冊田水庫正常溢洪道水力計算

李 敏

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

冊田水庫位于山西省大同縣境內，屬海河流域，永定河水系，是桑干河干流上山西省出境處的控制性工程。冊田水庫下游為官廳水庫，壩址以上控制流域面積1.67萬km2，占官廳水庫以上總流域面積的38.5%。水庫設計總庫容5.8億m3，水庫樞紐工程由大壩、正常溢洪道、非常溢洪道、漿砌石重力壩等組成。水庫任務是供水、灌溉和防洪，水庫位于官廳水庫和北京市上游，位置十分重要，水庫的安危直接關系到北京市和下游人民群眾生命財產的安危。

冊田水庫工程于1958年開始修建，1970年進行二期擴建工程，至1976年完成了土壩和正常溢洪道的施工，擴建后壩頂高程達到961.5m，最大壩高為41.5m。水庫工程屬大（二）型，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物大壩、正常溢洪道、非常溢洪道均為2級。由于運行多年，水庫各建筑物存在諸多問題，不滿足現行規范和運行要求，需要對冊田水庫進行除險加固。

2 除險加固后正常溢洪道的情況

溢洪道是洪水期間保證水庫安全的重要建筑物，當水庫水位超過安全限度時，水從溢洪道向下游泄出。因此，正常溢洪道的除險加固，是冊田水庫除險加固的重要部分。

水庫設計洪水位957.57m時，正常溢洪道的泄量為1659m3/s；校核洪水位960.04m時，正常溢洪道的泄量為1859m3/s。正常溢洪道泄槽泄流能力演算，按校核洪水位及其泄量進行。

正常溢洪道由閘前防滲段、閘室控制段、泄槽段、消能段組成。正常溢洪道的基礎為玄武巖地層，位于大壩左壩肩處，除險加固后全長492.7m（樁號0-111—0+381.7），其中：

閘前防滲段長18m（樁號0-111—0-093），寬度38.6m；

閘室控制段長28m（樁號0-093—0-065），總寬度38.6m。閘室設4孔帶胸墻的泄洪孔口，孔口寬8m，高6m，中墩厚2.2m。堰頂高程為943.3m，閘墩頂高程961.5m。閘孔由4扇8m×6m弧形工作門控制，工作門前設疊梁檢修門。

泄槽段長411.7m（樁號0-065—0+346.7），原設計寬度40.2m，除險加固后泄槽寬度調整為39.6m。

消能段長35m（樁號0+346.7—0+381.7），采用差動式挑流鼻坎消能，消能沖刷坑在玄武巖地層中，消能后入桑干河。

表1 正常溢洪道泄槽底坡統計表

3 正常溢洪道計算

3.1 收縮水深的計算

正常溢洪道泄流方式，按折線型實用堰及寬頂堰閘孔（或胸墻）出流考慮，堰下收縮水深斷面，位于樁號0+002處。

收縮水深hc的計算參考《水力計算手冊》公式（4-2-1）進行。

式中：E0——以下游河床為基準面的泄水建筑物上游總水頭（下游河床高程為941.67m，閘前校核洪水位為960.04m，E0=18.37m）；

q——收縮斷面處的單寬流量，q=1859/39.6=46.94m3/（s·m）；

g——重力加速度9.8m/s2；

φ——流速系數，參照《水力計算手冊》表4-2-1，折線型實用堰及寬頂堰閘孔（或胸墻）出流，取0.8。

經多次試算得：hc=3.429m

3.2 泄槽段水面線推算

泄槽水面線推算參考《溢洪道設計規范》（SL 253），根據能量方程，用分段求和法計算。

泄槽水面線計算公式如下：

式中：ΔL——分段長度，m；

h1、h2——分段始末斷面水深，m；

θ——泄槽底坡角度；

α1、α2——流速分布不均勻系數，取1.05；

v1、v2——分段始末斷面平均流速，m/s；

g——重力加速度9.8m/s2；

i——泄槽底坡；

Jˉ——分段內平均摩阻坡降；

n——泄槽槽身糙率系數，取n=0.014；

起始計算斷面樁號為0+002，起始水深為收縮斷面水深，h1=3.429m，流量為1859m3/s，糙率n=0.014，泄槽寬B=39.6m。水面線推算結果見表2。

3.3 泄槽段水流摻氣水深計算

泄槽段水流摻氣水深可采用《溢洪道設計規范》中公式（A.3.2）

表2 正常溢洪道泄槽水面線推算結果表

式中：hb——摻氣后的水深（計算結果見表3），m；

ξ——修正系數（1.0～1.4s/m），計算取1.2s/m；

v——不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速，m/s；

h——泄槽計算斷面的水深。

表3 計入摻氣后正常溢洪道泄槽水面線推算結果表

4 結論

根據對正常溢洪道水面曲線推算出的摻氣后水深，加上1.0m的安全超高，計算出的側墻高度均低于除險加固后實際的側墻高度，正常溢洪道能泄掉校核洪水位時多余的水量，滿足現行規范要求，能保證水庫的安全運行。