某迷宫堰水面线模拟研究
天然河道水面线计算的几种方法探讨
天然河道水面线计算的几种方法探讨摘要：介绍了明渠恒定均匀流法、天然河道水面线系统、HEC-RAS软件及SOBEK软件4种常用的水面线推算方法，并对不同河道进行了水面线推算，然后对计算结果进行了对比分析。
结果表明：对于坡度较小且沿程顺直、断面规整的河道，若下游起始水位对上游河道水位影响较小，则可用明渠恒定均匀流法进行水面线推算；若下游起始水位对上游河道水位影响较大，则可采用天然河道水面线系统进行水面线推算；对于断面不规整的缓流河道，水位推算结果大体呈天然河道水面线系统、HEC-RAS软件、SOBEK软件的趋势；对于急流河道，HEC-RAS软件推算的水位比SOBEK软件推算的水位偏高。
关键词：明渠恒定均匀流法；天然河道水面线系统；HEC-RAS软件；SOBEK 软件；水面线推算Abstract: nullah constant uniform flow method, four kinds of water lines in the natural channel surface line system, HEC-RAS software and SOBEK software projection methods, and different river water surface line projections, then the calculation results of the comparative analysis. The results show that: if the downstream starting water level on the upstream river water level downstream starting water level For a slope smaller and straight along regular cross-section of the river, upstream water level of rivers, the available the nullah constant uniform flow method, the water line projections; greater impact, you can use the natural channel surface line system for the water line projections; sectional irregular slow flow of the river, the water level projection results in a substantially natural channel surface line> HEC-RAS software> SOBEK software trend; rapids river HEC-RAS software projected water level than SOBEK software projected high water level.Keywords: nullah constant uniform flow method; natural channel surface line system; HEC-RAS software; SOBEK software; surface line projections前言水面线推算是河道整治的基础工作，其推算结果直接影响到河道断面的规划设计，进而影响到河道整治的工程量和工程造价。
堰塞体浸润线的Monte Carlo模拟
日一’，；Ｈ为水头 ； 为水平方向坐标 ；Ｙ为垂向坐标 ； ｎ 为土体 孔 隙度 ；ｃ （ｈ）为相对饱 和度 ；Ａ是饱 和 度 ，Ａ＝Ｏ／ｎ，０为体积含水率 ；ｓｓ为贮水率。
ｍ 均取 １．５８，参数 取 ０．００１ ７ ｍ一１，其相应的允许 坡降分别为 ０．１和 ０．６。
在对 比不 同尺度 的计算结 果的情况下 ，取均
本文模拟堰塞体 内稳定渗流 的浸润线 ，此时 值 Ｋ。区域的相关尺度为 ２ ０００，取均值 Ｋ：区域 的 方程 （１）的右边项为零 ，求解时只需要给定 ｋ－ｈ的 相关尺度为 １ ０００。Ｆｒｅｅｚｅ曾系统地分 析过一些含
