河渠水面线推求方向的可行性研究

【摘要】伴随我国经济的发展，各种基础设施都不断开始修建，施工规模逐渐扩大，为了保障各种工程施工的质量，对施工设计有了更严格的要求，水面线是整个江河湖泊防水大堤设计的重要依据，对我国防洪减灾有着十分重要的意义。因此，加强河渠水面线的推求，对整个防护提的设计有着十分重要的意义，不仅仅很大程度上确保了整个防护提设计的精密性和科学性，更使得各种河渠大堤的设计日渐规范和成熟。随着我国各种设计理念的成熟和完善，对河渠水面线的推求有了新的进步。在进行河渠水面线的推求过程中，必须遵循一定的原则和程序。首先，要确定河渠水面线的推求方向，这将直接影响到整个推求结果，在理论层面，对河渠水面线的推求既可以从上游往下游推求，也可以从下游到上游的方向推求，但是在河渠水面线的具体推求过程中，有时候无论是从上游到下游，还是从下游到上游，都会存在着无法推求的情况。笔者据多年研究经验，将在借鉴国内外相关学者的经验基础上，对河渠水面线推求方向的可行性做出全面深入研究，并重点分析从下游水位推求上游水位方法，并总结研究结果。

【关键词】河渠，水面线，推求方向，可行性，研究

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

一.前言

我国是一个洪涝自然灾害较多的国家，各地区降水不均，降水时节有着很大的差异，因此，造成了很多地方存在着水旱灾害，为我国的经济发展和社会的稳定带来了很大的威胁，因此，建立健全我国的防洪减灾体系，是维护社会稳定，保障人民安居乐业的必然措施。在防洪减灾系统中，水面线是江河堤防设计的重要依据，它直接关系到堤防的规模与防洪安全。加强对河渠水面线的推求，已经是一个很大的难题，如何科学合理的确定推求的方向，这是整个水面线的推求过程中的关键环节。虽然世界上相关领域的专家对此问题作出了深刻的研究，但是，这些理论在某种程度上而言，依然会存在着很多的问题，难以与实际情况密切符合。我国在对水面线的推求领域已经有了一些进步，但是，经过无数次的推求和实践，依然存在着无论是从上游到下游，还是从下游到上游，都会在推求过程中遇到计算不收敛、无法推求的情况，这种情况尤其是在一些山区的河渠水面线的推求过程中，显得更为明显。为了加强河渠护堤设计的规范性和科学性，就必须找出这其中存在的问题，分析出原因并找到有效的解决措施。针对这个问题，我国的很多专家做出了探究，比如，张建民、任苇、吴建平等研究了由下游向上游推求的迭代算法；万五一等在试算中改变步长来提高试算法的计算效率。这些方法虽然有力的推进了水面线的推求的精确性，但依然存在着很多不完善的地方需要进一步完善。因此，加强河渠水面线推求方向的可行性研究分析，依然任重道远。

二.河渠水面线推求方向的可行性研究分析

在防洪减灾的河道堤防整治设计中，需推求河道水位的沿程变化，以满足工程设计要求，故工程上可直接应用恒定总流能量方程来推求洪峰所在微小时段内的水位沿程变化，亦即水面线．通常将需进行水面线计算的河段，分成若干个计算河段，然后从下游到上游对这些计算河段逐段进行求解，从而得到水面曲线沿程情况，对每个计算河段，水面线的计算式可整理如下：

1. 水面线计算式的上、下断面能量函数曲线规律分析

（一）根据能量方程平衡原理，其方程式为：

其中，

（二）把（1）（2）式合并，通过整合，可以化为如下公式：

2、计算方法分析

在计算过程中，要严格遵守水力计算规则，科学合理的选择计算方法，在我国，一般都采用《水力计算手册》中介绍的计算方法，确定计算方式之后，为了保证结果的准确性，则必须先在计算机中用“excel电子表格”进行试算。

