小型河堤建设的水面线推求简述

小型河堤一般修建在县城或者县城以下场镇周边的河流两岸，在水面线推求上也力求简化、直观、安全。本文以璧山县高峰镇河堤工程为例，对小型河堤的水面线推求进而对沿程堤顶高程的计算进行简述。

一、工程概况

该堤防工程位于璧山县高峰镇场镇红水河河段，下游端起于高峰镇红水河河口，上游止于高峰镇孔雀桥处，设计河段全长1036m，拟建堤防沿河道右岸单面建设，堤线全长1012m。

本工程是高峰镇场镇防洪护岸工程，由高峰镇政府负责筹建和管理。该工程的建设，符合璧山县城镇总体规划和高峰镇场镇规划，具有显著的社会效益和经济效益。工程建成后使岸线变得平滑顺畅、岸坡稳固牢靠，对固化河道、稳定河势有积极作用，大大提高了场镇的防洪标准，将有效的保护河道两边场镇沿河商业门面、居户和企业等居民生命财产安全；改善和美化场镇周边环境，提升场镇的形象，促进地方经济的快速发展。

二、控制断面的选取

本工程下游末端有高峰红水河河口堰，该堰是高峰镇在红水河上的重要控制断面，在该堰下游附近仅有高峰红水河河口，高峰红水河河口位于高峰红水河河口堰下游30m，该桥对行洪影响很小，另外高峰红水河河口堰高较高为2.7m，因此高峰红水河河口回水对该堰行洪影响很小，故本次选取高峰红水河河口堰为控制断面。高峰红水河河口堰堰宽75m，堰高2.7m，堰顶厚度1.6m，由于此堰没有闸门，因此水流形态为堰流。

根据底坎的形状和厚度，堰流又可分为：

(1)＜0.67，为薄壁堰流；

(2)0.67＜＜2.5，为实用堰流，又可分为折线型和曲线型实用堰；

(3)2.5＜＜10时，为宽顶堰流；

(4) 10＜,为短渠水流。

其中， 为堰顶厚度， 为堰前水头(不包括堰前行近流速水头)，是从堰顶起算的水深。 由于高峰红水河河口堰顶厚度 =1.6m，根据堰流判断，此堰水流形态为实用堰流。根据高峰红水河河口堰的形状，为折线型实用堰，因此可作为控制断面进行水面线推求。

三、控制断面的选取及水位流量关系

利用实用堰流公式：Q=δsmB H03/2计算得到该断面的水位流量关系。

式中：Q――流量，单位m3/s；

B――堰宽；

――包括行近流速水头的堰前水头；即 =H+ ；

――行近流速；

m――自由溢流的流量系数；

δs――淹没系数，当下游水位影响堰的泄流能力时，堰流为淹没堰流，其影响用淹没系数表达；当下游水位不影响堰的泄流能力时，为自由堰流，此时δs=1.0；

g――重力加速度，m/s2。

折线型实用堰流量系数

由于高峰红水河河口堰下游坡为1：5，堰高1.6m，因此H 0.8m时，m取0.34；当0.8m＜H＜1.6m时，m取0.35；当1.6m＜H＜2.13m时，m取0.37；当H＞2.13m时m取0.38。

折线型实用堰淹没系数表

由于高峰红水河河口堰下游河底与堰顶高差为2.7m，因此当H＜2.7m时，δs=1.0。当堰上水头大于2.7m时，根据淹没系数表选取淹没系数。

经上述计算高峰红水河河口堰断面20年一遇洪峰流量683m3/s，相应的洪水位为368.1m。水位流量关系曲线见下表。

高峰红水河河口堰水位～流量关系线

四、设计洪水水面线基本参数的确定

1、天然河道糙率

根据现场踏测，河床由砂砾石和卵石组成，底坡尚均匀,床面不平整，两侧岸土、石壁相间，长有杂草树木，形状较整齐，查《水力计算手册》天然河道糙率表n 取0.038。工程前后河道糙率不变。

2、工程后河道糙率

工程后河道糙率根据《水工手册》，结合本工程河段整治情况分析，工程河段只整修了右岸，整治后左岸堤防按照3m计，建筑材料为浆砌条石，糙率n=0.022；而河底与右岸宽仍为天然河道，故整个断面按加权平均推算糙率为n=0.036。

3、洪峰流量

璧山县高峰镇堤坊工程的洪峰流量：P=5.0%、Q=683m3/s。

4、起始水位

本次洪水计算以高峰红水河河口堰为起始断面(桩号为K0+000)，经上述计算本断面P=5.0%、Q=683m3/s，对应的洪水水位为368.1m。

五、计算方法

水面线计算公式：

河道水面线推算采用一维数学模型，一维恒定流运动方程可写成：

求解时考虑河道局部水头损失后，对上式沿河道方向进行差分离散，为：

式中：Zu、Zd-上、下游断面水位，m；

Au、Ad -上、下游断面过水面积，m2；

ku、kd -上、下游断面流量模数，m3/s；

-局部水头损失，对渐变流， =1， =0；

Δs-上、下游断面间距，m；

Q-断面流量，m3/s；

g-重力加速度，取9.81m/s2。

六、设计洪水水面线计算

本次洪水水面线计算，以高峰红水河河口堰为起始断面(桩号为K0+000)为起始水位，计算工程河段水位。

具体计算方法为：根据上述计算公式，利用实测河道横断面资料、确定的河段糙率及其相应流量，按照上式从下游向上游逐段推算整个计算河段各断面的水位。工程河段工程前后各断面20年一遇洪水水面线计算成果见下表。

工程河段水面线推算成果表

七、沿程堤顶高程计算和确定

1、安全超高的确定

本工程主要建筑物级别为4级，根据《堤防工程设计规范》按不允许越浪的堤防工程确定安全加高值为0.6m。

2、堤顶超高的计算

堤顶超高=设计波浪爬高+设计风壅增长高度+安全加高,即Y=R+e+A。

设计波浪爬高按 计算，风浪要素采用莆田试验站法计算，其中平均波高按 计算，平均波周期按 计算，波长按 计算，设计风壅增长高度按 计算，由于该值很小，故在次忽略不计。

在本工程计算中：多年平均最大风速以18m/s计,风区长度以300m计，安全加高以0.6m计。经计算，设计波浪爬高为0.328m，则堤顶超高为0.928，

3、沿程堤顶高程的确定

堤顶高程=设计洪水位+堤顶超高，经水文计算建堤后沿程设计洪水位（P=5%）为368.1～369.13m，则工程段计算堤顶高程为369.03～370.06m。

注：本章论文的所有图表及公式以PDF形式查看