工程设计中天然河道水面线计算
工程设计中河道复式断面天然水面线计算
ｚ ２ ＋ 仅 ２ Ｖ ￣ ／ ２ ｇ ＋ ∈ Ｖ ／ ２ ｇ
将 Ｖ＝ Ｑ ／ Ａ代 入上 式 ， 则上式 可写 为 ：
式 中各 符 号 与前 述 同。其 它 计 算 ， 与 单 一 断 面 型
式 采用 公式 相 同 。
ｚ ｌ ＋ Ｑ （ １ ＋ ‘ ） Ｖ ￣ ／ ２ ｇ — Ａ — Ｑ △Ｌ ／ ｋ ＝ Ｚ ２ ＋ Ｑ （ Ｏ ． ｒ ２ ＋ ‘ ） Ｖ ￣ ／ ２ ｇ Ｋ ２ ＋ （ Ｋ ＋ （ Ｋ ｉ ） ／ ２ ， Ｋ ｌ ＝ ｃ ｌ Ａ １ Ｒ １ ，
恒 定非均 匀流 能量公 式 ， 采 用断 面垂线 分割 法 ， 进 行 了河道 水 面线推 求 。
［ 关键 词 ］ 复 式断 面 ； 天 然水 面线
中图分类号 ： Ｔ Ｖ １ ３ ３ 文章标识码 ： Ｂ 文章编号 １ ０ ０ ９— ０ ０ ８ ８ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ４—０ ０ ３ ２— ０ １
Ｑ ， ＝Ａ Ｃ
１
＝Ｋ ，
了
＼
一
●
幅 ／ ’
Ｉ ｂ 一 １
主± ／ 日
竺
图 １ 复式 河道 断面
ｚ ｌ ＋ Ｏ ． ｆ １ Ｖ ￣ ／ ２ ｇ ＋ ∈ Ｖ ／ ２ ｇ — Ｑ ＡＬ ／ ｋ
＝
Байду номын сангаас通过复 式 断面 的总 流量 Ｑ为 ： Ｑ ： ＝Ｑ ＋Ｑ ＋Ｑ ＝
３ 计算 实例
竹箦河 是溧 阳市 北 部 地 区重 要 的 行洪 河 道 ， 河道
过 水 断面 为复式 断 面 ， 准 确计 算 设 计 标 准 下 洪 水 位 高
Ｋ ２ ＝ Ｃ ２ Ａ ２ Ｒ ２ ， ｃ Ｉ ＝ 音 Ｒ ｌ ， Ｃ ２ Ｒ ２
01第一章--天然河道水面线推算
第一章天然河道水面线推算百图软件既可以处理一个糙率的单式断面天然河道，又可以处理二个或任意多个糙率的复式断面天然河道，也可以处理河道某处出现江心洲或分叉情况，还可以处理整条河道上，支流汇入或流出、过桥水头跌差等情况。
缓坡河道应从下游向上游推算，根据经验及《水力学》教材的介绍，当最下游断面的起始水位无法确定时，可用该断面附近的正常水深对应的水位作为起始水位。
陡坡河道应从上游向下游推算，根据经验，当最上游断面的起始水位无法确定时，可用该断面的临界水深或略小于临界水深对应的水位作为起始水位。
实际工程中，一条长距离的河道可能是缓、陡坡交替变化的情况，此时应先画出河底的纵断面图。
根据纵断面图，当人工能够分辨出缓、陡坡的分界点，可人工划分成单一的缓坡或陡坡分别进行推算。
当人工不能够分辨出缓、陡坡的分界点时，可假定该整条河道为缓坡，选择整条河道从下游向上游推算，若软件一直能进行推算，说明该段为缓坡；若软件不能进行推算，说明该段为陡坡。
软件运行终止的断面，即为缓、陡坡的分界点，按此方法判断出整条河道上的所有缓、陡坡的分界点，把整条河道划分成单一的缓坡或陡坡分别进行推算。
第一节 一个糙率天然河道水面线推算一、现状天然河道水面线推算根据下式，即华东水利学院编《水力学》（1999年版）式9.9，采用分段试算法，精确推算水位。
第一步、准备现状横断面数据文件数据文件为txt 格式，在excel 中整理数据时必须另存为文本文件（制表符分隔）类型的txt 文件。
原始横断面测量成果表的内容格式如下：横断测量成果表中，桩号允许带“+”或“-”，但不允许有其它非数字文本，程序通过加减号来识别桩号。
起点距即是累距，零点桩的起点距为0。
每个点的数据占一行，包括“起点距”、“高程”和“点注释”三项，中间用空⎪⎪ ⎭⎫⎝ ⎛ - + ∆ ++= + g v g v K lQ gv z gv z2 2 2 2 2 1 2 222 222211ξ α α格隔开，空格多少不受限制，其中“点注释”可以省略。
河道水面线计算
4.6洪水水面线4.6.1计算公式⑴计算原理天然河道的洪水大多属于不稳定流，水面线的计算可以近似地视为稳定流量以简化计算。
稳定非均匀流按伯努利能量方程进行计算，即：式中：乙、Z i 为计算段上、下游断面水位；V 2、V 为计算段上、下游断面平 均流速，2、 i 为计算段上、下游断面的动能修正系数； h f 为沿程水头损失； h j 为局部水头损失。
在流量、控制断面水位和河段糙率确定后，即可由该式算出河道断面的水力 要素。
