淺談溢洪道泄槽水面線計算方法在設計中的運用

陳群藝

（福建省漳州市萬澤水利設計咨詢有限公司,福建 漳州 363000）

溢洪道為水庫的泄水建筑物,當水庫水位超過正常蓄水位時,洪水從溢洪道向下游宣泄,防止庫水漫頂,危及大壩安全。溢洪道主要由進水渠、控制段、泄槽、消能防沖設施及出水渠等建筑物組成,泄槽段緊接控制段,是溢洪道坡降的集中段,多為陡坡型式,水流特征一般為急流。工程設計中需對泄槽過流能力及邊墻高度等進行計算,獲取各工況下泄槽過流能力、水深、流速等參數,對泄槽安全性、水流是否平穩進行評價,并以此驗證是否滿足規范要求,同時為下游消能計算提供依據。

1 計算方法

1.1 分段求和法

在實際工程設計過程中,溢洪道泄槽段水面線計算方法多采用《溢洪道設計規范》中的“分段求和法”進行計算,具體公式如下：

式中：Δ l1-2為分段長度,m；h1,h2為分段始,末斷面水深,m；v1,v2為分段始,末斷面平均流速,m/s；σ1,σ2為流速分布不均勻系數,取1.05 ；θ為泄槽底坡角度,（°） ；i為泄槽底坡,i=tgθ；J為分段內平均摩阻坡降；n為泄槽槽身糙率系數,取0.025；v為分段平均流速,v=（v1+v2）/2,m/s；R為分段平均水力半徑, R=（R1+R2）/2,m。

1.2 收縮影響判定

收縮影響判定方法采用《無閘控制溢洪道水力設計》[1]中的“第二節 渠式控制段,三、 變寬斜坡明槽的進口形式”章節,具體計算公式如下：

式中：Ek1, Ek2為進,出口斷面的臨界比能,m；hk1,hk2為進,出口斷面的臨界水深,m；hw為水頭損失,m；if為平均臨界底坡,（ik1+ik2）/2；ik1,ik2為進,出口斷面的臨界底坡；i為渠道底坡；L為收縮段長度,m。

當ΔZ ＞ΔZk時產生堰流銜接,縮窄口不影響過流能力；當ΔZ＜ΔZk時產生明渠銜接,縮窄口影響過流能力。

2 工程實例

2.1 工程概況

梁山水庫位于漳浦縣盤陀鎮劉埔村,所在河流為盤陀溪,盤陀溪為鹿溪支流一條支流。盤陀溪全流域面積129 km3,河長19 km,河道平均坡降17.8‰。梁山水庫是一座具有以灌溉為主,兼顧供水、發電、防洪等綜合利用的中型水庫。水庫總庫容1076 萬m3,工程等級為Ⅲ等工程,工程規模為中型,主要永久性建筑物級別為3 級建筑物,次要建筑物級別為4 級。洪水標準50 年一遇設計,1000 年一遇校核。

水庫溢洪道位于大壩右側,控制段為開敞式寬頂堰,堰頂高程299.63 m,堰頂凈寬28.6 m,現狀溢洪道堰頂段長9.40 m,后接三個陡坡段,第一陡坡段長55.4 m,坡比1/33,泄槽寬度由28.6 m縮為13.0 m；第二陡坡段長14.9 m,坡比1/6.25,泄槽寬度由13.0 m縮為10.0 m；第三陡坡段長10 m,坡比1/9.09,泄槽寬度為10.0 m。溢洪道末端未設消力池,水流直接泄入天然河床,溢洪道末端的河床為整片花崗巖,巖盤堅硬完整,抗沖刷性能好。

溢洪道主要問題有：溢洪道泄槽段側墻、底板除砌石勾縫局部有脫落,溢洪道的泄槽左側墻在高水位泄洪時會產生震動,分析產生震動的原因是由側槽斷面收縮過大,當高水位運行時,水流流速大,而產生沖擊波,造成左側墻運行中產生震動。

