泄洪系統水力學計算研究

肖蕾 駱世威 申顯柱 柯春琴 中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司

1.工程概況

該工程泄洪系統由首部溢流堰+下游收縮段+地下箱涵組成。溢流表孔共設2孔，每孔凈寬6m，閘墩厚1m，溢流堰前緣總寬15m，堰頂高程為1094.50m。堰頂下游堰面曲線采用WES冪曲線，曲線方程為y＝0.354x1.85（Hd=1.5m）。而后由20m長的漸變段相應接入2個地下暗涵，漸變段坡度i=0.017。地下暗涵分為2孔，每個孔口凈尺寸為3.5m×3.5m，長約655m，樁號K0+000.00～ K0+186.35，坡度i=0.017，樁號K0+186.35～ K0+655.62，坡度i=0.005。溢流面采用50cm厚C25二級配常態混凝土，堰體內部采用C20二級配常態混凝土。箱涵結構采用50cm厚C25鋼筋混凝土，出口常水位已淹沒箱涵頂部，流速約為2.4m/s，可不考慮設置消能防沖設施，出口反坡段設置30cm厚C25鋼筋混凝土底板。泄洪系統布置見圖1、圖2所示。

2.泄洪系統水力學計算

泄洪系統由首部溢流堰+下游收縮段+地下箱涵組成，需聯合計算溢流堰及地下箱涵的過流能力。溢流堰型式為WES實用堰，堰頂高程為1094.50m，單孔凈寬6m，設2孔。

2.1 開敞式堰面泄流能力計算公式

式中：

Q—流量；

C—上游邊坡影響系數，取1.0；

m—WES實用堰的流量系數，可查表求得；

ε—閘墩側向收縮系數，取為0.90；

—淹沒系數，隨不同的下泄量而變化，計算分析見2.1小節所示；

B—溢流堰總凈寬，B=nb，n，孔口數，b，單孔寬；

Hw—堰上總水頭。

2.2 淹沒系數 sσ 計算

當堰頂水頭達到一定高度后，下游為淹沒出流，需要計算淹沒系數。而下游水深為箱涵進口水深，根據箱涵出口水位可反推進口水深，從而得到淹沒系數，計算溢流堰過流能力。本工程控制工況為校核洪水位工況，以此為例分析淹沒系數計算過程。

（1）箱涵進口水位計算

校核洪水位1096.39m，下泄流量為58m3/s。假定箱涵進口水位高于箱涵進口頂板高程，箱涵進口頂板高程1093.17m，出口水位1093.94m，出口頂板高程1088.07m，根據淹沒壓力流計算公式：

式中：

Q—流量；

m3—流量系數；

A—過水斷面面積；

h—出口水深；

C—謝才系數；

R—水力半徑；

L—涵洞長度；

n—糙率，取0.016；

總損失系數見表1所示。

根據單孔箱涵額定過流29m3/s反推進口水位，見表2所示。

從計算結果可以得出2 個3.5m×3.5m的箱涵，進口水位為1095.79m時即可滿足泄洪要求，過流能力為58.00m3/s。

圖1 首部溢流堰剖面圖

圖2 箱涵典型剖面圖

根據《取水輸水建筑物叢書—涵洞》，洞前水深H=1095.79-1090.0=5.79m＞1.5D=5.25m，出口水深h＞D，滿足壓力流過流條件。因此，假定成立。

此時，箱涵上游進口水位高于堰頂高程1094.5m，溢流堰的過流能力應考慮淹沒系數，淹沒系數σs＜1。

（2）溢流堰淹沒系數計算。

已知箱涵在滿足淹沒壓力過流條件且滿足過流能力時，箱涵進口水位為1095.79m。根據《水力計算手冊》圖3-3-5，溢流堰對應圖中參數：

堰頂水頭，H0=1096.39 ?1094.50=1.89m，

查得淹沒系數σs=0.941。

（3）溢流堰過流能力計算。

根據《溢洪道設計規范》（SL253-2018），泄流能力計算公式如下：

其中P1=1.6m，Hd=1.5m，P1/Hd=1.07，H0/Hd=1.26，查表得流量系數m=0.508，則此時溢流堰過流能力為Q=59.36m3＞58 m3/s，滿足泄洪要求。

依次類推，在不同堰頂水頭下，溢流堰泄流能力如表3所示。

通過表3可知，設計工況下溢流堰下泄流量約為30m3/s，校核工況下下泄流量約為59.36m3/s，大于50年一遇情況下的下泄流量58m3/s，溢流堰泄流能力滿足泄洪需求。

3.計算結論

經計算可知，泄洪系統過流能力滿足泄洪要求，能為工程設計提供依據。

表1 單孔箱涵局部水頭損失系數總和

表2 單孔箱涵過流能力

表3 泄洪能力計算表