⑵主要参数的确定根据一维水面线的计算公式，其关键在于沿程水头损失和局部水头损失的确^定。
① 动能修正系数aa 是以总流的断面平均流速 V 代替过水断面上各点的点流速 V 来计算断面 的平均单位动能，为校正误差而引入的修正系数，理论上可按下式计算：3 A V dA式中：V 为断面单元流速（m/s ）; V 为断面平均流速（m/s ）; A 为过水面积。
是个大于1.0的数值，其值取决于断面上流速分布不均匀的程度，流速分布越不均匀， 值越大。
② 沿程水头损失水流在流动过程中，由于克服河床的阻滞作用，边壁的低流速层对高流速层 Z 2M 22g h f h j扩散段取=-0.5〜-1.0 ;对于收缩段 =0产生的阻力而消耗的能量，就是沿程阻力损失损失h f ，主要决定于均匀流的坡降, 可表示为：式中：L 为计算段上下游断面间距（m ，K 为流量模数，K CAJR ，—般采用扛 K7是上下两断面的流量模数；C 为谢才系数，C 朴， n 为糙率，y 可取1/4〜1/6。
由上式可知，欲求h f ，主要是确定糙率n 值，工程河段天然河道糙率根据河 道形态，河床组成及两岸植被情况结合， 采用历史洪水反推糙率，未进行历史洪 水调查段结合《天然河道糙率表》选定。
③ 局部水头损失局部水头损失即为河道的河床断面沿程不均匀引起的水头损失。
局部阻力系 数与河槽形态、收缩或放宽的比例以及水流情况有关， 特别是在跨河桥梁河段特 别明显，局部水头损失h f 可按下式计算:2 2 准 V 2_） （2g 2g ）式中： 为局部阻力系数。
《天然河道水面线推求》(自动系数法)
目标值 46.8398 46.9294 47.3847 47.5105 47.7315 47.7331 47.7766 47.8103 47.9628 47.9964 48.1160 48.2496 48.5307 48.6418 48.6625
水位z 46.82 46.78364 46.87906 47.33687 47.46761 47.73135 47.72737 47.78181 47.73116 47.94825 47.91051 48.09862 48.3202 48.53139 48.55206 48.57273
248----天然河道水面线线计算方法
均自动计算，无需改动。 单元格内容引用为前一工资表最后一行数据即可。
难免，本人对因使用本表格所产生的一切后果不负任何法律责任，请使用者斟酌使用。
568@
计算方向 向上 湿周x 247 87 68 88 86 939 266 226 74 140 82 93 103 100 100 100
糙率n 0.03 断面间距s 491 661 608 660 814 556 1268 507 726 263 1017 1554 975 100 100 水力半径R 流量模数k 1.0*Q2/(2*9.81*A2) 5.49 140270 0.014 5.92 56168 0.094 4.34 26156 0.288 5.47 49751 0.108 4.91 40456 0.142 5.05 465596 0.001 4.32 101436 0.019 5.10 113735 0.019 5.68 44546 0.142 5.71 85056 0.039 5.80 51248 0.110 6.42 68735 0.070 4.81 46989 0.102 5.00 48734 0.100 5.00 48734 0.100 5.00 48734 0.100
天然河道水面线计算表
hj
0.004262985 那
#DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0!
备注
断面能量E1=Z2+α2v22/（2
Z2
3.43 21 22 23 24 25 26
(m)
(m)
(m)
(m)
判断
前断面能量E1=Z2+α2v22/（2g)+hf+hj
E2-E1
单式断面 E2
备注
C1
ε1
α1
52.24753 0.271783 1.181447 36.48549 0.389196 1.336515 0.723492 19.62704 -13964.8 #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0!
