计算河道正常高水位线以确定亲水平台高程.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2005年5月第3期收稿日期:2005203222作者简介:游屹(19722),男,四川成都人,工程师,设计所主任工程师,从事市政工程设计工作。计算河道正常高水位线以确定亲水平台高程游 屹,罗 宁(成都市市政工程设计研究院,四川成都 610015)摘 要:该文阐述了确定河道人行亲水平台高程的控制因素 正常高水位线的计算方法及过程,结合分析河道已建壅水建筑物对正常高水位线的影响,提出了确定人行平台高程应遵循的原则并介绍一种简便的校核计算正常高水位线的方法。关键词:河道景观;人行亲水平台;正常高水位;能量方程;水头损失;成都沙河中图分类号:P332.3 文献标识码:A 文章编号:100927716(2005)03200652031 概述沙河综合整治工程是成都市政府营造优美城市环境,提高城市形象和进行东郊工业结构调整的综合性工程。在沙河综合整治中,河道防洪工程措施主要是增大河道坡度、固堤护岸、减小河床糙率、改造河道阻水建筑物、增大水流冲淤流速,达到增大河道过流能力的目的,以彻底解决沙河存在的淤积、河堤垮塌、防洪能力低等问题。河道工程除了满足防洪要求外,同时也营造一个优美的环境,为成都市民提供一条生态、自然、亲水及休闲的新沙河。由于沙河流量主要由上游进水闸控制,平常流量约为1315 m3/s,如果没有壅水闸坝作用,那么正常水深大多在1 m以下,相对于高耸的河岸,沙河大多数时间呈现给市民的将是一条水面远离河岸,干涸的死河,毫无优美可言。鉴于沙河现有水闸改造后控制水深范围有限,尚不能使沙河全河段都达到理想的水环境要求,因此经综合分析后在中三洞桥和沙河出口处新布置两处壅水闸坝,与已有水闸联合运行,壅高常水位,拉近人与水面的距离,给沙河规划的景区环境提供必要的支持。对于已有水闸的改造应考虑上游取水高程限制并综合考虑水景要求以及两岸现状高程控制河水不能溢出以及雨水不能倒灌等要求,决定其壅水高度,确定闸的规模。综合整治的河道设计方案在满足防洪规划要求的前提下,结合沿河两岸规划景观分布特点,灵活多变地设计河堤形式和相关的水利工程设施,做到生态性、自然性、亲水性及休闲性的有机统一,充分展示成都市历史上形成的人文和自然环境协调统一的河居文化特色。综合整治河堤设计以两区为分界线,即驷马桥以上的水源保护区和其以下的城市滨水绿化景区,前者河堤设计突出水源保护特点,后者设计突出亲水性和参与性。在体现亲水性特点河段,沙河人行平台设置位置一般在正常高水位以上0.20.5 m,这样人行平台就能最大限度地接近水面,拉近了人与水面的距离,增加了参与和观赏的条件。为了突出沙河生态性和自然性的特色,同时满足沙河200 a一遇的城市防洪要求,沙河河堤结构形式在人行平台下采用必要圬工,而河堤上部斜坡部分在洪水位以下采用防冲草坪,这样既能满足河道防冲刷要求又能满足绿化美化两岸景观和市民参与性要求。常水位及以下的圬工材料可采用条石、混凝土块、卵石等,并可在河堤罩面材料中预留孔洞以方便微小生物生活,使沙河河道的生态性得以具体的体现。由于圬工大多在水下,能见部位很小,这样呈现给市民的将是具有优美环境和高效防洪功能的新沙河。2 正常高水位线的计算正是由于正常高水位决定着沙河的景观效果,因此,确定计算正常高水位线是沙河河道设计的重点之一。决定正常高水位的因素有:(1)闸前正常高蓄水位;(2)河道比降T;(3)河道断面尺寸;(4)河道糙率参数;(5)河道平常径流量。计算采用天然河道水面曲线计算方法。天然河道水面曲线的计算,就是根据河道地形、纵横断面资料和河道糙率,推求河段在某一流量下各横断面处的水位值,据此即可连出一条对应于该流量的水面曲线。在河道上修建壅水闸坝使上游水位抬高,计算壅水水面沿河段的高度,即计算水面曲线,从而确定圬工高度。考虑沙河景观和水闸水力计算要求,确定闸坝壅水高度,再计56 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2005年5月第3期算河道水面曲线。计算河道水面曲线常用方法是试算法、迭代法和图解法,这类方法沿河道顺序逐段推求各计算河段横断面的水位值,其计算方法是根据河道地形及纵横断面,把研究的整个河道划分成(m-1)个计算河段,共有m个横断面。天然河道横断面一般很不规则,糙率及底坡沿程都有变化,岸线曲直相间,而且河底高低不平,兼有河床冲淤的影响。