关系 即土水特征 曲线 ，堰塞体两种材料土水特征 水量 ，认为砂砾石含水层方差 ｇ＝０．９２；淤泥层方差
２．１ 随 机地 下 水 模型 的 建 立 二维饱和／非饱和渗流的基本方程嗍如下 ：
砉 ＯＨ）＋旁 学 ）
（聊 ） １ 厝家 山堰基体二 维模型
式中 ：ｋ（ｈ）为渗透系数 ，是压 力水头 ｈ的函数 ，ｈ＝ 和 ８．６４ ｍｉｄ，Ｖａｎ Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ模 型 （式 （２））中参 数
Ｅｍｔ Ｌａｎｓｉｎｇ。ｕｓＡ；３．西南电力设计院有限公司 ，四川 成都 ６１００２１）
【摘 要 ］ 浸润线 的高低 对堰塞 体的渗透稳 定 至关重要 ，而堰 塞体材料 渗透 系数往往具 有很强 的随机性 。如 果采 用确定性模 型 则不 能准确地 模拟 实际的渗 流场及 浸 润线位 置 。本 文利 用 Ｍｏｎｔｅ ｃａｄ０方法在堰塞体材料 渗透 系数 满足 对数正 态分布 的条件 下 ，对唐 家山堰塞体渗 流场 进行 了 ３００次二维 随机模拟 。结果表 明，受材料 随机 性的影响 ，水 头场、浸 润线分布及渗 透坡 降 场 等均呈现 随机特 性 ，但和渗透 系数场 的随机 性并非 简单 的线性 关系，水头方差 空间变化特 性 较为 明显 。越往 下游其值越 大 ；时比确 定性 模型 ，随机 性模 型 中出逸 点的计算 结果更 具统计 意义 。对 工程 防护 中有一定指 导意义 ；由于受边界 条件 影响较 小 ，堰体 中间部位渗 流特性 基本 满 足正 态分布 ；浸润 线选 出点处受边界 条件 影响较 大 ，选 出位 置 分布 集 中，不服 从 正 态分布 ， 其余 部位浸润 线位 置 高程 随机过 程基本服从 正态分布 。
HEC-RAS一维恒定流模型在水面线计算中的应用研究
376.30
376.29
376.96
376.98
377.99
377.95
379.40
379.69
差值/m
0.00 0.23 0.08 0.07 0.10 0.36 0.15 0.11 0.05 0.40 0.70 -0.04 -0.02 0.28 -0.20 0.05 -0.07 0.69 -0.01 0.02 -0.04 0.29
1 HEC-RAS 软件简介
HEC- RAS 软 件 是 由 美 国 陆 军 工 程 兵 团（US Army Corps of Engineers）工程水文中心（Hydrologic Engineering Center）研发的一种多用途，可在多用户网络环境中交互 使用的河流分析系统（River Analysis System）。HEC-RAS 软件包含了四个水动力模块：恒定流水面线计算；一维、
真实准确。
2.2.3 输入糙率（曼宁系数 n ）数据。HEC-RAS 可
根据断面不同地类设置糙率，或根据断面不同水位（水
深）设置糙率，本次计算根据河道特征进行综合分析类
比，选取糙率主河槽 0.025、滩地 0.035、水塘 0.045、旱田
0.06、村屯 0.07、林地 0.15。
2.2.4 输入水流数据和边界条件。HEC-RAS 软件
Research on Application of HEC-RAS One-dimensional Constant Flow Model in Water Surface Line Calculation
ZHANG Chong
（Jilin Province Water Resource and Hydropower Consultative Company，Changchun Jilin 130021）
某水库上游围堰二维渗流及背水坡稳定分析研究
某水库上游围堰二维渗流及背水坡稳定分析研究发表时间：2020-04-14T09:01:56.313Z 来源：《城镇建设》2020年第3期作者：王冬冬[导读] 某水库的兴建截流需要修建围堰，本工程上游采用心墙坝围堰，但心墙的防渗效果及背水坡的稳定性至关重要摘要：某水库的兴建截流需要修建围堰，本工程上游采用心墙坝围堰，但心墙的防渗效果及背水坡的稳定性至关重要。
本文根据地质资料建立了渗流及坝坡稳定的有限元计算模型，目的是了解围堰渗流场和围堰边坡稳定的情况。
