趙國(guó)良，倪 川

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430019）

目前，隨著水資源開發(fā)利用的程度的加大，水利工程建設(shè)項(xiàng)目也逐漸增多， 往往城市河道上的泄流設(shè)施布置密集。這就要求工程建設(shè)應(yīng)結(jié)合實(shí)際，綜合考慮防洪標(biāo)準(zhǔn)、投資額度、上下游防洪安全等因素，采用科學(xué)方法組織工程建設(shè)。因此，本文提出采用試算法來(lái)驗(yàn)證復(fù)雜泄流設(shè)施過(guò)流能力， 為工程建設(shè)提供有效的計(jì)算途徑。

1 工程概況

工程項(xiàng)目位于四川省內(nèi)江市資中縣重龍鎮(zhèn)東林壩片區(qū)谷田河流域出口入沱江處， 其建設(shè)意在滿足谷田河20 年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)增強(qiáng)東林壩片區(qū)的親水性、景觀性及娛樂(lè)性。

資中縣城北水系由3 條主要河流組成， 東北側(cè)烏龜山水庫(kù)溢洪道至茨菇橋村三社 （叫花巖水庫(kù)溢洪道前）為永興河，叫花巖水庫(kù)溢洪道至沱江段為谷田河。城區(qū)西側(cè)狀元街旁雨污水合流渠道為廣義河，廣義河與谷田河在縣醫(yī)院迎賓橋路口匯合， 穿過(guò)東林壩片區(qū)排入沱江?？h醫(yī)院以下谷田河改道后，廣義河的水通過(guò)老谷田河的箱涵排出，在水位較高時(shí)，廣義河的水通過(guò)新谷田河排入沱江。

2 水文條件

項(xiàng)目流域內(nèi)徑流由降雨形成， 其年內(nèi)變化與降雨的年內(nèi)變化基本一致。 據(jù)鄰近的濛溪河元灘灣水文站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均徑流深280.8 mm，6—9月為汛期，占年徑流的81.0%，其中7—8 月為主汛期，占年徑流的55.7%，12—4 月為枯水期，占年徑流的5.5%。 徑流年際變化較大，最大年徑流約為最小年徑流的47 倍。 與濛溪河流域?qū)偻粴夂騾^(qū)，流域自然地理?xiàng)l件也基本一致。據(jù)此項(xiàng)目流域直接移用濛溪河元灘灣水文站實(shí)測(cè)多年平均徑流深280.8 mm， 多年平均徑流量682 萬(wàn)m3。

谷田河上游已建烏龜山水庫(kù)、 姜家灣水庫(kù)和叫化巖水庫(kù)，姜家灣水庫(kù)位于雙龍鎮(zhèn)鏵頭場(chǎng)，集水面積1.6 km2， 烏龜山水庫(kù)位于資中縣重龍鎮(zhèn)寧國(guó)寺村六組，集水面積9.69 km2，叫花巖水庫(kù)位于重龍鎮(zhèn)歇山廟村，集水面積0.92 km2。其中姜家灣水庫(kù)和叫花巖水庫(kù)集雨面積較小，對(duì)洪水影響較小，本次洪水計(jì)算不考慮2 座水庫(kù)削峰作用， 烏龜山水庫(kù)集雨面積較大，本次設(shè)計(jì)考慮該水庫(kù)削峰作用。根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水手冊(cè)》計(jì)算［1］，經(jīng)烏龜山水庫(kù)削峰后，谷田河河口20 年一遇的洪峰流量123.8 m3/s。

圖1 河流水系分布

3 工程布置

3.1 新建石河堰布置

新建石河堰預(yù)設(shè)在谷田河的出口處， 新建石河堰高2.5 m，雙拱壩，半徑在1.25 m 以上，堰寬10 m，堰厚約0.6 m，底板高程313.5 m，堰頂高程316 m。

3.2 其他泄流工程

據(jù)悉， 在新堰上游存在排水孔洞和排水箱涵2個(gè)泄流工程。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，排孔底部高程為317.1 m，頂部高程為317.5 m，高0.4 m，厚度為0.4 m，單邊14 孔，每孔長(zhǎng)度不一，單邊排孔總長(zhǎng)度約27 m。由排水孔排至老谷田河，老谷田河已建排澇泵站，由排澇站排至沱江。當(dāng)水位達(dá)318 m 時(shí)，排水箱涵發(fā)揮泄流作用，箱涵底板高程318 m，高0.4 m，寬3.0 m。

3.3 泄流能力計(jì)算

3.3.1 計(jì)算方法

新建石河堰的泄流能力采用堰流公式進(jìn)行計(jì)算，因排孔高程較高，排孔的泄流能力分為兩部分進(jìn)行計(jì)算， 先按堰流公式進(jìn)行計(jì)算， 水位達(dá)到一定高度，按照閘孔出流公式進(jìn)行計(jì)算［2］。滾水堰的排水能力最終由排水箱涵的泄流能力決定，因此，直接計(jì)算排水箱涵的泄流能力。

堰流公式：

式中m 為流量系數(shù)；n 為閘孔數(shù)；ε 為側(cè)收縮系數(shù)；σs為淹沒(méi)系數(shù)，因堰后不形成淹沒(méi)，淹沒(méi)系數(shù)取1.0；b 為單孔閘孔凈寬；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深。