0.022 4073.681
面积(m2)
湿周(m)
水力半径 (m)
糙率
(m3/s)
前断面水力坡降 J1=Q2/K12
流量模数K2=A2R22/3/n2
备注
J1
0.000122 0.000591 1686.777 #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0!
备注
A2
X2
R2
47.36 21.54 2.1987
备注
hj -0.00069
备注
弯道的局部水头损失 hj=0.05(v12/(2g)+v22/(2g))
hj 0.004262985
备注
前断面能量E1=Z2+α2v22/（
Z2 3.4
天然河道水面线计算
说明;αζ试算 不用修改
说明;αζ试算 不用修改
流速不大的平原河段影响不大，单式断面较复式断面小，山区河流较平原河流大，断
河槽急极扩大-0.5~-1、河槽逐渐扩大-0.1~-0.336，方头墩0.35、圆头墩0.18、长宽比均为4、如果长宽ε2-2ε3
ε2-2ε3
流速不大的平原河段影响不大，单式断面较复式断面小，山区河流较平原河流大，断
河槽急极扩大-0.5~-1、河槽逐渐扩大-0.1~-0.336，方头墩0.35、圆头墩0.18、长宽比均为4、如果长宽
大，断面特变水流近似堰流河段可达2.1左右，平原河流1.15~1.5，山区河流1.5~2.0。
墩0.18、长宽比均为4、如果长宽比大于4则值应有所增加，支流汇入时0.1，弯道时0.05.
)
α1α1大，断面特变水流近似堰流河段可达2.1左右，平原河流1.15~1.5，山区河流1.5~2.0。
墩0.18、长宽比均为4、如果长宽比大于4则值应有所增加，支流汇入时0.1，弯道时0.05.
)
1
+J2) 1
+J2)
j
= v12/(2g)
j
= v12/(2g)
1
=Z2+α2v22/（1
=Z2+α2v22/（2。
工程设计中天然河道水面线计算
式中 Eso1 - EsI1 —0 - 0与 I - I水面线在断面 1 - 1的 断面单位能 量差 △Es0 I1 , 即 上式 可 写为 △Es0 I2 = △Es0 I1 + ( if0 - ifI ) △L (6)
△Es—计算分段上 、下游断面的断面单能量差 ;
△ES = Esn
-
Esn + 1
= ( hn
+ avn 2 ) 2g
-
( hn + 1
+
avn + 1 2 ) 2g
具有下标 n和 n + 1分别表示各计算分段下游断
面和上游断面的水力要素 。
if —单位长度的摩阻损失 。
近似按均匀流计算
if
=
v2 c2 R
3 对工程中常遇的水面线计算的建议
3. 1 确定水库或枢纽工程淹没范围时河道天然水面 线的计算
此类计算是为了确定天然水面线与回水曲线在库 尾的相交点 ,只要求从库尾前往上游的水面线正确即 可 。当河道为缓流流态时 ,可以选择坝址处断面为初 始计算断面 ,其水深可采用按均匀流计算的近似值 ,亦 可假设一个大于 hk 的水深值 ,然后逐段往上游推求 , 可在库尾前往上游得到正确的水面线 ,可不必再去校
14
内 蒙 古 水 利 2008年第 3期 (总第 115期 )
1. 1 从下游往上游逐段推算 ( 1)初始计算断面假设水深 hI1 < ho1情况 为便于论证 , 1 - 1 至 2 - 2 断面计算分段的基本
计算式 (1)移项为 Es2 = Es1 - ( i - if ) △L ( 3) 对 0 - 0水面线 Es02 = Es01 - ( i - if0 ) △L ( 4) 对 I - I水面线 EsI2 = EsI1 - ( i - ifI ) △L ( 5) 因此 , 0 - 0与 I - I水面线在断面 2 - 2的断面单
水面线计算推求
