应用EXCEL软件进行拦沙工程调洪演算实例

2012-07-26张瑞，程鲲，田博

中国水土保持 2012年9期

张瑞，程鲲，田博

(1.黄河水利委员会晋陕蒙接壤地区水土保持监督局，陕西榆林719000;2.黄河上中游管理局西安规划设计研究院，陕西西安710021)

拦沙工程是以拦沙为目的的大型水土保持沟道治理工程，是以土坝形式拦河蓄洪蓄沙、以溢洪道形式保障运行安全、以放水工程为手段实现“滞洪排清”的水土保持工程。调洪演算是拦沙工程设计的一个关键环节，调洪演算的结果是确定拦沙工程坝高和溢洪道尺寸的主要依据，也是确保拦沙工程安全性的重要内容。调洪演算是在确定溢洪道溢流堰形式的基础上，利用库容曲线、根据水量平衡原理进行试算，得到溢流堰最高水位与溢洪道宽度的合理比例。采用EXCEL软件设计调洪方案，不需要复杂的编程，可避免人工计算费时、费力、容易出错等问题，并且可以通过软件自带的图表功能方便、快捷、直观地将洪水过程及溢洪道调洪过程显示出来，便于调洪方案的调整、比选、分析，从而大大提高了工作效率。笔者以黄河流域粗泥沙集中来源区的秃尾河流域崖窑峁小流域一级支沟王岔沟的大阴湾2#拦沙坝为例，采用EXCEL软件进行调洪演算，验证EXCEL软件在拦沙工程设计中的应用效果。

1 选择拦沙坝

大阴湾2#拦沙坝位于秃尾河一级支流开光川的右岸王岔沟下游，所在小流域面积15.71 km2，侵蚀模数19200 t/(km2·a)，单坝控制面积3.44 km2，距上游串联拦沙坝中的武家石畔拦沙坝 1.09 km、寨山拦沙坝 3.24 km、李家沟岔拦沙坝 4.18 km。根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL 289—2003)要求，该坝采用骨干工程标准设计，经过不同淤积年限试算，确定总库容在100万～500万m3之间，工程等别为四等，主要建筑物为4级，洪水重现期为30年设计、300年校核，设计淤积年限30年。除了李家沟岔拦沙坝采用坝体、放水建筑物“两大件”设计以外，其余上游拦沙坝与大阴湾2#拦沙坝设计标准相同，均由坝体、溢洪道、放水建筑物“三大件”组成。

2 调洪演算起始条件

大阴湾2#拦沙坝溢洪道为无闸控制，为最大限度地拦蓄泥沙，溢洪道溢流堰堰顶高程为拦泥坝高，故起调水位为23.52 m，拦泥库容为117.42万m3，起始下泄流量为0。

3 推求库容—水位关系曲线、库容—水位关系式

新建EXCEL工作表，输入拦泥库容以上的库容、水位数据，选择图表向导→标准类型→图表类型→XY散点图，利用库容、水位数据生成XY散点图，选中生成点右键选择添加趋势线，在添加趋势线的类型选项卡中选择趋势线类型，使相关系数R2趋近于1，如库容—水位关系比较复杂，可分段显示趋势线公式。大阴湾2#拦沙坝水位及对应库容数据见表1，库容—水位关系曲线见图1。

表1 大阴湾2#拦沙坝水位及对应库容数据

图1 大阴湾2#拦沙坝库容—水位关系曲线

图1 中水位减去起调水位即可得到滞洪水深即溢流堰堰上水深、溢洪水深，库容—水位关系式为 H=2.9829V0.4333－23.52。

4 确定调洪演算方法

进行调洪演算要先假定溢流堰的形式，依据洪水过程线反复试算泄洪过程，通过溢流堰尺寸、安全性、投资效益等内容比选，选择最优的调洪演算方案，确定溢洪道尺寸，从而保证拦沙坝的运行安全和经济效益最优。

4.1 溢流堰形式

溢流堰一般采用矩形断面形式，宽顶堰的堰宽和堰上水头计算公式分别为

上二式中:B为溢流堰堰宽，m;q为溢洪道设计流量，m3/s;M为流量系数，取值范围为1.42～1.62;H0为计入行进流速的堰上水头，m;h为溢洪水深，即堰前溢流坎以上水深，m;V0为堰前流速，m/s;g 为重力加速度，取 g=9.81 m/s2。

