黄河下游堤防排水沟设计方法

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1、水利学报年月第卷第期文章编号黄河下游堤防排水沟设计方法张会敏李占斌姚文艺西安理工大学水利水电学院陕西西安黄河水利科学研究院河南郑州摘要根据黄河下游堤防堤顶区域的产汇流特性将堤顶产汇流区概化为平行四边形区域运用坡面水流运动波描述方法计算了产汇流时间提出了堤防排水沟设计洪峰流量计算公式排水沟断面设计及间距的优化方法并给出了实际例证优化结果表明黄河下游堤防排水沟间距为左右排水沟断面为矩形时宽取深取断面为梯形且边坡系数为时宽取深取是比较合适的关键词设计洪峰流量排水沟断面排水沟间距黄河下游堤防中图分类号文献标识码黄河下游两岸堤防是抵御黄河水害确保沿黄两岸人民生命财产安

2、全的水上长城受下游气候特性及下垫面条件影响一般每年月产生的短历时较强降雨过程对堤防的侵蚀现象较为严重影响了堤防的质量安全和防洪安全据年防洪工程汛前普查资料显示下游堤防共发生水沟浪窝处流失土方万经济损失达多万元由于堤顶区域与其它区域如戗台堤坡淤区等下垫面条件差异性显著使得堤顶区域的产汇流特性明显与其它部分有所不同根据实际观测较强降雨过程发生后一般几分钟便有径流产生这部分径流如不及时采取措施进行排泄则会使堤身产生严重的侵蚀现象有关研究表明有堤顶径流作用的侵蚀量为无径流作用的倍堤防排水沟设计是一个较复杂的技术经济问题它的设计不仅涉及洪峰设计流量排水断面和排水沟间距

3、而且涉及到资金投入等因此分析堤顶的洪峰设计流量计算方法优化排水沟设计是本文的重点所在它可为决策和设计部门提供参考堤顶排水沟洪峰流量设计设计洪峰流量的推求根据小流域设计洪水堤防排水沟设计洪峰流量计算公式为式中为单位换算系数以?以为单位时为洪峰径流系数为设计降雨强度?为流域面积暴雨计算公式为?式中为雨力或暴雨威势具有频率概念为计算时段为暴雨指数当时?式中为汇流时间将单位换算系数及式代入式得收稿日期作者简介张会敏男河南宜阳人博士生高级工程师主要从事水文水资源节水与生态方面的研究相关系数的分析暴雨指数分析暴雨指数分析应根据设计堤段附近气象站的暴雨观测资料通过分析不同

4、频率的暴雨强度历时之间的关系得出不同频率的指数实际分析过程中受单站资料代表性限制得出的暴雨指数结果尚需要运用等值线图法进行地区综合雨力的计算在实际计算中设计频率的雨力采用同频率的年最大雨量进行计算计算公式为式中为年最大设计雨量目前采用年最大日降雨量乘换算系数的办法推求年最大设计雨量换算系数常用汇流时间的推求汇流时间与堤顶区域的产汇流特性密切相关黄河下游堤防标准化建设实施后堤顶均按相关标准进行设计施工堤顶区域产汇流与小流域的产汇流特性差异较大经分析堤顶区域的水流运动具有运动波特征水流速度可运用坡面水流运动波求解鉴于堤顶存在纵横比降水流运动时必然沿着纵横向力形成

5、的合力矢量方向运动因此将堤顶产汇流区概化为菱形平行四边形区域该区图黄河下游堤顶产汇流区概化示意域分别以两排水沟间距和道路顶部连线为相互平行的两边以相邻排水沟与堤顶路面分水岭组成的相邻两个矩形的对角线为平行线见图图中仅为堤顶区域的一半经分析坡面水流的运动波可用谢才公式描述坡面水流速度由于所以式中为坡面糙率为水力半径为坡面比降设堤顶产汇流过程中的水流深度为不考虑水流之间的相互作用则单宽水流的水力半径?由于所以而其中为产流历时内的平均损失强度则设排水沟间距为路面宽包括路肩和培土宽为则水流运行的最远路程即为概化区域的对角线长度则汇流时间洪峰径流系数计算洪峰径流系数反

6、映了时段净雨对洪峰过程的贡献按照超渗产流理论当降雨强度超过地面平均入渗能力时则产生地面径流否则不产流因此洪峰径流系数可表示为?当时?当时式中分别为时段内的径流量净雨量和降雨量为净雨历时为次降雨产生的全部径流深鉴于堤顶产流区距排水沟之间的距离较短因此仅考虑时的洪峰径流系数根据水文推导结果其计算公式为值的确定值反映了堤顶区域产流历时内的平均损失强度一般而言对于其他小流域由于下垫面条件复杂产流历时内的损失强度与次降雨的平均损失强度差异较大但堤顶区域由沥青混凝土混合碾压而成下渗过程比较均匀二者之间相差不大其计算公式为式中为径流系数堤顶区域设计洪峰流量计算根据上述分析

7、推导过程将相关指标的计算公式代入式得其中由式可知堤顶区域洪峰流量与设计雨力路面糙率降雨强度平均损失强度坡降排水沟长度等因素关系密切最佳排水断面设计及排水沟优化最佳排水断面标准堤顶排水沟最佳断面的设计主要根据已求得的分析排水沟断面的形状计算其最佳水力断面即在条件下要求过水面积最小或湿周最小水力半径最大根据曼宁公式谢才公式以及最佳水力断面的条件可得出梯形水力最佳断面宽深比的计算公式如下式表明与边坡有关随的增大而增大对矩形断面得即矩形水力最佳断面底宽为水深的倍进一步推导后知梯形水力最佳断面时的水力半径是水深的一半排水沟间距的优化排水沟间距涉及到产流区域大小和堤防排

8、水沟密度影响设计洪峰流量排水沟断面尺寸大小和排水设施