柳城镇排水通道流量控制系统的建模与设计.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER162第 40卷第 2期0 引言河源市东源县柳城镇位于山丘区，加之台风暴雨多发，这一特殊的自然地理和气候条件，决定了山区河流洪水灾害、水土流失的频繁性。随着夏季的临近，柳城镇台风暴雨的次数多，强度大，但暴雨持续时间较短，预计在夏季的几个月里会有短暂的径流。雨水径流通过排水沟、沟渠和涵洞系统流经柳城镇。在大流量期间，径流调动泥沙，侵蚀排水渠道和堤防，并溢出到道路上1。这个问题可以通过控制流量来最小化，因此，了解这些通道的流动特性对本研究至关重要。大多数非结构性侵蚀控制的最佳管理实践依赖于培育植被、耕作方法和渗透控制2，而这在柳城镇土壤、气候或陡度条件下是不可行的。1 种可行的非结构方法是使用多孔织物或土工布作为分隔物3-4，加固斜坡以及排水和侵蚀控制，还可用于补充结构控制。由于环境限制和独特性，本研究考虑的结构流量控制必须对环境安全、便携、耐用和实用，包括安装和拆卸的便利性。为了控制径流，本研究进行了初步设计和模型建立。进行了 1 个迭代过程，以考虑设计和建模之间的几个变量和因素，为选定的排水渠道开发适当的流量控制方法。1 材料与方法1.1 流动特性在 20192020 年和 20202021 年的夏季，整个季节都进行了人工速度和深度测量。在每个柳城镇排水通道流量控制系统的建模与设计郑成亮（河源市水利水电勘测设计院有限公司，广东河源517000）摘要：夏季的柳城镇雨水径流十分严重，在大流量期间，径流调动泥沙，侵蚀排水渠道和堤防，并溢流到道路上。为控制流量最小化并了解通道内的流动特性，针对柳城镇排水系统的极端流量场景，开发了流量控制模型。采用一维水力学模型估算了高流量条件下堰的影响，从便携性、耐久性和实用性出发，设计 3 种大坝，以帮助在极端径流事件期间积蓄水流。关键词：径流；水力模型；流量控制设计；侵蚀中图分类号：TV222.2；TU992.22文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)02-0162-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.02.039Modeling and Design of Flow Control System for Liucheng Town Drainage ChannelZHENG Chengliang(Heyuan Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute Co.,Ltd,Heyuan 517000,China)Abstract:The summer rainwater runoff in Liucheng Town is very severe.During periods of high flow,runoff mobilizes sediment,erodes drainage channels and embankments,and overflows onto roads.In order to minimize flow and understand the flow characteristics within the channel,this paper developed a flow control model for the extreme flow scenario of the drainage system in Liucheng Town.It uses a one-dimensional hydraulic model to estimate the impact of weirs under high flow conditions.Starting from portability,durability,and practicality,three types of dams are designed to help accumulate water flow during extreme runoff events.Keywords:runoff;hydraulic model;flow control design;erosion收稿日期：2023-04-26作者简介：郑成亮（1991-），男，广东惠州人，工程师，主要从事水利工程设计工作。*郑成亮 柳城镇排水通道流量控制系统的建模与设计163位置随机进行测量，并根据平均流速测量和通道横截面尺寸计算流量。