某小型水庫溢洪道設計

丁昭佐，沈寬勇，簡士洋

(1.貴州省畢節市勘測設計研究院，貴州 畢節 551700；2.貴州省畢節市水利局，貴州 畢節 551700)

某小型水庫溢洪道設計

丁昭佐1，沈寬勇1，簡士洋2

(1.貴州省畢節市勘測設計研究院，貴州 畢節 551700；2.貴州省畢節市水利局，貴州 畢節 551700)

溢洪道是中小型水庫的主要建筑物之一，是洪水期間保證水庫安全的重要設施。溢洪道的設計和布置合理與否，直接影響到水庫安全性、經濟性。因此，必須重視中小型水庫溢洪道設計。文章結合具體案例，對中小型水庫溢洪道設計進行了探究，希望對今后同類型設計起到參考作用。

水庫；溢洪道；設計；進水渠；控制段；泄槽

1 工程概況

某水利樞紐工程位于某河上游。控制流域面積94.1km2，水庫按50a一遇設計，根據水利500a一遇校核計算，水庫死水位348m，正常蓄水位360.52m，相應庫容1423.07萬 m3；設計洪水位363.62m。相應庫容為1998.36萬 m3；溢洪道設計泄洪量540萬 m3/s，泄洪洞設計泄流量為90m3/s；校核洪水位為364.81m，相應庫容為2299.68萬 m3，溢洪道校核泄流量800m3/s，泄洪洞校核泄流量為110m3/s。

2 水庫溢洪道設計要點

2.1 進水渠設計

進水渠的主要功能是將水流平順引至溢流堰前。常規采用梯形斷面，底坡為平坡，邊坡采用1∶1.5。為提高泄洪能力，渠內流速υ<3.0m/s，渠底寬度大于堰寬，渠底高程是360.52m。

進水渠斷面擬定尺寸，具體計算見表1。

進水渠與控制堰之間設20m漸變段，采用圓弧連接，引渠長L=150m。

2.2 控制段設計

本工程為小型水庫工程，采用無閘控制，溢洪道軸線處地形較好，巖石堅硬，堰型選用無坎寬頂堰，斷面為矩形。為了控制段建筑物的進入口的水流相互垂直，同時保證泄流的勻稱，結合實際條件例如地形情況，必須設置寬頂堰，其寬度可以根據允許的單寬流量選取，巖基上的單寬流量取值范圍控制在40～70m3/s，20～40m3/s范圍的選取適用非巖基，土基的一般取值為20m3/s。不考慮進口段設置的引流段，通常情況下要使堰頂寬度滿足于≤3倍的堰上水頭。收縮角在12°左右最佳時，堰口與對應的上游引流段如果采取漸變段連接，可以使水流達到平順的效果。如堰體較寬則應在其橫向設置溫度縫與沉陷縫，其間距可按10～15m布設[1]。

表1 進水渠斷面擬定尺寸

由計算可以擬定引渠底寬B=90m(為了安全)。

2.3 泄槽設計

泄槽是渲泄過堰洪水的，槽底布置在基巖上，斷面必須為挖方，且要工程量最小，坡度不宜太陡。為適應地形、地質條件，泄槽分收縮段、泄槽一段和泄槽二段布置。

據已建工程擬收縮段收縮角θ=12°，首端底寬與控制堰同寬，b1=65m,末端底寬b2擬為40m，斷面取為矩形，則漸變段長L1=58.81m，取整則L1為60m，底坡i=1/50。

泄槽一段上接收縮段，下接泄槽二段，擬斷面為矩形，寬b=40m，長L2為540m，底坡i=1/200。

2.4 出口消能設計

溢洪道出口段為沖溝，巖石比較堅硬，離大壩較遠，采用挑流消能，水流沖刷不會危及大壩安全。

2.5 尾水渠設計

其作用是將消能后的水流，較平穩地泄入原河道。為了防止小流量產生貼流，淘刷鼻坎，鼻坎下游設置長L=10m護坦。

2.6 溢流堰泄流能力校核

當引渠很長時，水頭損失不容忽視。

基本公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：hj為局部水頭損失，m；ζ為局部水頭損失系數；g為重力加速度，m/s2；α為動能系數，一般為1.0；R為水力半徑，m；x為濕周，m；hf為沿程水頭損失，m；υ為引渠流速，m/s；L為引渠長度，m；C為謝才系數；A為過水斷面面積，m2；n為引渠糙率。

