适用于水土保持设计中的弃渣场水力计算实现方法

技术领域

本发明涉及一种水力计算方法，具体是一种适用于水土保持设计中的弃渣场水力计算实现方法。

背景技术

水土保持是山区发展的生命线，是国土整治、江河治理的根本，是国民经济和社会发展的基础，是我们必须长期坚持的一项基本国策(国务院国发[1993]5号文件"关于加强水土保持工作的通知")。通过开展小流域综合治理，层层设防，节节拦蓄，增加地表植被，可以涵养水源，调节小气候，有效地改善生态环境和农业生产基础条件，减少水、旱、风沙等自然灾害，促进产业结构的调整，促进农业增产和农民增收。

目前，生产建设项目水土保持的设计中存在水土保持相关的排水措施设计规范与其它规范的不同之处，常用的“缓坡渠道-台阶式陡坡渠道-消力池”排水模式难以进行系统的计算问题，特别是没有一个专门针对弃渣场的水力计算模型。

发明内容

本发明根据现有技术的不足提供一种适用于水土保持设计中的弃渣场水力计算实现方法，能够对水土保持设计中弃渣场水力模型进行系统计算，提高水土保持措施设计效率。

本发明的技术方案：一种适用于水土保持设计中的弃渣场水力计算实现方法,包括以下步骤：

S1.获取弃渣场集雨面积F以及查询径流系数用于弃渣场截排水沟洪峰流量计算；

S2.计算弃渣场截排水沟洪峰流量Q_m，按照公式计算出弃渣场截排水沟洪峰流量Q_m，式中为径流系数，q为设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度，F为弃渣场集雨面积；

S3.根据步骤S2计算得到的弃渣场截排水沟洪峰流量Q_m进行缓坡渠道水力计算，得到缓坡渠道正常水深、缓坡渠道流速、缓坡渠道设计沟深；

S4.根据步骤S2计算得到的弃渣场截排水沟洪峰流量Q_m进行台阶式跌坎陡坡渠道水力计算，得到台阶式跌坎陡坡渠道水深、台阶式跌坎陡坡渠道流速、台阶式跌坎陡坡渠道设计沟深；

S5.根据步骤S2计算得到的弃渣场截排水沟洪峰流量Q_m进行下挖式消力池水力计算，得到弗莱德数、下挖式消力池下挖深度、下挖式消力池水跃长度、下挖式消力池跃后水深、下挖式消力池长、下挖式消力池边墙高度。

所述步骤S3的缓坡渠道水力计算包括，

S30.获取预设缓坡渠道底宽和坡度数值；

S31.查找缓坡渠道的糙率值；

S32.根据步骤S30和步骤S31获取的预设缓坡渠道底宽和坡度数值和缓坡渠道的糙率值,采用明渠均匀流公式，通过二分法迭代求解缓坡渠道正常水深；

S33.根据求解得到的缓坡渠道正常水深，计算缓坡渠道的安全超高；

S34.得到缓坡渠道正常水深、缓坡渠道流速、缓坡渠道设计沟深；

所述步骤S4的台阶式跌坎陡坡渠道水力计算包括，

S40.获取预设设计台阶高度、上下游落差数值；

S41.结合步骤S40获取的设计台阶高度、上下游落差数值以及步骤S32求解的缓坡渠道的正常水深，迭代求解消能率，通过消能率求解得到出口总水头；

S42.根据能量公式求解得到出口净水水深、流速；

S43.计算掺气水深；

S44.求解台阶式跌坎陡坡渠道安全超高；

S45.得到台阶式跌坎陡坡渠道水深、台阶式跌坎陡坡渠道流速、台阶式跌坎陡坡渠道设计沟深；

所述步骤S5下挖式消力池水力计算包括，

S50.根据步骤S2得到的弃渣场截排水沟洪峰流量Q_m以及步骤S41求解的出口总水头，通过固定步长搜索法搜索跃前水深；

S51.进行消力池迭代计算；

S52.得到弗莱德数、下挖式消力池下挖深度、下挖式消力池水跃长度、下挖式消力池跃后水深、下挖式消力池长、下挖式消力池边墙高度。

所述步骤S41消能率求解公式为：

η＝0.9694e^-4.081hk/Nh

式中，η为消能率，hk为临界水深，N为阶梯的数量，h为台阶高度，0.34≤h≤1.43，0.01≤hk/Nh≤0.50。

所述步骤S42的计算方法为：根据台阶式跌坎陡坡的消能率η，得到台阶式跌坎陡坡出口处的剩余总水头E，通过剩余总水头E，得到出口处的流速v和净水水深hc。

所述步骤S43的台阶式跌坎陡坡渠道均匀流掺气水深h0的计算公式为：h0/h＝0.403hk/h+0.145，所述步骤S44具体为台阶式跌坎陡坡渠道安全超高取0.35m-0.5m，渠道深度为掺气水深h0与台阶式跌坎陡坡渠道安全超高之和。

本发明的技术效果：能够根据弃渣场截排水沟“缓坡渠道-台阶式陡坡渠道-消力池”排水模式的特点进行系统计算，解决现有技术中没有一个专门针对弃渣场的水力计算模型的问题，提高水土保持设计的效率。

附图说明

图1是本发明计算方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

本发明的方法依据《水土保持工程设计规范》(GB51018-2014)、《开发建设项目水土保持技术规范》(GB50433-2008)、《水电建设项目水土保持方案技术规范》(DL/T5419-2009)、《灌溉排水设计规范》(GB50288—99)、《水工设计手册(第二版)》(中国水利水电出版社)、《水力计算手册(第二版)》(中国水利水电出版社)、《水力学教程》(高等教育出版社)等文件进行参考计算。