使用压力传感器（即 HOBO水位指示器）测量连续流量深度，允许连续推断每个测量站的流量。同样的分析方法记录了 2019-10 和 2020-11 年夏季流量测量的方法和分析（见图 1）。暴雨期径流的特征是具有日周期的短暂流。由于 2020-11 年夏季的流量高于前一个夏季，因此该研究将其用于流量控制的设计和建模。对于土石坝设计，以考虑水流所携带的淤泥和沉积物在增加水密度的情况下进行。必须计算出水平力和垂直力的合力以及合力力矩，以确定大坝是否会倾覆。由于岩石堆是不连续的，大坝很可能会破裂。因此，滑移或剪切分析在该大坝的设计中尤为重要。表 1 总结了 4 种坝高的摩擦比和水平比估计值。表 1 不同坝体设计下土石坝与地面摩擦力的水平压力对比表排水渠坝高/m最大水平压力/（N/单位宽度）摩擦力/（N/单位宽度）摩擦力/水平力2B0.7622 48219 6197.90.611 41214 36010.170.4576419 76815.240.2351714 46126.122C0.7622 56417 6986.90.611 47410 9817.450.4576415 7869.020.2351931 6088.343A0.7622 48217 0356.860.611 41210 5657.480.4576415 5418.640.2351711 75510.27为了测试滑动或剪切，将水压产生的水平力与大坝和地面间的摩擦力进行比较。如果水平压力大于摩擦力，大坝会倒塌并被冲走。流经结构的水的升力抵消了大坝重量的一部分，这降低了抵抗剪切的有效摩擦力。然而，来自坝面以上水柱的额外重量增加了更大的向下力，这增加了有效摩擦力。取柳城镇土工织物和岩石之间的静摩擦系数近似为 0.58，桩中岩石之间的摩擦系数大于 0.6。因此，砾石（地面）与土工布（大坝）之间的界面是最可能发生滑动或剪切的地方。这种剪切分析的潜在问题是，大坝表面的小岩石可能会在整个大坝崩溃之前被冲走。因为岩石的质量比整个大坝要小，它们不能承受整个大坝所能承受的水平压力。然而，锚定的土工织物应将小块单独的岩石固定在适当的位置，这样岩石桩就可以适当地发挥截流坝的作用。从表 1 可见，由剪切或倾覆造成的破坏是遥远的。压缩或破碎准则规定，砾石承载能力（容量600 kPa，用于密实砾石）与大坝重量单位面积受力的比值必须大于 1，以确保地面能够承受大坝重?图 1 两条主要水渠（2B 及 3A）的排水情况图1.2 流量控制的设计考虑因素柳城镇内考虑的主要结构控制是由松散岩石和其他材料制成的小堰或止回坝。它们通常用于控制上游侵蚀和在泥沙进入接收水域之前截留泥沙。水坝和堰受到几种不同类型的力，在设计时必须考虑到这些力。建模计算有助于确保大坝所选择的材料能够承受所施加的力。1.2.1 挡水坝土石坝是在输水通道上建造的小型流量控制结构，通常由砂砾、岩石、沙袋、木材或稻草包制成。这些结构减少了侵蚀和泥沙运输，并通过减缓流速、减少有效坡度、分散大坝下面的水流以及在结构上游的小水池中捕获泥沙来促进沉积和河道稳定5。在干旱的气候条件下，土石坝还可以储存沉积物并保持水分。使用多孔材料，既可以过滤沉积物，也能暂时储存和减缓水流，还能降低结构的水头，从而减少侵蚀。164云南水力发电2024 年第 2 期量的力。表 2 为不同坝高下承载力与坝重的比值。这个比值必须大于 1，砾石才能成功承受大坝的重量。结果表明，不太可能发生压碎。表 2 各坝高下每面积砾石承载力与坝重之比表坝高/m承载力/（重量/m2）0.7659 750.6164 950.4671 1320.2559 751.2.2 木堰由于堰的几何形状和锚定方式，堰上的临界力与重力坝略有不同。在这种特殊的设计中，摩擦力和来自水的垂直压力被忽略，大坝不会因此而倒塌，它仍然会受到大坝自身的抬升力和重量力。只要水的高度相同，水就会施加与挡石坝相同的水平力。即使水的深度更大，这些大坝的设计也使它们能够承受至少比计算力大 3 倍的力。将云杉木材和钢材的许用应力分别与木板和柱子的许用应力计算值进行了比较。公式（1）根据梁的几何形状计算了分布荷载下梁的最大允许应力。（1）式 中：Mmax 横 梁 所 能 承 受 的 最 大 力 矩，；木片上的分布载荷，等于来自水的水平压力乘以梁的高度 H；L梁的长度；I横梁的转动惯量，；b梁横截面的底部。1.3 流量控制建模建模使用一维水力模型（HEC-RAS）来计算水力参数并评估堰涵洞的水面轮廓6。由于该模型没有评估多孔止水坝，因此使用了 1 组简单的物理方程来确定捕集效率。水工模型的结果还用于评估每个子流域的输沙量，以评估备用水流出口的影响。