（一）沿程水头损失（ ）的计算分析

一般采用均匀流沿程水头损失的公式计算河道渐变流的沿程水头损失。

（二）动能改正系数（ ）

式中：

（三）局部水头损失（ ）的计算

虽然河道糙率既反映河床边壁的粗糙程度、河槽纵、横形态的变化等河槽本身因素对水流阻力的影响，又反映如水位的高低、含沙量大小等水流因素对水流阻力的影响．但当河槽局部地方有断面的突变、夹心滩、支流汇入主流、桥墩阻水等因素引起的较大局部水流阻力时，必须求出反映实际的局部阻力系数。由于上下游断面的过流面积的扩大或缩小、桥墩等建筑物的壅水影响、支流汇入流量的突变等问题，是糙率的调整不能替代的，在工作中先采用查表或估算的方法确定局部阻力系数，再根据工程实际分析验证其合理性，推求出的河道水面线才会过渡平缓，衔接合理，符合水力学实际。

由于计算河段内，在十家子河与大凌河交汇处有河道突变现象，在龙城桥下游S02与S下300断面逐渐扩大，计算水面线时加入局部水头损失，其它河段不考虑。

局部水头损失计算公式采用《水力计算手册》中介绍的方法：

3.绘制各断面的水位~面积和水位~湿周曲线

水位～面积曲线和水位～湿周曲线的绘制分为两个步骤。首先根据各断面数据、设计堤线及各级别下堤坝的安全超高，在“AUTOCAD”软件中，求出不同水位下各断面的面积及湿周；第二步，把所求得的数据输入“Excel电子表格”中，利用此软件的画图功能，画出这两种曲线。

4.水面线计算可行性分析

（一）影响水面线计算精确度的简单分析

由于水面线计算式中的沿程水头损失仍然只能近似地采用均匀流下的沿程水头损失计算式，且以差分代替微分，故计算流段内水流要素不宜变化过大，且把水流要素视为线性变化，因而对确定的河道，水面线计算精度与计算河段的上、下游断面水位差和流段的长度有关由下游水位推求上游水位

（二）由下游水位推求上游水位

等截面河道坡度为缓坡、临界坡或河段为收缩河段时，当计算河段厶取值偏大，可能会有很多解或无解，此时可通过缩小厶来求解，同样厶越短，计算成果精度愈高．当等截面河道坡度为陡坡或河段为扩散河段时，由下游推求相应上游水位气，有无解区域的极小值时，该区域为临界流态的某一邻域，邻域的左右半径不一定相等，且厶愈大，坡度愈陡，无解区域愈大．

三.河渠水面线推求方向的可行性研究结论

1.对等截面缓坡河道、收缩河段，宜由下游向上游推求；根据工程实际情况采取科学合理的推求方向，这样能够直接找到可行解或通过缩短计算河段长度找到可行解．

2.对等截面陡坡河道、扩散河段，若由下游往上游推求，都存在无解区域，且无解区域发生在临界流态的某一邻域，邻域左右半径不一定相等；此外，厶愈长，坡度愈陡，邻域半径愈大．

3.对等截面临界坡河段，由下游往上游推求是最常用的方式之一，在推求过程中，若无解，可通过缩短计算河段长度找到可行解．至于对不同河道，其适宜计算河段长度如何确定，即如何有效解决计算河段长度与有、无解的数学判断表达，尚待进一步深入研究。

四.结束语

河渠的水面线是我国防洪减灾体系中的重要环节。探究水面线的确定方法，加强水面线计算的精确性和完整性，有助于我国河渠防护提的设计施工，既可以大幅度的减少洪涝灾害对人们生活工作的威胁，有可以降低各种经济损失，有助于维护社会稳定，为人们生活质量的进一步改善，奠定强大的基础。但是，由于河渠水面线的推求具有很大的不确定性和复杂性，因而，要构建规则的河渠水面线推求方向可行性分析方法，结合水面线的计算公式，以及上、下断面能量函数曲线的特性，研究计算河段长度、河道底坡对其的影响；然后探讨上、下断面的能量函数曲线相对位置关系，从而探究无法推求的原因及求解的规律性，从而推动我国的防洪减灾进程。

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