5.5.3设计洪水水面线推算根据防洪设计标准及洪水分析，设计流量采用P=10%设计洪峰流量确定整治河道的治导岸线。
根据沿程比降、流量、建筑物及支流汇入情况，水面线分段进行推算。
（1）水面线推算的基本公式水面线计算按明渠恒定非均匀渐变流能量方程，在相邻断面之间建立方程，采用逐段试算法从下游往上游进行推算。
具体如下：Z] = Z +式中：Z]、V]——上游断面的水位和平均流速;Z2、V2 ——下游断面的水位和平均流速;"广七+h——上、下游断面之间的能量损失;七=三l——上、下游断面之间的沿程水头损失;h =Z（匕2 - M）——上、下游断面之间的局部水头损失；j 2 g 2 gZ——局部水头损失系数，根据《水力计算手册》，由于断面逐渐扩大的Z取值0.333，桥渡处Z取值0.05〜0. 1。
c——谢才系数；R --- 水力半径；a ——动能修正系数。
（2）河道糙率河道的粗糙系数受到河床组成床面特性、平面形态及水流流态、植物、岸壁特性等影响，情况复杂，不易估计，本工程河道基本顺直，床面平整，经过整治的河床粗糙系数可以采用《水工设计手册》第一卷P1-404介绍的当量粗糙系数%xnn当=十；设总湿周X的各组成部分x1 ,x2,……x»及所对应的粗糙系数分别为n1，n2 n N。
选用砂土及淤泥渠道n=0.030；砌石护面n = 0.030；草皮n = 0.030。
本工程护坡基本为干砌块石及草皮，护底采用天然地层。
根据水位情况可以计算出不同水位下的综合糙率为0.030。
（3）水面线计算成果根据城市发展规划和河段所处的地理位置条件，确定河道横断面采用梯形断面型式。
护坡类型共有草土体结合柳桩护坡、干砌石结合格栅石笼护脚护坡两种，护坡边坡均为1:2。
结合上下游河床实际宽度和河道比降合理拟定断面底宽和纵向比降。
为了不改变现有河势和水沙冲淤平衡，河道设计底坡尽量与天然河道底坡一致。
表5-1治理段设计底宽及纵向比降分段统计表根据清水沟的地形条件，按照控制断面侯汉公路断面（桩号4+365）、尹桥大沟（7+219）、清二沟（14+848）、新华桥水文站（24+400）、新渠渡槽（24+400）处的设计流量，从下游往上游逐段推算水面线。
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—
２
＼
３
０：
Ｊ
ｎ ： ｎｌ ＋‘ ｂ １ 、 一 一 中 一 一 一 一 一 １ 一 一一 — 一一 ～ 一一 一一 一
ｈ ０ 一 ０Ｉ 一 】 １ ： ｈ ｔ 一 一一 １ ， ｆ
１ 流 态为缓流 的天然河道
绘 制 其水 面线 所 依 据 的基 本 方 程 式 为 恒 定 、 均 非 匀缓 变 流 的能 量方 程 ， 其差 分形 式 如公 式 （ ） １。
—
时计算的水面线 ； Ⅱ一Ⅱ 表示初始计算断面 １— 假设 水深 ｈ １ Ⅱ＞
ｈ 。 时计 算 的水 面线 ； １ 为初 始 计 算 断 面 ， —１ ２—２ … … ｎ—ｎ ｎ＋１一ｎ 、 、
昊 煌华 敏 王 彬 树 ，智 ，文
（ 内蒙古水利水 电勘 测设 计院 ， 内蒙古 呼和浩特 ０ ０２ ） １０ ０
竹 １ 竹 竹 竹
＃
１ ‘
要 ］ 天然河道水面线计算的方法及建议 。
文章标识码 ： Ｃ 文章编号 ：０ ９— ０ ８ ２ ０ ） ３～ ０３—０ １０ ０ ８ （ ０ ８ ０ ０ １ ３
…
件 并对 如 何 使 各 种 水 面 线 计 算 更 为 准 确 提 出 一 些 建
议。
图１ 流 态为缓 流的河道
图１ 符号及下述运算符号 的下标说 明：
０— ０表 示计 算河 段 正确 的水 面线 ； Ｉ 表 示初 始 计 算 断 面 １—１ 假 设 水 深 ｈ。 。 —Ｉ ， 。＜ｈ
近似按 均 匀流 计算 ＝
儿
— — —
（） ２
将计算河段 的最下端河段 当做均匀流计算其水深 ， 并 作为最下游端初始计算断面的水 深 ， 由下游往 上游逐
