捉馬溝水庫側槽溢洪道水面線計算

王棟 郝露宇

摘要：本水庫為除險加固工程，其側槽溢洪道水面線計算不同于一般新建工程，它通過對現(xiàn)有溢洪道建筑質量判斷，并結合現(xiàn)場實際地形，盡可能額不改變原有建筑物的結構布置形式的前提下，確定適合的加固方式，然后計算其水面線，以解決工程中存在的問題。該文以捉馬溝水庫溢洪道加固部分為例，簡要介紹了側槽式溢洪道水面線計算。

關鍵詞：水庫，側槽，溢洪道，水面線

側槽式溢洪道適宜于在山坡陡峻的岸坡上修建，傍山開挖溢洪道側槽段、調整段、泄槽段、效能段等部分。其特點是側槽段基本沿等高線布置，水流過堰后進入側槽段，經(jīng)過下游調整段調節(jié)水流形態(tài)，再進入泄槽段泄流。

1.概況

捉馬溝水庫，是一座以灌溉為主，兼有防洪等綜合效益的小（2）型水庫。水庫總庫容41.9萬m3，調洪庫容9.9萬m3，興利庫容24.0萬m3，死庫容8.0萬m3。水庫壩址距商南縣城6km，距下游西安——南京鐵路及“312”國道1.0km，壩址處在商南縣捉馬溝村北，控制流域面積8.5km2。捉馬溝水庫原由于當時群眾運動期建設，水庫工程前期工作基礎差，倉促上馬。該工程于1974年開工興建，1977年建成蓄水，水庫的主要任務是下游1500畝弄年灌溉。

2.溢洪道情況

捉馬溝水庫現(xiàn)狀側槽式溢洪道緊靠右岸山體，由側槽式溢流堰、泄槽段、陡坡段組成。溢洪道側堰長22.5m，堰頂寬度1.5m，堰頂高程596.57m，側槽首段寬2m，末端寬5.8m，泄洪槽下端接陡坡段，陡坡長30.4m，坡比1：2。溢洪道在右岸巖石岸坡上開鑿而成，溢洪道邊墻為漿砌石砌筑而成。

加固處理后，溢洪道側堰長22m，側槽始端底寬b=1.9m，末端底寬B=5.8，側槽比降為0.002，泄槽段維持原設計不變，長37.5m，底寬5.8m，邊墻為直墻；陡坡段長度24.5m，底寬5.4m。

3.泄水流量

根據(jù)本水庫校核洪水來水量為138m3/s，用加固的新方案中溢流堰進行調洪水跡，調洪后確定水庫校核水位598.65m，相應最大下泄流量118m3/s。

4.溢洪道水面線計算

4.1側槽末端水深

根據(jù)SL 253--2000《溢洪道設計規(guī)范》，側槽末端水深按臨界水深取值，經(jīng)計算其臨界水深為hk=3.4m，臨界坡降ik=0.0041。

4.2側槽水面線計算

溢洪道側槽內水流為變量流，槽內流量沿側槽軸線方向逐漸增大，根據(jù)SL 253--2000《溢洪道設計規(guī)范》，側槽水面線采用有限差方法進行計算，計算公式如下：

（1）

式中：

Δx---計算段長度，斷面2與斷面1之間的距離，m；

Δy---Δx內水面差，m；

Q1，Q2 ---斷面1及斷面2的流量，m3/s；

q---側槽溢流堰單寬流量，m3/（s.m）；

v1，v2---斷面1及斷面2的水流平均流速，m/s；

-J---分段區(qū)內平均摩阻坡降。

根據(jù)公式（1）計算，流量為118m3/s，側槽內水面線成果見表1。

4.3泄槽水面線計算

泄槽段斷面形式與原設計不變，泄槽長37.5m，底寬5.8m。槽底縱向坡比0.045，兩側邊墻為直墻。本次計算泄槽段樁號為0+022～0+059.5段計算。泄槽段水面線計算按照能量方程，用分段求和法計算，計算公式如下：

（2）

（3）

式中：

Δl1-2---分段長度，m；

h 1 ，h2 ---分段始，末斷面水深，m；

v 1 ，v2 ---分段始，末斷面平均流速，m/s；

σ1，σ2 ---流速分布不均勻系數(shù)，取1.05；

θ---泄槽底坡角度，（°）；

i---泄槽底坡，i=tgθ；

-J---分段內平均摩阻坡降；

n---泄槽槽身糙率系數(shù)，查附錄表A.7；

-v---分段平均流速， -v=（v1 +v2 ）/2，m/s；

-R---分段平均水力半徑， -R=（R1 +R2 ）/2，m.

起始計算斷面位置及其水深應按泄槽上游段調整段或側槽末端水深取值，根據(jù)本次設計溢洪道情況，起始計算斷面定在泄槽首部，水深h1 取用泄槽首端斷面計算的臨界水深hk。計算泄槽段水面線結果見下表2。

表2 泄槽段水面線計算成果表

斷面序號 斷面樁號 斷面水深 流速

hk 0+022.0 3.4 5.98

h1 0+032.0 2.73 7.45

h2 0+042.0 2.52 8.07

h3 0+053.5 2.4 8.49

h4 0+059.5 2.34 8.73

4.4陡坡段水面線計算

4.4.1陡坡段起始水深計算

陡坡段起始計算斷面位置及其水深h1應按陡坡段游段型式分別選取，根據(jù)本次設計溢洪道情況，確定起始斷面為陡坡首端以下3hk 處，起始計算斷面水深h1 小于hk ，應按下式計算：

（4）

式中：

q---起始計算斷面單寬流量，m3 /（s.m）；

Ho---起始計算斷面渠底以上總水頭，m；

θ---泄槽底坡坡角；

H---起始計算斷面流速系數(shù)，取0.95.

4.4.2摻氣水深計算

根據(jù)陡坡段水流速度，確定摻氣水深可按下式計算：

（5）

式中：

h，hb——泄槽計算斷面的水深及摻氣后的水深，m；

v---不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速，m/s；

ζ---修正系數(shù)，可取1.0～1.4s/m，流速大者取大值.

4.4.3陡坡段水面線計算

溢洪道陡坡段水面線計算與泄槽段水面線計算方法相同，均采用公式（2）

計算，僅起始水位計算方法不同，因此陡坡段水面線計算方法采用同泄槽段水面線計算公式，計算后結果見表3。

表3 陡坡段水面線計算成果表

斷面序號 斷面樁號 斷面水深 摻氣水深 流速

h1 0+069.2 1.97 2.41 15.9

h2 0+075.0 1.94 2.37 15.96

h3 0+084.0 1.51 1.85 16.02

結語：對于側槽溢洪道的水面線計算，首先應確定起始水深計算位置，從而采用側槽溢洪道水面線計算方法來計算水深，有為注意的是在計算側槽段水面線時，其槽內水面線成先上升后下降的趨勢。本文章根據(jù)SL 253-2000《溢洪道設計規(guī)范》中差分法和分段求和法分別對側槽、泄槽段的水面線進行了計算，確定了側槽式溢洪道槽內各段水深，從而為后面加固方案提供了了必要的基礎數(shù)據(jù)。

參考文獻：

[1] SL 253--2000《溢洪道設計規(guī)范》

[2]書本編寫組.《水工設計手冊》 北京：中國水利水電出版社 2014

[3]武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室 李偉.《水利計算手冊》 北京：中國水利水電出版社 2006