关键词：围堰渗流稳定坡降0 引言近年来对水资源的综合开发利用工作正进行的如火如荼，这对于水利水电工程行业的发展是个极大机遇与挑战。
但是很多的水利工程修建以后也出现了各种问题，纵观各种病险不难发现水库大坝很少出现由于结构破损引起的稳定问题，相反由于渗流稳定引发的次生灾害却层出不穷。
随着计算机技术的发展，数值实验和仿真分析可以部分替代和补充模型试验的研究。
本文利用数值实验，分析围堰的渗流场，分析其岩土体的渗透稳定性的影响，同时分析其对围堰边坡稳定的影响。
1 渗流基本理论考虑土水的压缩性，认为坝体内渗流符合达西定律，非稳定渗流微分方程式为：（1）式中，为水头函数；分别为x，y方向上的渗透系数；为贮水率；该方程根据质量守恒定理描述了流体在渗透介质的流动过程中，其在某一单元体内的增减速率等于进出该单元体流量速率之差。
水头边界为：（2）流量边界为：（3）对于瞬态渗流的计算采用Seep/w软件，它采用的是向后差分法，也即设置为1.0，则有限元方程简化为：（4）2 工程概况某水库工程地处泾河一级支流黑河上，坝址位于黑河干流下游，距河口2.0km。
工程建设开发的主要任务是给矿区工业供水和县城生活供水，同时兼有减淤、发电等功能，属综合利用的大（二）型Ⅱ等水利工程。
本工程采用上下游围堰一次性拦断河床的围堰导流方式，利用泄洪排沙洞导流，根据招标技术文件，大坝施工导流建筑物按4级设计，导流标准选取为10年一遇的洪水标准，相应的洪峰流量为Q=1310m3/s，经调洪计算，堰前水位868.60m，堰顶高程869.80m。
天然河道水面线计算及合理性分析
天然河道水面线计算及合理性分析【摘要】天然河道水面线计算问题一直是水利工程中一个十分重要的问题。
科学合理的分析计算水面线是对水面线推求的基本要求。
笔者在本文中结合对某条河流的水面线推求，对加强水面线计算的合理性进行讨论，对几种常用的水面线计算方法和计算软件进行说明。
【关键字】天然河道、水面线计算、合理性分析一、前言我国现阶段在水面线的推求和计算过程中，经常用到的方法有明渠恒定均匀流法、天然河道水面线系统等，常用的软件有MIKE 11和HEC-RAS，这些方法和软件都有自己的使用范围和特点，下面请和笔者共同来一探究竟。
二、天然河道水面线计算常用方法明渠恒定非均匀流是一种流速沿程变化的流动，伴随着流速变化，水位或水深，过水断面面积等水力要素也将沿程变化。
许多明渠非均匀流问题都可归纳为探求水位或水深的沿程变化规律，即求出函数z=z(s)或者h=h(s)的具体形式，其中s为流程坐标。
这里所讲的明渠恒定非均匀流水深或者水位的沿程变化规律包括两方面的含义：一是水面曲线的定性分析，即探求水面曲线大致是什么形状的曲线，二是水面曲线的定量计算，即需要知道沿程的水深或水位。
为解决这两个问题，首先必须建立描述水深或水位沿程变化规律的微分方程。
1、明渠恒定非均匀流法明渠恒定非均匀流法是最基本的水面线算法，在断面规整的明渠中经常采用。
其基本公式如下形式：式中：Z1、Z2——上游断面和下游断面的水位高程、——上游断面和下游断面的流速水头——动能修正系数；——断面平均流速；、——此河段水流的沿程水头损失和局部水头损失。
2、天然河道水面线系统天然河道过水断面一般极不规则，糙率及纵坡沿程都有变化，明渠恒定均匀流法已不适用。
天然河道水面线系统能较好地解决这一问题，在平原河道整治中运用较为广泛。
该系统的优点是可直接读取断面资料，通过图形窗口划分断面滩槽，利于人机交互，从而提高水面线推算的工作效率。
缺点是只能用于缓流河道，不能直接推算桥、坝等建筑物处的水位。
平坦V形量水堰的数值模拟
人
黄Leabharlann 河 Ｖｏ ． １ ３２． Ｎｏ． ６
ＹＥＩＬ０Ｗ ＲＩ ＶＥＲ
Ｊ ｎ ，０１ ｕ ．２ ０
【 利 水 电工 程 】 水
平 坦 Ｖ形 量 水 堰 的 数 值 模 拟
朱 亚磊 ， 马孝 义 ， 国隆 ， 战 吕静 渭
（ 西北农林科技大学 水利 与建筑工程学院， 陕西 杨凌 ７ ２ ０ ） １１０
１２ Ｃ Ｄ建模 与 网格 划分 ． Ｆ
