李广永1 李有成2 王金和3 刁友鹏4
（青州市水利事业发展中心 山东 青州262500）
【摘要】水面曲线推算广泛应用于防洪、灌溉、排涝等明渠建筑物设计与施工中，是确定调整设计岸墙高度的重要依据。本文主要探究龙虎水库溢洪道岸墙加固设计中运用水面曲线计算理论解决实际工程问题的方法和路径。
【关键词】水面曲线；非棱柱体；恒定流能量方程
1 应用背景
龙虎水库位于青州市城区北部, 北阳河中游，控制流域面积67.5km2，始建于1958年，总库容163.45万方,为小(一)型水库,设计防洪标准为30年一遇,校核防洪标准为300年一遇，设计最大下泄流量701m3/s。溢洪道控制段设5孔闸控制，总净宽20m，溢洪道直穿钟家庄而过，泄槽段长180m。2018年受台风“温比亚”影响,该镇遭遇百年不遇的暴雨洪水,水库汇流区域最大24小时降雨量平均达到251.2mm,造成溢洪闸超标准下泄，最大下泄流量达740 m3/s，水位超越岸墙下泄导致部分溢洪道坍塌，进一步阻塞行洪, 影响大坝安全，县政府立即启动防汛应急预案，组织两岸群众紧急转移，在溢洪道两岸设立了安全警戒线。同时组织抢险机械立即清除阻塞，有效确保了溢洪道安全行洪和大坝安全。
事后，在市委市政府统一安排下，市水利局成立了项目法人对龙虎水库溢洪道进行除险加固，项目法人委托了具有水利资质的设计院进行设计，设计院提出了溢洪道加固初步方案，鉴于溢洪道实际深度平均超过原岸墙2m的实际情况，采取了在保持原溢洪道宽度基本不变，尽量少拆迁居民区的原则，提高岸墙高度以增大下泄流量的方案，将溢洪道下泄流量提高到740m3/s，同时对大坝防洪安全进行了复核。为确保岸墙稳定初拟溢洪道衬砌断面为钢筋混凝土“U”型槽，每段平均长为20m。但在具体确定岸墙设计高度时遇到了一个棘手问题，即溢洪道平面布置受地形影响宽度沿程变化较大，有个别段还存在急缩急扩的情况，本次在平面重新布置时对这种情况采取了较大调整，以尽量减少过水断面急缩急扩的情况，改善水流条件，按照规范要求，岸墙高度确定须按非棱柱体水面曲线推求方法进行，但计算过程中按照分段计算方法，有的区段出现无计算结果或计算结果与实际情况不符，项目法人组织设计、监理、施工单位的技术人员座谈，决定按照水面曲线推算的能量方程，利用计算机编程解决这一技术难题，并对计算结果进行反复论证，进行合理性分析，最终得以解决。
2 水面曲线推算理论依据
2.1 基本假定
水面曲线计算的基本假定条件是计算水流为恒定流，即假定水流的流量沿程恒定不变。
恒定流又分为均匀流和非均匀流，工程实际运用中均匀流情况很少见，一般在长而直的棱柱体断面设计中会用到，比如各级灌溉和排涝明渠和本例的溢洪道泄槽断面设计。而运用最多的是非均匀渐变流，本文主要讨论非均匀渐变流水面曲线推算。
2.2 非均匀渐变流基本微分方程
ids = dh + (α+ζ)d(v2/2g) + (Q/K)2ds
式中，i为明渠底坡度，ds为沿水流方向微流段长，dh为对应微流段水位增量，α为横断面流速不均匀系数，ζ为沿程局部水头损失系数，d(v2/2g)表示微流段内流速水头的增量，Q为设计流量，K为流量模数，K=AC√R，A为过水断面积(m2)，R为水力半径(m)。
3 龙虎水库溢洪道水面曲线计算运用
3.1 计算所需资料
非均匀渐变流的水力要素是沿程变化的，龙虎水库溢洪道符合非均匀渐变流的计算条件，可以运用上述公式进行计算，计算前须准备以下资料：
1、设计流量Q(m3/s)；
2、溢洪道平面布置图，详细反映沿程宽度变化；
3、溢洪道纵断面图，详细反映沿程设计底坡降变化；
4、溢洪道分段横断面设计图，详细反映断面宽、高度，断面边坡，根据衬砌形式确定糙率；
3.2 计算步骤
首先，根据提供的初步方案资料进行合理分段，并将各段计算水面曲线所需水力要素列出一览表，见下表所示：
.png)
由于溢洪道采用钢筋混凝土衬砌，查有关渠道和河道糙率表，选取糙率为0.012。
采取自上而下分段计算设计水深，然后加掺气水深和安全超高，确定溢洪道衬砌边墙高度。
在每一段计算中，又分各小段按分段求和法计算，由于底坡降较大，水流流态为急流，棱柱体过水断面的水深总趋势应呈下降趋势，但对于底宽变化的非棱柱体过水断面则不同，但依然可以按照非均匀渐变流基本微分方程求解。
3.3 控制水深计算
龙虎水库溢洪闸出口为消力池，消力池外接一段10m长平坡后为泄槽K0+000，控制水深采用K0+000断面的临界水深hk，按梯形过水断面计算hk=4.052m。
3.4 计算成果与断面调整
按照第三段K0+120至K0+150，底宽自14.3m渐变至9.5m，经多次计算都是无解，故应调整K0+150断面底宽，底宽调至11m时仍无解，最终调整至底宽为12m,经计算K0+120至K0+150水面曲线水深计算结果如下表所示：
.png)
.png)
3结语
运用水面曲线计算理论解决工程实际问题时，要深刻把握计算参数的物理学意义，发现无解的情况，应当进一步优化溢洪道泄槽断面设计，及时调整底宽宽度，认真分析论证计算成果的合理性，最终确定设计方案。