因此,可用分段求和法来研究水位在不规则河道中的沿程变化。对第i-1计算河段,第i-1断面和第i断面的伯诺里(Bernoulli)能量方程为:zi-1+(ai-1+i-1)Q2/(2gAi-12)-Q2ni-12si-1/(2Ai-12Ri-14/3)=zi+(ai-1+i-1)Q2/(2gA2i)-Q2ni-12si-1/(2Ai2Ri4/3)(1)其中:zi-1、zi分别为第i-1断面(上游断面)和第i断面(下游断面)的水位(m);si-1、ai-1、i-1、ni-1分别为第i-1计算河段的纵向长度(m)、动能修正系数、局部阻力系数和河道糙率;Q为河流量(m3/s);g为重力加速度(m/s2);Ai-1、Ai、Ri-1、Ri分别为第i-1断面和第i断面的过水断面面积(m2)和水力半径(m),i=2,3,m。因为断面水力要素A、R是水位z的函数,所以计算过程中需要建立各断面水力要素与水位的关系,通常采用拉格朗日(Lagrange)二次插值公式,即:y=y1(x-x2)(x-x3)/(x1-x2)(x1-x3)+y2(x-x1)(x-x3)/(x2-x1)(x2-x3)+y3(x-x1)(x-x2)/(x3-x1)(x3-x2)(2)其中:x1、x2、x3为插值基点;y1、y2、y3为插值基点对应的函数值。它们都是已知的。利用上式可求插值点为x的插值函数值y,将水位z当作x,断面水力要素如A、R等作为y,就可求得相应于断面不同水位的水力要素值。于是,当流量及其他条件不变时,式(1)左右两端分别转化为第i-1断面水位和第i断面水位的函数,即:Ei-1(zi-1)-zi-1+(i-1+i-1)Q2/(2gA2i-1)-Q2n2i-1si-1/(2A2i-1R4/3i-1)(3)Ei(zi)=zi+(i-1+i-1)Q2/(2gA21)+Q2n2i-1si-1/(2A21R4/31)(4)目前推求河道水面曲线的常用方法是试算法和迭代法。试算法的计算过程是:(1)已知计算河段的水位(例如zi),按式(4)求函数Ei(zi)值;(2)假定计算河段另一端水位(例如zi-1),按式(3)求出其对应的函数Ei-1(zi-1)值,比较Ei(zi)与Ei-1(zi-1),直至这两函数值之差小于允许误差d时,所假设的值即为所求的水位值;(3)将本河段求出的水位值(例如zi-1)作为下一计算河段已知断面的水位(例如zi)转步骤(1),依次逐段进行,i=m,m-1,2,从而得到对应于某河道流量值的全河段各计算断面的水位值。迭代法的计算过程是:由式(3)和式(4)建立如下迭代公式:zi-1=Ei(zi)-(i-1+i-1)Q2/(2gA2i-1)+Q2n2i-1si-1/(2A2i-1R4/3i-1)(5)与试算法类似,先假定zi-1值,然后按式(5)得到zi-1计算值,若计算值与假定值之差大于允许误差d,则把计算值作为新的假定值,再按式(5)得到zi-1计算值,若计算值与假定值之差不大于d,则把计算值作为最终结果;将本河段求出的zi-1值作为下一计算河段已知断面的zi值,依次逐段进行,i=m,m-1,2,从而得到对应于某河道流量值的全河段各计算断面的水位值。可见,在试算法和迭代法中,每一计算河段都存在计算误差(允许误差为d),而计算又是逐段依次进行的,前面计算河段的计算误差将传递给后面计算河段的计算结果,因此存在各计算河段的误差累积问题,从而无法有效控制全河段的总计算误差。为此,在水利工程设计中常常需要预先确定多个控制断面对应于某河道流量的水位值(例如利用全河段内或其附近的水文站或水位站的水位流量关系曲线),以控制计算误差,而这在实际工程设计中时常无法满足。在天然河道水面曲线计算中,日前常用的基于逐河段计算的图解法、试算法和迭代法都存在计算误差的累积问题。本次计算采用的水面线计算程序正是按照迭代法进行的,但由于误差很小,对于圬工布置影响不大,故可以作为正常高水位成果作为景观设计参数来确定人行平台高程。3 校核正常高水位线简便计算方法计算水面曲线最基本的就是能量方程,笔者在这里向大家介绍一种比较简单的校核正常高水位线的方法。已知起点水面高程,取合适河段长度(一般取200400 m)计算出河道段末点距离起点的总水头损失(沿程水头损失和局部水头损失),加上起点水面高程即为该点水面高程,再用求得该点水面高程为已知条件用相同方法求得下段末点水面高程,如此迭代下去,从而求出正常高水位线。在计算中最重要的是求出段点间的平均流速V和水力半径R。