渠宽取 ２ ｌ堰体上 、 ０ｎ， 下游 坡 比分别 采用 １： ２和１： ， ５ 堰 顶横断面横 向坡 比取 １： ０ 渠高 ３ ｍ。根据 选定 的量 水槽 具 ２， 体尺寸 ， 利用 Ｇ ＭＢＴ ．０ Ａ Ｉ２ ４建立三维几何模 型 ， 了提 高模 拟 为 精度 ， 分别将其进 出口延长了一定长度 ， 保证进 口为有压流 ， 出 口为 自由出流。网格划分选用结构 化网格 ， 对量水槽 主体结构 进行了局部网格加 密处理 。 渠槽 建模 时取顺 水流方 向为 轴
区修建一些结构简单 、 测量精度高的渠道流量测量装置 。在生
产实际中 ， 一些常规的量水堰 如薄壁堰 、 宽顶堰 、 三角剖 面堰 、 平坦 Ｖ形堰等以结构简单 、 测流精度高的优点 而经常作为实验 室和野外率定其他量水设施 的工具 。其 中平坦 Ｖ形 堰是吸
取 了三 角 剖 面 堰 和 三角 形 薄 壁 堰 的 优 点 研 制 而 成 的 新 型 测 流
很多 ， 但生产实践 中需 要考虑投 资成本 和建设周期 ， 些投入 这 高、 周期长的试验研 究 和理 论分 忻 则不适 宜 推广 应用 。近 年 来， 随着计算数学以及计算 机软件 的高速发 展 ， 计算 流体动 力
某型水利工程的水力特性模拟与优化研究
某型水利工程的水力特性模拟与优化研究第一章：引言某型水利工程的水力特性模拟与优化研究是当今水利工程领域的热点研究方向之一。
随着社会经济的不断发展和环境问题的日益突出，对于水力特性模拟与优化的需求也愈发迫切。
本文将围绕某型水利工程的水力特性模拟与优化展开深入研究，以期为相关领域的进一步发展提供有益的参考。
第二章：水力特性模拟方法及优化技术概述2.1 水力特性模拟方法水力特性模拟方法是研究水利工程水流运动规律的重要手段。
常用的水力特性模拟方法包括：物理模型试验、数值模拟以及两者的结合。
物理模型试验通过建立水利工程的缩尺模型，通过实验获得水流运动规律的相关参数。
而数值模拟则是利用计算机技术对水流运动进行仿真，通过数值计算得出水流运动的结果。
两者的结合则能够更全面地研究水流运动规律。
2.2 优化技术概述水力特性模拟的优化技术是为了进一步提高模拟结果的准确性和可靠性而采用的一系列方法。
常见的优化技术包括：参数修正、初始条件调整、边界条件优化等。
参数修正是通过改变模型输入参数来修正模型结果，以使其更接近实际情况；初始条件调整是针对模型运行初始状态进行参数的调整，以获得更准确的模拟结果；边界条件优化则是通过优化模型的边界条件，以使模拟结果与实际情况更吻合。
第三章：某型水利工程的水力特性模拟3.1 水力特性模拟流程针对某型水利工程的特点，可以确定水力特性模拟的流程为：首先，收集水力特性模拟所需的基础数据，包括水文数据、地理数据等。
然后，建立水力特性模拟模型，包括选择合适的水力模型、确定模型参数等。
接下来，进行模型验证，将模拟结果与实测数据进行对比分析，以验证模型的准确性。
最后，根据模拟结果进行水利工程的水力特性分析，了解水流运动规律以及相关参数变化规律。
3.2 物理模型试验物理模型试验是水力特性模拟研究中的重要手段之一。
该型水利工程在进行物理模型试验时，需采用合适的缩尺比，并模拟真实工程的流量、水位变化。
通过实验可以得到水流的速度、压力等参数，并结合某型水利工程的实际情况，对水流运动规律进行深入分析。
迷宫堰的特点及优越性
迷宫堰的特点及优越性武剑;孙森林;邵继梅【期刊名称】《河北水利》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】1页(P45-45)【作者】武剑;孙森林;邵继梅【作者单位】河北省水利水电勘测设计研究院;河北省水利水电勘测设计研究院;河北省水利水电勘测设计研究院【正文语种】中文迷宫堰亦称“折线型堰”是堰顶平面形状为锯齿形的一种特殊堰型，它的溢流前沿宽度比直线形堰长几倍,在较低水头时具有较大的过流能力,加上它的经济、高效、方便布置和便于管理等特点，非常适合于泄水宽度受限，但又需提高泄流能力的泄水建筑物中。
迷宫堰在我国水利工程中应用较晚，但国内在水库溢洪道改造中应用迷宫堰，积累了很多经验，取得了巨大的效益。
1. 迷宫堰的特点迷宫堰平面上是由一串首尾相接的三角形、梯形或矩形等几何结构组成，堰顶轴线呈折线，状如锯齿。
在堰顶轴线特征上，迷宫堰有明显区别，迷宫堰用连续折线代替传统的直线布置形式，具有了数倍于直线的泄水前沿。
依据单宫形状的不同，迷宫堰在平面上分为三角形和梯形的布设。
水力特性表现最优秀的是三角形布设，缺点是溢流水舌之间的干扰程度过高。