閘孔出流公式：

式中μ0為閘孔自由出流的流量系數(shù)，μ0=0.6-0.18e/H；e 為閘門開啟高度；n 為閘孔數(shù)；σs為淹沒(méi)系數(shù)，自由出流時(shí)，淹沒(méi)系數(shù)取1.0；b 為單孔閘孔凈寬；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

排水孔距新建堰的位置為150～200 m，因此，計(jì)算下游總泄流能力時(shí)，不考慮水面線翹尾情況，由新建堰的泄流能力直接加上對(duì)應(yīng)水位的排水孔的泄流能力。新建石河堰過(guò)流能力計(jì)算如表1。

表1 新建石河堰過(guò)流能力計(jì)算單位：m3/s

4 計(jì)算方法

縣醫(yī)院排水箱涵、 排水孔及新建石河堰的發(fā)揮泄流作用的最低高程分別為318，317.1，316 m，3 個(gè)泄流設(shè)施并非在同一位置，需考慮到水面線的翹尾，因此，工程河段的泄流能力并非3 個(gè)泄流設(shè)施各自泄流能力簡(jiǎn)單相加，因此，本文運(yùn)用試算法計(jì)算工程河段的水面線。

4.1 試算法

參考試算法在調(diào)洪演算中的應(yīng)用［3］，計(jì)算水面線時(shí)，首先假定一個(gè)起推水位h1，通過(guò)新建堰泄流能力表確定對(duì)應(yīng)的泄流流量q1，之后用Hec 軟件，由泄流流量q1及出口水位h1反推28 孔排水孔處的水位h2，由排水孔水位流量關(guān)系確定對(duì)應(yīng)的泄流流量q2，接著，由通過(guò)排水孔位置的流量q1+q2及排水孔位置的h2反推中醫(yī)院處的水位h3，由縣醫(yī)院排水箱涵水位流量關(guān)系確定對(duì)應(yīng)的泄流流量q3，若q1，q2，q3的泄流流量之和恰好等于谷田河河口20 年一遇（烏龜山水庫(kù)削峰后）的洪峰流量（123.8m3/s），則說(shuō)明假定起推水位可取，否則重新假定。

4.2 水面線計(jì)算

4.2.1 計(jì)算方法

天然河道水面線的計(jì)算，運(yùn)用能量方程，即：

式中Zu、Zd為上、下游斷面的水位（m）；Au、Ad為上、下游斷面過(guò)水面積（m2）；ku、kd為上、下游斷面流量模數(shù)（m3/s）；Q 為斷面流量（m3/s）；Δs 為上、下斷面之間的河段長(zhǎng)度（m） ；ξ 為局部水頭損失系數(shù)，取ξ=0，α=1；g 為重力加速度，取9.81m/s2。

4.2.2 參數(shù)選取

（1）邊界條件。本次水面線由河道沱江出口推算至縣醫(yī)院匯流口，推算河長(zhǎng)0.9 km。上游邊界采用設(shè)計(jì)洪峰流量，下游邊界采用對(duì)應(yīng)水位。

（2）糙率。根據(jù)《水力學(xué)》中的糙率表，本段景觀河道為鋼筋混凝土或者條石擋墻結(jié)構(gòu)， 建堰前后河道未發(fā)生變化，因此，建堰前后綜合糙率均取0.025。

（3）斷面。本次推算河長(zhǎng)斷面布設(shè)如圖2。

圖2 斷面布設(shè)圖

4.3 計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算采用Hec-Ras 軟件， 建堰前設(shè)計(jì)水面線如表2。

表2 建石河堰前后水面線計(jì)算成果單位：m

建堰后， 谷田河河口20 年一遇洪峰流量為134 m3/s，經(jīng)烏龜山水庫(kù)滯洪削峰影響，洪峰流量降至123.8 m3/s，此工況下，縣醫(yī)院排水涵排水能力為6 m3/s，28 孔排水孔的排水能力為45.4 m3/s， 最后通過(guò)新建堰的流量為73.4 m3/s。

由表2 可知， 沱江出口（T01）20 年一遇水位由316.7 m 升高至318.1 m，升高了1.4 m；中醫(yī)院斷面（T04）處，水位由318.78 m 升高至319.32 m，升高了0.54 m。據(jù)核實(shí)，中醫(yī)院處路面高程為319 m 左右，且無(wú)法實(shí)施加高措施，此段水位超過(guò)了堤頂高程（318.5 m）及路面高程（319 m），不滿足防洪要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用試算法分析內(nèi)江市資中縣谷田河流域沱江出口新建石河堰項(xiàng)目的可行性。 利用Hec-Ras軟件計(jì)算了工程河段防洪標(biāo)準(zhǔn)下的水面線， 并分析建堰后工程河段水面線的變化， 以及現(xiàn)狀河岸是否滿足防洪要求。結(jié)果表明，建堰后，谷田河遭遇20 年一遇洪水時(shí)，沱江出口處水位升至318.1 m，升高了1.4 m，中醫(yī)院處水位升至319.32 m，升高了0.54 m。由于谷田河設(shè)計(jì)堤頂高程為318.5 m， 道路高程約319 m，20 年一遇洪水下， 建堰后的水面線不滿足谷田河的現(xiàn)狀防洪要求，因此，在內(nèi)江市資中縣谷田河流域沱江出口處新建石河堰不可行。