由于常流量较小,水闸壅水后水力坡降很小,为66 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2005年5月第3期简化计算,其中最基本参数设计水深H采用计算起点水面高程减去该河段中点河底高程求得,而渠化后的河道面积较好求出,当计算河段所取步长较短时,误差很小。用此方法计算,仅用Excel编制简单计算表格就可求出。平均流速计算公式为:V=(Q/A1+Q/A2)/2式中:Q 计算河段流量A1 计算起点过水面积A2 计算终点过水面积根据平均流速求出沿程水头损失和局部水头损失,其中沿程水头损失计算公式为:hf-L V2/8Rg式中:沿程阻力系数,=8 g/C2R 水力半径L 计算河道长度局部水头损失计算公式为:hj=V2/2g式中:局部水头损失系数计算结果分析,局部水头损失一般均远远小于沿程水头损失,故实际校核中可以将沿程水头损失作为总水头损失。在沙河工程中,校核成果与程序计算成果误差小于10%,说明校核的方法可以作为快速确定正常高水位线的一种计算方法。4 存在问题和经验在最后确定岸边人行平台高程线时,考虑到正常高水位线计算是在清淤以后的沙河标准断面下进行的,实际沙河在运行后,由于壅水闸坝壅高了水位,降低了沙河水流的流速,不可避免地将造成河道的淤积,使得实际过水断面逐渐减小,流速也将随之逐步增大,从而正常高水位线变化趋势将向库尾抬升。由于河道淤积程度不好量化,故过流断面也不能量化,准确的计算过流断面变化后的正常高水位线也就没有了设计依据。根据沙河现有的水闸联合运行测量的瞬时水位给设计以一些数据依据,分析双水碾 刘家碾间河道水库2002年1月20日瞬时水面线。双水碾闸前水位为506.22 m,刘家碾闸后水位为506.30 m,说明水位升高了8 cm,比计算正常高水位线得出的库前库后水位差值2 cm增加了6 cm。水库长度约为900 m,从河道纵断面测量资料可以看出此段河道淤积比较严重。分析跳蹬河水闸 麻石桥水闸间河道水库2002年1月20日瞬时水面线。跳蹬河闸前水位为498.38 m,麻石桥闸后水位为498.84 m,说明水位升高了46 cm,比计算正常高水位线得出的库前库后水位差值2 cm增加了44 cm。水库长1 713 m,从河道纵断面测量资料可以看出此段河道淤积特别严重。淤积严重原因就是水闸长时间处于高水位低流速下运行,而未综合整治的沙河悬淤质补给充分,使得悬淤质沉积。综合整治后的沙河水库运行方式将会更科学,淤积物的来源将会减少,可以肯定以后的河道淤积会有较好的改善。届时正常高水位线在库前和库尾相差不会超过现在稳定后跳蹬河水闸 麻石桥水闸间的正常高水位差。根据测量瞬时水面线的分析,可以确定今后水面曲线的变化与淤积程度、河道水库的长度成正比。在实际沙河设计中,由于壅水闸坝形成的河道水库前的水位由水闸控制,能够准确确定高程,故在河道水库前的人行平台高程确定在正常高水位上20 cm;库尾的人行平台高程确定考虑了今后河道运行淤积、水库长度等因素的影响,人行平台高程确定在正常高水位上3050 cm。5 结束语由于现在城市河道综合整治对景观要求越来越高,而河道常流量一般都很小,为了营造水面影响,一般都需要壅水闸坝壅高水位满足景观需要。河道亲水平台高程控制的重要因素是正常高水位,而进行正常高水位计算必须先准备闸前正常高蓄水位、河道比降、河道断面尺寸、河道糙率参数、河道平常径流量等数据资料以便于程序计算。在具体工作中,如果河道长度不长也可采用简便方法进行水位计算以提高工作效率。在最后确定亲水平台高程时还应充分考虑河道运行方式、推移质和悬淤质在河水中的含量对于河道淤积影响,在壅水闸坝库前库尾采用不同的超高值,这样才能更好地符合实际情况,达到人们亲水、乐水的要求。短讯 今后十年,我国将迎来城市、城际轨道交通建议高潮,建设里程为1 2001 500 km。这是世界轨道交通建设史上极为罕见的。我国城市轨道交通建设始于1965年北京地铁的开工。截至2004年年底,我国已建成18条轨道交通线路,营运总里程累计达405 km。