(5)

(6)

式中，σs為淹沒系數，取1.0；b為堰寬，m；m′為無坎寬頂坎的流量系數；H0為包括行近流速水頭的坎上水頭，m；Q為流量，m3/s。

1)堰前水深和堰前引水渠流速。

2)采用試算法，聯立公式：

(7)

具體計算見表2。

表2 引水渠流速試算成果表

由表2中可知流速<3m/s，滿足要求。

2.7 溢洪道水面曲線計算

2.7.1 計算依據

計算公式為：

(8)

(9)

(10)

(11)

AK=bh

(12)

(13)

式中：hk為臨界水深，m；Q為槽內泄量，m3/s；q為單寬流量，m3/s·m；ik為臨界坡降；b為泄槽首端寬度，m；g為重力加速度，m/s2；BK為相應臨界水深的水面寬，m；AK為臨界水深時對應的過水斷面積，m2；XK為濕周，m；RK為水力半徑，m2；CK為謝才系數。

E1+iL=E2+hf

(14)

(15)

(16)

2.7.2 漸變段水面線計算

2.7.2.1 臨界水深hk及臨界底坡ik計算

漸變段首端寬b1=65m，尾端寬b=40m，斷面為矩形。具體計算見表3。

2.7.2.2 漸變段水面線計算

首端斷面水深為臨界水深hk，具體計算見表4。

表3 臨界水深及臨界底坡計算成果表

表4 漸變段水面線計算成果表

由計算得漸變段末端水深分別為h設=2.75m，h校=3.5m。

2.7.3 泄槽二段水面線計算

泄槽二段斷面為矩形，寬40m，長80m，底坡i=1/8。

2.7.3.1 求臨界底坡ik，控制斷面水深ho(正常水深)

因泄槽二段同泄槽一段流量、形狀、斷面尺寸相同，故臨界底坡和臨界水深不變。設計水位時，ik=0.00214；校核水位時，ik=0.00205。i=1/8>ix，屬陡坡急流，按陡槽非均勻流計算。控制斷面水深h0用試算法，具體計算列于表5。

經試算，設計水位時，h0=0.76m校核水位時，h0=0.96m。

表5 控制斷面水深計算成果表

2.7.3.2 泄槽二段水面線計算

泄槽二段首端控制水深，設計水位時h=2.03m；校核水位時，h=2.6m。采用分段求和法計算水面曲線。計算僅推到泄槽二段末端，若推到正常水深時，陡槽長已超過設計長度，這是不切實際的。故泄槽二段內不產生正常水深。由計算知末端水深在設計水位時為h=0.93m，在校核水位時為h=1.29m。

2.7.4 出口消能計算

2.7.4.1 溢洪道出口消能計算的任務

估算下泄水流的挑射距離；選擇挑流鼻坎形式，確定挑流鼻坎方式、反弧半徑、挑射角等尺寸，以保證達到最優消能效果；估算下游沖刷坑的深度和范圍。

2.7.4.2 計算公式

L=L1+L2

(17)

(18)

2.7.4.3 校核沖刷坑范圍

設計情況i=ts/L=6.95/32.03=0.22

校核情況i=ts/L=8.70/37.10=0.23

故沖坑不會危及挑坎安全。

溢洪道開挖后，為減輕糙率和防止沖刷，需進行襯砌，糙率取n=0.016。溢洪道為3級建筑物，按50a一遇設計，500a一遇校核的洪水標準。

[1]劉啟陽，莫文海，洪乃全.中小型水庫溢洪道設計中的常見問題及處理方法 [J].四川建筑，2007，27(S1)：129-130.

1007-7596(2014)01-0137-03

2013-09-27

丁昭佐(1978-)，男，貴州畢節人，工程師，從事水利水電工程設計工作；沈寬勇(1976-)，男，貴州六枝人，工程師，從事水利工程設計工作；簡士祥(1976-)，男，貴州納雍人，工程師，從事農村水利管理工作。

TV651.1

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