2.2 計算參數

溢洪道現狀平面圖見圖1, 溢洪道泄槽斷面數據見表1,水庫特征水位見表2。

圖1 溢洪道現狀平面布置圖

表1 溢洪道泄槽斷面數據

表2 水庫特征水位表

2.3 現狀水面線計算

采用“分段求和法”計算時,起始斷面的位置確定,對計算成果的準確性起到至關重要的作用,實際計算過程中應綜合考慮上游銜接方式、泄槽是否受收縮影響、底坡等因素。本例現狀泄槽段第一陡坡段收縮角較大,經復核控制斷面在縮窄口位置,計算時應采用縮窄口作為計算起始斷面,計算過程中如忽略對收縮影響進行判斷,直接采用進口斷面作為起始斷面計算,則方程無解,易將精力錯誤地用于方程求解,而降低工作效率,又無法解決問題[2]。

計算洪水標準采用1000 年一遇校核洪水位303.0 m,相應下泄流量284.69 m3/s。

2.3.1 收縮影響判斷

收縮影響計算成果見表3。

表3 穩定計算工況表

表3 收縮影響計算成果表

從計算成果可以看出,樁號0+044.4 以上斷面ΔZ ＜ΔZk,均受收縮影響,造成壅水,控制斷面樁號為0+044.4,因此水面線計算起始斷面應取0+044.4。

2.3.2 計算成果

計算起始斷面為樁號0+044.4,起始水深可近似取該斷面臨界水深,分別采用“分段求和法”往上,下游分別推算水面線。結果見表4。

表4 水面線計算成果表

從計算成果可知,泄槽過流能力不滿足要求,受收縮斷面影響,對上游形成頂托,壅高庫水位,危及大壩安全,現有邊墻高度不夠,不滿足溢洪道泄洪安全。

2.4 加固措施

針對工程存在問題及水面線復核成果,溢洪道除險加固設計擬對陡坡段兩側側墻進行拆除并拓寬重建,溢洪道第一陡坡段末端拓寬至20 m,第一陡坡段兩側側墻均與控制段側墻平順銜接,減少收縮角,平順水流,底板坡比仍為1/33,側墻高度3.67 m下降至2.70 m,側墻采用M7.5 漿砌條石重力式擋墻,底板拓寬部分采用M7.5 漿砌條石護砌,底板厚度0.6 m；第二陡坡段末端拓寬至17.73 m,兩側側墻均與第一陡坡段末側墻平順銜接,底板坡比仍為1/6.25,側墻高度2.70 m下降至2.30 m側墻采用M7.5 漿砌條石重力式擋墻,底板拓寬部分采用M7.5 漿砌條石護砌,底板厚度0.6 m；第三陡坡段末端拓寬至16.0 m,兩側側墻均與第二陡坡段末側墻平順銜接,底板坡比仍為1/9.09,側墻高度為2.30 m,側墻采用M7.5 漿砌條石重力式擋墻,底板拓寬部分采用M7.5 漿砌條石護砌,底板厚度0.6 m；溢洪道末端的河床為整片花崗巖,巖盤堅硬完整,抗沖刷性能好,水流直接泄入天然河床。溢洪道加固后平面布置圖見圖2。

圖2 溢洪道加固后平面布置圖

2.5 加固后水面線復核

加固后水面線復核見表5、表6。

表5 收縮影響計算成果表

表6 加固后泄槽水面線復核成果

從計算成果可知,溢洪道泄槽拓寬后不再受斷面收縮影響,達到消除原泄槽壅水危害的目的,設計側墻高度均高于計算墻高,確保洪水下泄安全,溢洪道加固設計符合規范要求。目前該項目溢洪道加固已實施完成[3]。

3 結語

溢洪道泄槽作為溢洪道重要組成部分,其設計是否合理對溢洪道過流及泄洪安全有著直接影響。隨著近幾年國家對水利事業的重視,作為水工設計人員將越來越頻繁地接觸到溢洪道設計及復核方面內容。本文通過實例計算過程及對成果反映的問題采用的相應工程措施進行闡述,希望能為從事水工設計人員在溢洪道水面線計算方面提供一些參考。