76 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/Keywords:flood wall,construction,raw water diversion pipe,pipe protection bridge,monitoring,Shanghai CityTo Calculate Normal High Water Level of River Course to Determine Elevation of Waterside PavilionYou Yi,L uo N ing(65)Abstract:The paper states the control factor for determining the elevation of waterside pavilion of river coursethe calcu2lation method and course of normal high water level.In the combination with analyzing the influence of the built hammedwater structures of the river course on the normal high water level,the paper puts forward the principle followed by theelevation of waterside pavilion and introduces a kind of simple methods for checking and calculating the normal water level.Keywords:landscape of river course,waterside pavilion,normal high water level,energy equation,head loss,Shahe Riverin Chendu CityMANAGEMENT&CONSTRUCITONPractice for Overcoming Extra2Sinking Construction Technology of Sinking WellWang Chunping,Chen Guansheng(68)Abstract:The paper puts forward to solve extra2sinking quality problem occurred often in sinking construction by increasingflange plate.In the combination with the project practice,the paper introduces in details the design thinking and calcula2tion method of the flange plates.Keywords:sinking construction,extra2sinking,flange plate,Wenzhou CityApplication of Dynamic Segmental Technology in Pavement Management SystemGe X uejun,Qiu Yanjun(71)Abstract:Dynamic segmental technology is a new technology of store,display and analysis of linear characteristics.It hasstarted to adopt the pavement management system.The paper introduces the basic idea and principle in dynamic segmentaltechnology,analyzes the data structure of dynamic segment in pavement management system and in the combination withthe example,the paper introduces the application in the system.Keywords:dynamic segment,linear characteristics,pavement management systemBrief Analysis of Management Mode of 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