周 毅

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，甘肅蘭州730000）

0 引言

河道內(nèi)水水深、流速等參數(shù)，是河道防洪中必須計算的水力學(xué)要素，是確定河道防洪護(hù)襯高度、強(qiáng)度的必須要素。

發(fā)洪水時，河道中的流量、水深、水位等均隨時間而變，形成的是非恒定流，一般怱略降雨小匯入的影響，簡化為量大洪峰流量下的恒定流。對于縱坡較陡、地形較復(fù)雜的溝道，排洪渠橫斷面的幾何形狀尺寸可沿流程改變，在進(jìn)出口、縱坡變化處，渠底坡、水面線、總水頭線等彼此互相不平行，因此洪水形成的水流為非均勻流。非均勻流水面線的計算，需確定初始流速，需采用分段試算確定，計算過程繁瑣，采用計算機(jī)程序計算，也需要分段計算多次。另外，為了得到初始流速，需要加測治理段上游的斷面，工作量較大。因此，對于采用較為均一的排洪溝或排洪渠，是否可近似采用明渠均勻流計算，以簡化所需資料和易得出接近實用的計算結(jié)果，從而縮短該類河道防洪工程的設(shè)計過程，是非常必要的。

1 工程實例

以舟曲縣城發(fā)生特大泥石流的三眼峪溝道為例。三眼峪溝位于舟曲縣城城關(guān)鎮(zhèn)北部，處于白龍江北岸中、高山區(qū)，流域內(nèi)最高海拔3 789 m，最低處為白龍江河床，海拔1 350 m，相對高差2 439 m，山勢由北向南傾斜，山峰林立，溝谷切割強(qiáng)烈。三眼峪溝流域面積24.1 km2，溝道長度9.7 km，河道比降14%，溝道治理段位于出山口至白龍江，出山口處比降大，下游段略緩，三眼峪溝治理段長2.247 km，平均比降1/11.4。

1.1 設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《城市防洪工程設(shè)計規(guī)范》，三眼峪溝道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇洪水，對應(yīng)的清水洪峰流量為97.3 m3/s。

1.2 溝道治理設(shè)計

排洪溝道出山口以下段均設(shè)計為排洪明渠，總長2 247 m，其中進(jìn)口八字墻段長32 m，排洪渠長2 215 m。排洪明渠是在救災(zāi)應(yīng)急開挖斷面的基礎(chǔ)上修建的，縱坡大致為應(yīng)急開挖的縱坡，三眼峪排洪明渠縱坡為1/5.7～1/27.2，平均縱坡1/11.4（8.8%），溝道坡度很陡。因排洪渠坡度陡、流速大，設(shè)計采用了渠底砌成臺階狀的減速方案，渠底漿砌石每1.0～1.5 m設(shè)一臺階，臺階高0.1～0.15 m，渠底臺階大樣見圖1。

圖1 渠底臺階大樣圖（單位：cm）

排洪渠斷面為梯形，三眼峪渠道底寬6 m～10 m，渠深2.1～2.5 m，渠坡為1∶1.25，渠口寬11.25～16.25 m。排洪渠道采用M10漿砌塊石襯砌，渠底厚0.6 m，邊坡厚0.45 m，堤頂采用現(xiàn)澆C20混凝土壓頂，寬0.8 m，厚0.3 m。其斷面見圖2所示。

圖2 三眼峪排洪明渠典型橫斷面圖（單位：cm）

2 排洪渠水力計算

2.1 明渠恒定非均勻流

排洪渠縱坡大于臨界縱坡，縱坡底部設(shè)計為臺階狀，水流屬急流，采用明渠恒定非均勻流計算方法，分段推求水深、流速的方法進(jìn)行水面線推算。

2.1.1 計算公式

采用渠道恒定漸變流逐段求水深計算方法進(jìn)行水面線推算，先給定各斷面位置，再從控制斷面起，從控制斷面出發(fā)逐個地計算出下個斷面水深。設(shè)已求出斷面P的水深hp，且斷面間距Δsp已知，要求斷面P+1的水深hp+1,則可由下列方程計算出所有斷面的水深。

該方法需要求解hp+1的非線性方程，對棱柱形渠道和非棱柱形渠道都適用。現(xiàn)在該方法多用計算機(jī)求解，但需給出初始水深和流速。根據(jù)程序要求，斷面的間距選取10 m以下，該工程計算取10 m左右，急流和水深接近臨界水深的情況，取小些精度較高。

2.1.2 程序說明

該計算采用WTSF(棱柱形渠道恒定流水面曲線)計算程序分段計算。該程序適用于采用給定斷面位置求水深的解法，斷面間距取為等距的；各斷面的待定水深，以及正常水深、臨界水深用二分法求解。程序運(yùn)行流程見圖3所示。

2.1.3 三眼峪山洪溝道排洪渠計算參數(shù)