4.2 洪水过程线

采用概化三角形过程线法推求洪水过程线，则洪水过程线可用两个线性关系式表示，即当T≤936时，

图2 大阴湾2#拦沙坝洪水过程线

4.3 调洪演算方法

根据单位时段入库、出库、库存水量平衡原理，先假定一个溢流堰堰宽，由洪水开始时单位时段内入库洪水总量即本坝洪水和上游坝泄洪总量之和，根据库容—水位关系曲线、库容—水深关系式得到一个溢洪水深;再将该溢洪水深代入堰宽和堰上水头计算公式得到下泄流量，从而得出该时段的泄洪总量;然后将入库洪水减去泄洪总量得到滞洪库容，该滞洪库容对应一个新的溢洪水深，新的溢洪水深又对应新的泄流量和泄洪总量;这是一个互相引用、反复试算下泄流量以达到时段内水量平衡的计算过程，最终确定该时段的下泄流量。下一时段入库洪水总量为上一时段的滞洪库容、本时段本坝洪水和上游坝泄洪总量之和，采用同样方法，得到随时间推移溢流堰的下泄流量是一个带峰值的曲线，该峰值对应的下泄流量和溢洪水深分别为该断面溢流堰的最大下泄流量和溢洪水深。试算不同溢流堰堰宽得出不同的泄洪过程，通过调洪方案比选得出最优的泄洪过程和溢洪道断面尺寸，从而完成调洪演算的任务。

5 调洪演算

采用EXCEL自带的公式引用、循环、迭代计算完成调洪演算的试算过程。下面介绍应用EXCEL软件进行调洪演算的步骤。

在EXCEL的工具菜单栏中选择选项→重新计算→迭代计算，选择最多迭代次数100、最大误差0.001。制作调洪演算表格，共设置10列，主要参数见表2。其中，A列为洪水历时，单位为min，时间间隔设为1 min，从洪水起始(0)至洪水结束(92 min)，中间加设洪峰时间15.6 min;B列为洪水间隔历时，单位为s，在B2录入“=(A3－A2)*60”;C列为该时段上游拦沙坝下泄洪水流量，单位为m3/s，如上游坝无溢洪道则该列数值均为“0”;D列为洪水流量，单位为m3/s，在洪峰时间前后输入不同的线性关系式，即在 D2输入“=230/936*A2”，D18输入“=230/(5220－936)*(5220－A18)”;E列为库容，单位为万m3，在E2录入拦泥库容117.42万 m3，E3录入公式“=E2+I3”;F列为该时段内入库洪水总量，为本时段本坝洪水总量与上游拦沙坝下泄洪水总量之和，计算公式为(上时段末上游拦沙坝下泄洪水流量+本时段末上游拦沙坝下泄洪水流量+上时段末本坝洪水流量+本时段末本坝洪水流量)÷2×本时段时长，故在F2直接录入数字“0”，F3录入公式“=(C2+C3+D2+D3)/2*B3/10000”;G列为溢流堰下泄流量，单位为m3/s，在G2录入数字“0”，根据溢流堰堰宽和堰上水头公式，在G3录入溢流堰下泄流量公式，即“=假定溢流堰宽度数值*1.5*J3^1.5”，录入该公式时引用J3溢洪水深;H列为本时段下泄洪水总量，单位为万m3，根据溢流堰上时段末下泄流量和本时段末下泄流量求得，计算公式为(上时段末下泄流量+本时段末下泄流量)÷2×本时段时长，即在H3录入“=(G2+G3)/2*B3/10000”;I列为时段内滞洪总量，单位为万m3，计算公式为本时段入库洪水总量－本时段下泄洪水总量，即在I3录入“=F3－H3”;J列为滞洪水深，单位为m，根据溢洪水深关系式，在J3 录入“=2.9828*E3^0.4333 －23.52”。表格信息录入完成后，检查各列公式及单位，为G列公式输入一个假定的溢流堰堰宽，选中E3至I3行，计算至洪水结束时间，找出G列的最大下泄流量值和J列的最大溢洪水深值。假定溢流堰堰宽分别为 4.0、4.5、5.0、6.0 m，得出 4 组最大下泄流量、溢洪水深，并进行方案比选，最终确定方案三为大阴湾2#拦沙坝调洪演算方案，比选结果见表3，选定方案泄洪过程线见图3。