因此，为了便于工程施工施工，一般采用接近三角形的梯形进行工程布设。
迷宫堰还可以设置调整段，进行一级缩窄，也可布置成二级缩窄，此时应验算堰后最小堰高是否满足自由出流。
迷宫堰水流是三元流，既有正堰水流，又有侧堰水流。
水流经过堰顶后，会集中下泄，相互撞击的三股水流使得迷宫堰的水力特性比直线堰更为复杂。
普通的泄流函数很难解析计算，实际应用中多用因次分析法与试验相结合的一元流的分析方法，并以计算机辅助求解。
依据能量守恒定律和缓变流的连续性原理可知。
水流从引渠进入上游宫室时，过水断面突然收缩从而引起水面下降，邻近两侧堰时，水位又上升，总的趋势是上游水面线先降后升，下游则先升后降，致使堰前水头小于引渠的工作水头。
自引渠经宫室到溢流，堰顶平均水面线越来越接近库水位时，其泄流能力增大，迷宫堰的性能更好。
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某迷宫堰水面线模拟研究
迷宫堰是一种实用高效的新型溢流堰，在不改变泄流宽度的情况下，可大幅度提高过流能力，
或相同堰顶高程泄流能力增大，在洪水位不变的情况下可加大堰顶高程，从而增大库容，使
得洪水位减小，减轻了库区淹没损失。本文主要利用Gambit软件和Fluent软件对迷宫堰进
行了三维数值模拟，并对结果进行了对比分析。
1几何三维模型建立
前宮长度4m，后宫长度4m，侧堰长度8m，其中侧堰与前后宫夹角分别为60度和120度，
堰高1m，水头分别为1.2m、1.3m、1.4m，空气厚度为1m，堰前后水流长度均为15m。
2网格划分及计算
先通过CAD软件建立迷宫堰的三维图形，然后导入Fluent的前处理器Gambit软件中，选择
求解器，划分网格，设定边界条件，最后再导入Fluent软件中设置计算的其他参数开始计算。
2.1网格划分
由于形体比较规则，故统一采用0.25m网格间距，各个工况下的空间离散的单元个数约为
38万个。
2.2算法及边界条件
采用标准k—ε方程紊流模型计算，在计算域中采用有限体积法进行控制方程的离散。
(1)进口边界条件：由于进口处水位及流量已知，故采用流速进口边界条件。在使用标准k—ε
模型时，要给定进口边界上k和ε的估算值，目前没有精确计算这两个参数的公式，在没有
任何已知条件时，可根据有关公式估计进口的k和ε的分布（周赤，徐勤勤2001）。空气进
口边界条件采用大气压进口边界条件，进口边界上k和ε的估算值与水流进口的值相同。
(2)出口边界条件：出口采用压力出口边界条件。
(3)壁面边界条件：对近壁区流动采用标准壁面函数来模拟，壁面上采用无滑移速度边界条件。
(4)自由水面条件：由于是按定常流计算，并且水流进口有明显的流入边界，所以解是独立于
初始时间。按定常流时的VOF方法追踪自由水面。
3软件计算结果展示及分析
计算以进出口流量的差值作为判断计算是否完成的依据，当进出口流量差值小于5%时，认
为计算已经完成。
3.1水面线结果：
a：当水头为1.2m时，前宫纵切面水面线如图3-1所示：
图3-1前宫纵切面水面线
b：当水头为1.3m时，前宫纵切面水面线如图3-2所示：
图3-2前宫纵切面水面线
c：当水头为1.4m时，前宫纵切面水面线如图3-3所示：
d：当水头为1.2m时，后宫纵切面水面线如图3-4所示：
图3-3前宫纵切面水面线
图3-4后宫纵切面水面线
e：当水头为1.3m时，后宫纵切面水面线如图3-5所示：
图3-5后宫纵切面水面线
f：当水头为1.4m时，后宫纵切面水面线如图3-6所示：
图3-6后宫纵切面水面线
3.2不同水头水面线图分析：
前宫：水头的增大，水流过堰后冲击力增大，水流过堰后越靠近底部，水面线平顺程度有所
下降；但水头过高，导致流速较大，最后水面线又变为平顺。
后宫：随着水头的增加，水流扰动程度先增加后减小，水面线由平顺变为不平顺再变为平顺。
参考文献
[1]李玲,陈永灿等.2007.三维VOF模型及其在溢洪道水流计算中的应用.水力发电学报
26(2):83-87.
[2]李玲,陈永灿等.2007.三维VOF模型及其在溢洪道水流计算中的应用.水力发电学报
26(2):83-87.
[3]李志勤,李洪,李嘉等.2003.溢流丁坝附近自由水面的实验研究与数值模拟.水利学报(8)：
53～57.