入汉北河。
通过调蓄演算，现状排涝闸规模情况下，老县河喻家闸处三十年遇洪水位现状情况为28.15m（黄海高程）。
3.2水面线计算成果
老县河现状水面线和设计水面线计算成果如下表所示。
表1 老县河水面线计算成果
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4、小结
河道水面线计算是河道治理的重要内容，本文通过明渠恒定非均匀流计算水面线，主要结论如下：
（1）水面线计算与设计流量、糙率以及控制水位等关键问题相关，需着重分析确定。
（2）河道清淤能够增大河道行洪断面，对河道的行洪是有利的；河道清淤后，河道水面线有所降低，最大降幅达9cm。
（3）水面线计算成果可复核堤防是否满足防洪要求，并根据计算结果对堤防进行加固。
参考文献：
[1]李炜.水力计算手册（第二版）[M].北京：中国水利水电力出版社，2006.
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