如图1所示，一种适用于水土保持设计中的弃渣场水力计算实现方法,包括以下步骤：

S1.获取弃渣场集雨面积F以及查询径流系数用于弃渣场截排水沟洪峰流量计算；

S2.计算弃渣场截排水沟洪峰流量Q_m，按照公式计算出弃渣场截排水沟洪峰流量Q_m，式中为径流系数，q为设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度，F为弃渣场集雨面积；

S3.根据步骤S2计算得到的弃渣场截排水沟洪峰流量Q_m进行缓坡渠道水力计算，得到缓坡渠道正常水深、缓坡渠道流速、缓坡渠道设计沟深；

S4.根据步骤S2计算得到的弃渣场截排水沟洪峰流量Q_m进行台阶式跌坎陡坡渠道水力计算，得到台阶式跌坎陡坡渠道水深、台阶式跌坎陡坡渠道流速、台阶式跌坎陡坡渠道设计沟深；

S5.根据步骤S2计算得到的弃渣场截排水沟洪峰流量Q_m进行下挖式消力池水力计算，得到弗莱德数、下挖式消力池下挖深度、下挖式消力池水跃长度、下挖式消力池跃后水深、下挖式消力池长、下挖式消力池边墙高度。

所述步骤S3的缓坡渠道水力计算包括，

S30.获取预设缓坡渠道底宽和坡度数值；

S31.查找缓坡渠道的糙率值；

S32.根据步骤S30和步骤S31获取的预设缓坡渠道底宽和坡度数值和缓坡渠道的糙率值,采用明渠均匀流公式，通过二分法迭代求解缓坡渠道正常水深；

S33.根据求解得到的缓坡渠道正常水深，计算缓坡渠道的安全超高；

S34.得到缓坡渠道正常水深、缓坡渠道流速、缓坡渠道设计沟深；

所述步骤S4的台阶式跌坎陡坡渠道水力计算包括，

S40.获取预设设计台阶高度、上下游落差数值；

S41.结合步骤S40获取的设计台阶高度、上下游落差数值以及步骤S32求解的缓坡渠道的正常水深，迭代求解消能率，通过消能率求解得到出口总水头；

S42.根据能量公式求解得到出口净水水深、流速；

S43.计算掺气水深；

S44.求解台阶式跌坎陡坡渠道安全超高；

S45.得到台阶式跌坎陡坡渠道水深、台阶式跌坎陡坡渠道流速、台阶式跌坎陡坡渠道设计沟深；

所述步骤S5下挖式消力池水力计算包括，

S50.根据步骤S2得到的弃渣场截排水沟洪峰流量Q_m以及步骤S41求解的出口总水头，通过固定步长搜索法搜索跃前水深；

S51.进行消力池迭代计算；

S52.得到弗莱德数、下挖式消力池下挖深度、下挖式消力池水跃长度、下挖式消力池跃后水深、下挖式消力池长、下挖式消力池边墙高度。

所述步骤S41消能率求解公式为：

η＝0.9694e^-4.081hk/Nh

式中，η为消能率，hk为临界水深，N为阶梯的数量，h为台阶高度，0.34≤h≤1.43，0.01≤hk/Nh≤0.50，

所述步骤S42的计算方法为：根据台阶式跌坎陡坡的消能率η，得到台阶式跌坎陡坡出口处的剩余总水头E，通过剩余总水头E，得到出口处的流速v和净水水深hc。

所述步骤S43的台阶式跌坎陡坡渠道均匀流掺气水深h0的计算公式为：h0/h＝0.403hk/h+0.145，所述步骤S44具体为台阶式跌坎陡坡渠道安全超高取0.35m-0.5m，渠道深度为掺气水深h0与台阶式跌坎陡坡渠道安全超高之和。

实施例:

实例1：民乐河总干渠1#，2#弃渣场

根据《云南省暴雨洪水查算实用手册》(1992年版)查算，项目区10年一遇1小时最大降雨量为44.8mm，因此平均降雨强度为0.746mm/min。

由工程布置图测算可得1#弃渣场流域面积为0.02km²，堆渣高程为1129.4～1135.4m，2#弃渣场流域面积为0.012km²，堆渣高程为1150～1139.2m。

S1～S2：通过查询径流系数取0.7，输入平均降雨强度0.746mm/min，流域面积0.02km²和0.012km²，计算结果为0.175m³/s和0.105m³/s。

表1-1 洪峰流量相关计算参数及计算结果一览表

S3:根据洪峰流量计算结果设计缓坡渠道

表1-2 缓坡渠道水力计算一览表

S4：根据S3计算所得水深作为输入参数，进行台阶式跌坎消能计算。

表1-3 陡坡段渠道水力计算结果一览表

S5：根据上述计算结果计算消力池

表1-4 消力池水力计算结果一览表

实例2：滇中引水工程弃渣场

流量计算由水文专业提供，因此，此处对水文计算以外的其他部分计算进行演示。

表2-1 计算相关初始参数

S3:根据洪峰流量计算结果设计缓坡渠道

表2-2 缓坡渠道水力计算一览表

S4：根据S3计算所得水深作为输入参数，进行台阶式跌坎消能计算。

表2-3 陡坡段渠道水力计算结果一览表

S5：根据上述计算结果计算消力池

表2-4 消力池水力计算结果一览表

本发明是一种适用于水土保持设计中的弃渣场水力计算实现方法,能够根据弃渣场截排水沟“缓坡渠道-台阶式陡坡渠道-消力池”排水模式的特点进行系统计算，解决现有技术中没有一个专门针对弃渣场的水力计算模型的问题，提高水土保持设计的效率。