段计 算河 道 水 面线 。并 在 多 次计 算 过程 中认 识 到 ， 即 使 初 始计 算 断 面水深 有 一定 误差 ， 算若 干段 后 ， 推 均可 趋 近 正确 。
对 ０— ０水面 线 Ｅ０ ＝ ９ 一（ —ｉ） ９ Ｅ０ ： 。 ｉ △Ｌ （ ） ４ 对 Ｉ 水 面线 Ｅ ｉＥ 一（ —ｉ） —Ｉ － ｍ － ｉ Ⅱ △Ｌ （） ５
因此 ， ０与 Ｉ 水 面线 在 断 面 ２—２的断 面单 ０— —Ｉ
位 能量差
△Ｅ Ｉ＝ＥＱ 一ＥＩｉ（ ｓ 一Ｅｎ 由２ ｓ ２ Ｅｏ ２ － １ 。）＋（旬一 ｎ △Ｌ － ｉ ｉ）
１１ 从 下游 往 上游 逐段 推算 。 （ ） 始计 算断 面假 设水 深 ｈ。 ｏ情况 １初 ＜ｈ１ ｓ
内 蒙 古 水 利
２０ 年第 ３ 总第 １５期） ０８ 期（ １
（） ４
对 ０— ０水 面线 Ｅ０＝Ｅ０二（ — ） Ｓ ２ ｓ 。 ｉ ｉ △Ｌ
由式 （ ） ８ 减式 （ ） ： ４得
根据 式 （ ） 由 于 ｈ １ 。、 Ⅱ ２ ， Ⅱ ＞ｈ１ｈ ２＞ｈ２ 因 而 ｉ ０， ｆ Ⅱ＜
ｉ 即 （ 一ｉ ， ｉ Ⅱ ）△Ｌ ＜０（ 负 值 ） 故 由 式 （ 得 为 ， ９） △Ｅ Ⅱ ＜△Ｅ Ⅱ１ ０ ２ ０ 。用与 前相 同的推论 法 ， 出不 等式 得
△ Ｅｓ ０ ＞ △ Ｅ Ⅱ２＞ … … … ／ Ｅｓ０ △ ＥｓＯ＋ … … … Ⅱｌ ｓ０ ｋ Ⅱ ＞ Ｉ １ Ｉ
为便 于论 证 ， １—１至 ２—２断 面 计 算 分 段 的基 本
△Ｅ Ⅱ Ｅ Ⅱ ｓ０ ｉ ｓ２一Ｅ０ ２－ － ｓ ２＝（ ｓ１ ｓ ）＋（ｆ ） Ｅ Ⅱ 一Ｅ Ｄ １ １Ｉ—ｉ ‘ ｌ △Ｌ Ｅ １ ｉ ｆ △Ｌ 日＝ 一（ —ｉ ） （） ３
Ｌ 、
２ｇ
具有下标 ｎ和 ｎ＋ 分别表示各计算分段下游断 １
面和 上游 断 面的水 力要 素 。
ｉ 单 位 长度 的摩 阻损 失 。 一
深。但中小河 流的许多河 段没有测站 或ｉ 站距 离较 贝 ０
远， 这种 情 况下 ， 多 年 实 践 ， 院采 取 的计 算 方 法 是 经 我
（ 关键词］ 水面线； 计算； 建议
中图分 类号 ：Ｖ１１４ Ｔ ３ ．
天 然 河道 水 面线 的计 算多 采用 不计 局 部水 头 损失 的能量 方程 （ 分形 式 ） 段 推 算 ， 算 中 常遇 的 问题 差 逐 计 是初 始 计 算断 面 的选 择及 其水 深 的确定 。 当河 段 内或 距离 不 远处 设 有水 文 测 站 时 ， 当然 应 以其 实 测 断 面 为 初 始计 算 断面 ， 可从 实测 水 位 流 量 关 系确 定 其 计 算 水
…
Ｉ ｎ＋１和 １１ １２ Ｉ 、Ｉ …… １ｎ＋１ 别 表示初 始断 面 Ｉ 分
假设 水 深小 于和 大 于正确 水 深 时 计算 水 面线在 １ １ 、
２ ２ — ……ｎ １ ｎ １ ＋ 一 ＋ 等断面水力要素的下标。
维普资讯
１ ４
维普资讯
工程设计中天然河道水面线计算
吴树煌等
１ ３
【 水文 勘测 】
“ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “
．
３ ｝
ｉ
ｉ
（ 摘
工 设 中然 道 面 计 程 计 天 河 水 线算
，：
等 （ Ｉ １ ）
式 中 一计 算 分段 纵坡 ； △ 一 计 算 分段 长度 （ ； ｍ） △ 一 计算 分 段 上 、 下游 断面 的 断面单 能 量差 ：
ＡＥ ｓ Ｅ … ＋ ） ＋
…
＋ 等为从下游往上游其它计算断面的顺序编号 ； １
０ 、２ …０ １０ … ｎ＋１表 示 正 确 水 面 线 １—１ ２—２ 、 、 … …ｎ＋１一ｎ＋１等 断 面 水 力 要 素 的 下 标 。 Ｉ１ Ｉ 、１２