横断面位置和倒立高程从测量点输入几何图形。这些站点的横断面轮廓基于 HOBO 横断面轮廓、涵洞照片和现场类似横断面的数字分析。20192020 年夏季和 20202021 年的几个日期进行了人工流量和深度测量，用于深度和流量测量的相关性。这些流量根据流域面积分布在不同的子流域。通过将观测深度测量值与模型测量值进行比较，对每个测量位置的曼宁斯粗糙度进行校准，曼宁指数在 0.02 0.04 之间。模型运行采用 3 倍于最大测量流量的设计流量，以评估各种堰结构和涵洞容量（表 3）。在所有入口和出口假设基于现有河床坡度的正常流量边界条件，并在结点处平衡能量方程。表 3 各排水道设计参数的边界条件表值排水渠位置/Rm实测最大流量/（m3/s）设计流/（m3/s）边界条件斜率上游下游1D1206.80.0160.0480.004 5J1出口5.371.0493.148J0.020 52D2C554.50.2650.7960.171 2J3D3C1219.70.0970.290.089 9J3D3B659.80.0410.122JJ3D3A300.20.1780.534JJ3D2B161.31.0333.1JJ4D3D292.790.0050.0140.014 4J5D3E444.20.0330.0990.020 7J6D6178.10.1630.490.033 30.171 97D71810.0410.1230.035 70.076 5表注：J 表示它是 1 个连接点，由软件进行平衡。2 分析讨论2.1 模型结果堰的设计在 8 个地点进行评估，每个地点有4 个不同的设计深度。每个站点具有相似的截面剖面，但排放量差异显著。拟建的排水道 2C 堰所得到的水面剖面如图 2 所示。对于最高的 0.76 m 堰，在堰的位置将高度从现有的 0.12 m 增加到 0.72 m。堰在上游形成了超过 7.8 m 的回水，蓄积了大约 8 m3的水。在这些陡峭的排水路径（坡度约 9%）中，流量是超临界的，但在堰上游，水力跳跃过渡到堰的亚临界回水。减少侵蚀潜力最简单的方法是将堰上游的河道速度与允许速度进行比较。图 3显示了基于现有速度偏差的结果，3B 堰在现有条件下与较低堰之间的速度变化较大，但随着设计高度的增加，速度几乎没有变化。然而，2CU 站点是现有流速最大的站点之一，在有效堰高处，流速的增加比其他位置更大。2.2 岩石桩设计本研究分析的典型设计横截面由顺流方向的郑成亮 柳城镇排水通道流量控制系统的建模与设计165宽底部和窄顶部（图 4）和从河道两岸到中间低点的有角度的顶部组成。该设计还将在上游一侧有 1个 0.3 m 深的水池。蓄水池的设计目的是提供大容量来蓄水，这使得淤泥在水流到下游之前有更多的时间沉淀下来。木制流网是 1 块带孔的木头，上面覆盖着土工布，旨在为大坝提供内部支撑和额外的过滤能力。HEC-RAS 模拟提供了该站每个位置止回坝后?图 2 拟建在排水渠 2C 堰水面剖面图?图 3 因堰引起的速度变化图?图 4 挡水坝的基本设计图3 结束语夏季时柳城镇的排水渠道中短暂的水流完全是由雨水径流驱动的。利用基于实测流量数据和河道几何形状建模和设计的结构系统来控制水流以及侵蚀。根据模型结果，最高的堰使上游超过 4 m 的回水，且其蓄水量可达 9 m3，以备泄洪之用。在设计条件下，估算的摩擦力和水平力比及承载力与坝体重量比均大于 1。用于计算设计力的值是在排水管道中实测的流量的几倍。在极端情况下，这些模型的表现和可持续的能力都是不确定的。这些初步设计只是为了试验，当然还需要进一步改进。参考文献：1周抒宇，宋现财，王静,等.城镇雨水径流污染研究综述J.供水技术，2021,15（3）:43-50.2汪诚文，郭天鹏.雨水污染控制在美国的发展、实践及对中国的启示J.环境污染与防治,2011,33（10）:86-89+105.3黄顺伟，钱晓明，周觅.国内外土工布发展与研究现状J.纺织科技进展，2017,（1）:11-14.4杨广庆.土工布发展现状及趋势展望J.纺织导报，2017,（5）:20+22+24-25.5 丁树云，蔡正银.土石坝渗流研究综述 J.人民长江，2008,（2）:33-36+108.6叶冠清，张飞龙，孙秀峰.HEC-RAS 模型在低坝壅水分析中的应用J.中国水运：下半月，2021,21（9）:105-106.?图 5 木堰的基本设计图的水深值，用于计算这些大坝上的最大水平压力。2.3 木堰设计木堰尺寸为 50 mm200 mm。通过支架套相互连接的板，然后安装在嵌入地面的钢柱上（图5）。在大坝的上游将建造 1 个由岩石和砂砾组成的小角度墙，以帮助防止水破坏大坝。