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天然河道水面曲线计算问题.doc
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1、推求法计算天然河道水面曲线的局限性和解决办法-暴雨洪水的水力学模型及其应用程序张校正(新疆水利厅 新疆乌鲁木齐 830000)【摘 要】 天然河道水面曲线计算的推求法使用中是有很多限制的,很多情况下不便应用,应该与比降法配合使用,解决天然河道水面曲线计算问题。【关键词】 天然河道 水面曲线 推求法 比降法 水力学模型 应用程序2012年,暴雨洪水给我国很多地方造成了生命财产的重大损失,引起了防洪部门的重视,纷纷加大了防洪工程的投入。因而防洪工程的水力学计算,尤显重要。怎样计算天然河道的水面曲线?应该不是问题,但一些设计单位确实出现过这个问题,问题是从使用推求法计算天然河道水面曲线时产生的。在我
2、国的有关防洪工程的规范中,大量的篇幅,是有关工程措施的规定,水力学计算部分内容很少,没有具体的公式。虽然规范没有详细的公式,但是在旧版的水工设计手册以及水力学教科书中,却有天然河道水面曲线的详细论述和方法讲解。大家都是按照这些常规算法,解决天然河道水面曲线计算问题。新版的水工设计手册也有天然河道水面曲线的计算的章节。武汉大学水利水电学院出版的水力计算手册中也有“河道恒定流水面曲线计算”章节。对于天然河道的各种水力要素的计算,有着详尽的规定。上面所说的这些书中的方法是暴雨洪水的一种水力学模型,是一种一维静态的水力学模型,它就是所谓推求法,是从已知水位推求未知水位的计算方法。本文从这个方法的使用过
3、程中产生的问题,就暴雨洪水的一维静态的其它的水力学模型进行一些研讨。水利水电工程设计计算程序集为天然河道的水力计算提供了两个程序,一个是“D-14A推求法计算天然河道水面曲线程序”;一个是“D-14B比降法计算天然河道水面曲线程序”。一、D-14A推求法计算天然河道水面曲线程序的使用情况 这个程序的方法,是求解下面的基本方程(过去叫做柏努立方程):这是一个在河道上解决非均匀流从已知水位推求未知水位的公式。在没有计算机的年代,这是一个繁琐的计算工作,旧版的水工设计手册详细的列出了它的计算方法和表格。PC-1500袖珍计算机的出现,给予水利设计人员插上了翅膀,很多技术人员,都用计算机编程解决这个问
4、题,用现在的水平要求,也都达到了现在新版水工设计手册的要求。本以为这是解决问题的万能钥匙,使用的结果,却让人有些失望。有时计算结果挺好的,有时候就计算不了。大家都为此事困惑不解,程序编制经过多次检查,又有成功的范例,为什么有些情况下就计算不下去呢?到底是哪里出现了问题?经过我们分析,这种方法用于水库逥水曲线计算时,大都是对的,这就是旧版水工设计手册、新版水工设计手册以及水力计算手册论述的问题,对于这类问题都能得到满意的结果。但是用到一些山区河流,以及从没有发生过这么大洪水的河流,甚至季节性干涸的河流,就可能出现问题,这是什么原因?原来,这个基本方程的使用是有条件的,它有三个前提:1、计算的起始
5、断面的水深,必须来之有据,不能任意假定。2、相邻断面之间水流必须是渐变性质,不能有水跃;3、相邻断面距离不能太长,以满足方程的微分特性;如不满足这三个条件的任意一条,就会导致计算失败,成果不能应用。先说起始断面的水深。从大江大河延伸,有已知的断面水位。但是对于大量的中小河流,从来没有发生过这么大的洪水的河流,甚至季节性干涸的河流,这个已知水位其实往往是不知道的。于是就随便假定,如果不符合水力学的基本规律,这当然是错误的开始,导致计算失败。这里说明起始断面水深的确定问题。 1、求水库回水曲线时,都是从坝前水位开始向上游计算,起始水位与设计流量不存在一对一的关系。起始水位可以定为水库正常高水位,也
6、可以定为非常洪水位,一般都是合理的,其计算流量也有较大的伸缩余地。推求法都能顺利地计算出的结果,结果也合理可靠的。2、由拦河闸前向上游计算时,其闸前水位按照过闸水流的边界条件(河宽、闸口宽、闸墩形状、底坎高程、下游相对高程、闸门开启度等)计算求得,当拦河闸不使用闸门开度控制流量时,设计流量与闸前水位是一一对应的关系,不要任意假定。3、由桥墩上游向上计算,与闸前向上游计算大体相同。其水位与设计流量都存在一一对应的关系。我们一般都使用堰流公式计算设计流量下的水位。用于以上情况的计算,大都不会出现问题,都能得到满意的结果。4、在我们与用户交流的过程中,凡是遭遇碰壁的,就是在没有特殊水力学特征的河流上
7、应用时发生的。任意假定一个水深,是导致计算失败的主要原因。起始水深如何确定?正确的方法应该选择在坡降均匀、河道较为笔直、横断面较为规整的地方,作为起始断面。在这段河流上,我们近似的认为发生天然河道的正常水深(即假定这里的流态为均匀流),所以用曼宁公式计算出水位流量关系曲线(这就是所谓比降法)。在这个断面上,水位和流量是一一对应的,绝对不能任意假定。即使有了正确的起始水深,也未必能够计算成功,这就是计算断面的之间的距离过大,导致计算失败。推求法计算天然河道水面曲线的计算理论,直观的说法,就是假定两断面之间的水位是互有影响的(沿程水头损失所占的比例较小)。如果不能满足这个假定,就失去了计算的理论依
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