圖3 程序運(yùn)行流程圖

以三眼峪為例計算。渠道總長2 215 m，計算分段數(shù)N=24，設(shè)計流量Q=97.3 m3/s。根據(jù)不同底坡i分段計算，邊坡系數(shù)(若坡角為α，即為ctgα)m=1.25，底寬(m)b=6～10 m，糙率n=0.035；初始流速根據(jù)出山口實測斷面。采用曼寧公式計算該斷面的水深和流速，其水深為1.8 m，流速6.55 m/s，將該水深、流速作為排洪渠道的初始流速，進(jìn)行分段計算。

2.1.4 計算結(jié)果

初始水深、流速按進(jìn)口斷面采用實測斷面估算為水深1.8 m，流速6.55 m/s。輸入初始值后，經(jīng)計算機(jī)程序運(yùn)行計算，結(jié)果表明，以后的水深小于1.8 m，表明進(jìn)入排洪渠后，水流加速，水深減小，再以后每段的初始時，水深、流速不穩(wěn)定，到一定流程后，水流趨于穩(wěn)定，水深、流速沿程不變。計算結(jié)果見水力計算結(jié)果表。

2.2 明渠恒定均勻流

排洪渠的水流恒定，流量沿程不變，明渠為長直的棱柱形槽，底坡沿程不變，且渠中沒有影響水流的建筑物，底坡均為順坡；溝道治理排洪渠底部有小臺階，在流量較大時，小臺階渠底形成掠面流，起到增大糙率的作用。因此該排洪渠形成的掠面流可以采用明渠恒定均勻流公式計算渠道的水深、流速等水力要素。

2.2.1 計算公式

式中：Q——設(shè)計流量，m3/s；

A——過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

R——水力半徑，m；

n——糙率；

i——渠底縱坡。

2.2.2 程序說明

明渠均勻流也是試算的過程，現(xiàn)已有計算機(jī)程序可讓人使用，也可以采有EXCEL表格計算。該工程采用甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院開發(fā)的“明渠均勻流水深及流量計算V2.0.1版”計算。該程序在甘肅省水利水電設(shè)計院內(nèi)作過鑒定，并多年在設(shè)計中使用。

2.2.3 三眼峪山洪溝道排洪渠計算參數(shù)

三眼峪設(shè)計流量Q=97.3 m3/s，底寬(m)b=6～10 m，邊坡系數(shù)m=1.25；對于糙率n，考慮排洪渠底小臺階的加糙和摻氣作用，其糙率取n=0.035。

2.2.4 計算結(jié)果

按不同縱坡分段計算，水深為1.18～1.35 m，流速為6.44～11.13 m/s。在相同縱坡的同一段內(nèi)水深、流速一定，該結(jié)果不能反映兩段之間的水深變化過程，計算結(jié)果見水力計算結(jié)果表。

3 結(jié)果對比

兩種方法計算的部分渠段結(jié)果列于表1。

表1 水力計算結(jié)果對比表

（1）對比兩方法的計算結(jié)果，按非均勻流計算，三眼峪流速6.455～10.942 m/s，與明渠均勻流計算的結(jié)果6.44～11.13 m/s非常接近，因此該工程可以采用明渠均勻流進(jìn)行簡化計算。

（2）分析明渠恒定非均勻流計算結(jié)果，在每同一縱坡渠段，從每段起點至前40 m，水流不穩(wěn)定，流速有一定變化；40 m～120 m之間，流速變化變小，水流基本趨于穩(wěn)定；當(dāng)渠道長度超過120 m后，水深和流速沿程不變，形成明渠恒定均勻流。初始出山口斷面的初始流速對于120 m以后的渠段流速沒有影響，當(dāng)水流在同一縱坡渠段流程超過120 m后，形成明渠恒定均勻流，水深、流速沿程不變。

（3）對于同一縱坡長度小于120 m的渠段，兩計算結(jié)果有差異，均勻流計算的流速大于非均勻流。通過計算分析，如長度較短、縱坡較陡的渠道，不完全滿足明渠恒定均流的條件，但在實際工程應(yīng)用中，計算結(jié)果精度要求不高，采用明渠均勻流進(jìn)行簡化計算，完全可以達(dá)到實際應(yīng)用的效果，具有工程實用價值。

4 結(jié)語

明渠恒定均勻流采用計算機(jī)EXCEL表格或采有現(xiàn)有程序，每一段內(nèi)計算一次，計算簡便、實用；明渠恒定非均流計算過程復(fù)雜，同一縱坡內(nèi)，仍需要分很多段計算，需要輸入起始段的參數(shù)，第二段起始數(shù)即為第一段末的數(shù)據(jù)，盡管采用程序計算，但仍比較煩瑣，實用性差。

工程中常遇到不規(guī)則河道、渠道中的陡坡等工程，不符合明渠均勻流的計算條件，但要采用非均勻流計算又十分繁瑣。本文通過兩種方法的結(jié)論對比分析，認(rèn)為在一般的河道治理、防洪、渠道中的陡坡等工程，在初步確定斷面、水深、流速時，完全可以采用明渠恒定均勻流進(jìn)行水力計算，以初步確定相關(guān)的水力要素，進(jìn)而初步擬定斷面尺寸，可以明顯提高設(shè)計效率。