溢洪道泄槽水面線起始水深采用臨界水深計算的合理性分析

李 丹

（固原市水利勘測設計院有限公司，寧夏回族自治區 固原 756000）

1 引言

溢洪道作為水庫等水利樞紐的防洪建筑物，主要用于宣泄洪水，直接影響工程規模和壩體安全，在水庫設計中舉足輕重。溢洪道一般由進水渠、控制段、泄槽、消能防沖設施及出水渠等建筑物組成。溢洪道控制段常采用實用堰和寬頂堰，實用堰流量系數大，工程量較小，但施工復雜，多用于巖基；寬頂堰結構簡單，施工方便，但流量系數較小，工程量較大，多用于泄量較小且地形較平緩的中小型工程。鑒于寧夏南部山區地質以黃土為主，水庫規模多為中小型，且泄量較小，故溢洪道控制段多采用寬頂堰結構。溢洪道控制段后接泄槽段，泄槽段結構尺寸根據最大流量下水面線加安全超高確定，可見，確定泄槽段起始計算斷面及其水深尤為重要。根據《溢洪道設計規范》，當泄槽上游接寬頂堰、緩坡明渠或過渡段時，起始斷面定在泄槽首部，水深取用泄槽首端斷面計算的臨界水深hk。文章結合工程實際，分析驗證溢洪道（控制段采用寬頂堰形式）泄槽水面線起始水深采用臨界水深計算的合理性，為溢洪道泄槽水面線計算提供理論支撐。

2 工程概況

文章主要結合寧夏中衛市海原縣雙澇子、楊家溝3#、寨柯等3座骨干壩溢洪道情況進行分析驗證溢洪道泄槽水面線起始水深采用臨界水深計算的合理性。3座骨干壩概況如下。

2.1 雙澇子骨干壩概況

雙澇子骨干壩位于寧夏中衛市海原縣史店鄉田拐行政村境內，距海原縣城約13 km。壩址位于馬營河上游左岸支溝溝口上，東經105°45′04″，北緯36°30′12″。雙澇子骨干壩流域面積4.71 km2，設計壩高18.5 m，校核洪水位1 824.03 m，總庫容74.26萬m3，屬Ⅰ等1型工程。雙澇子骨干壩由土壩、輸水建筑物和泄洪建筑物組成。

雙澇子骨干壩泄洪建筑物位于右壩肩，為開敞式溢洪道，由進口段、控制段、一級明渠段、陡坡段、消力池、二級明渠段及海漫組成。溢洪道控制段為單孔箱涵結構，底板高程1 822.0 m，底寬3.0 m，高3.5 m，校核洪水位（1 824.03 m）時溢洪道最大泄量為14.07 m3/s。

2.2 楊家溝3#骨干壩概況

楊家溝3#骨干壩位于寧夏中衛市海原縣史店鄉徐坪行政村，距海原縣城約10 km。壩址位于馬營河上游左岸支溝上，東經105°43′33″，北緯36°28′53″。楊家溝3#骨干壩流域面積7.96 km2，設計壩高24.0 m，校核洪水位1 921.08 m，總庫容125.51萬m3，屬Ⅰ等1型工程。楊家溝3#骨干壩由土壩、輸水建筑物和泄洪建筑物組成。

楊家溝3#骨干壩泄洪建筑物位于左壩肩，為開敞式溢洪道，由進口段、控制段、一級明渠段、陡坡段、消力池、二級明渠段及海漫組成。溢洪道控制段為單孔箱涵結構，底板高程1 919.60 m，底寬3.0 m，高3.4 m，校核洪水位（1 921.08 m）時溢洪道最大泄量為8.77 m3/s。

2.3 寨柯骨干壩概況

寨柯骨干壩位于寧夏中衛市海原縣史店鄉徐坪行政村，距海原縣城約8 km。壩址位于馬營河上游左岸支溝上，東經105°45′45″，北緯36°29′26″。寨柯骨干壩流域面積4.92 km2，設計壩高25.0 m，校核洪水位1 921.31 m，總庫容77.58萬m3，屬Ⅰ等1型工程。寨柯骨干壩由土壩、輸水建筑物和泄洪建筑物組成。

寨柯骨干壩泄洪建筑物位于右壩肩，為開敞式溢洪道，由進口段、控制段、陡坡段、消力池、明渠段及海漫組成。溢洪道控制段為單孔箱涵結構，底板高程1 920.20 m，底寬3.0 m，高3.7 m，校核洪水位（1 921.31 m）時溢洪道最大泄量為5.98 m3/s。

表1 3座骨干壩相關參數表

3 溢洪道泄槽水面線起始水深及臨界水深計算

水庫泄洪時，水流通過進口段八字墻進入控制段，形成堰流，再經明渠、陡坡、消力池等泄流至下游溝道。結合工程實例，在已知庫水位及泄量的情況下，根據能量方程求解溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深，并與泄槽首部臨界水深進行對比，分析驗證溢洪道（控制段采用寬頂堰形式）泄槽水面線起始水深采用臨界水深計算的合理性。

3.1 根據能量方程求解溢洪道泄槽首部水深

以雙澇子骨干壩為例進行詳解，具體計算步驟如下：

3.1.1 已知條件

溢洪道流量Q=14.07 m3/s，溢洪道底板高程H1=1 822.0 m，校核洪水位H2=1 824.03 m，上游水位差Z1=2.03 m，控制段寬度B=3.0 m。

3.1.2 計算簡圖

以溢洪道控制段底板高程為基準面（0-0），分別在庫區取1-1計算斷面，在泄槽首部（控制段末端）取2-2計算斷面。計算簡圖見圖1。

圖1 計算簡圖

3.1.3 用能量方程求解

對1-1計算斷面和2-2計算斷面列能量方程：

式中：Z1—1-1計算斷面處的水深，m；

P1—1-1計算斷面處壓強，KPa；

v1—1-1計算斷面處的流速，m/s；

Z2—2-2計算斷面處的水深，m；

P2—2-2計算斷面處壓強，KPa；

v2—2-2計算斷面處的流速，m/s；

α1、α2—不同過水斷面上的動能修正系數，取α1=α2=1.0；

ζ—局部阻力系數；

γ—水的重度，kN/m3；

g—重力加速度，取9.8 m/s2。

（1）1-1計算斷面。

①1-1計算斷面處水深為校核洪水位與溢洪道底板高程之間的差值，即Z1=H2-H1=1824.03-1822.0=2.03 m。

②1-1計算斷面處壓強為大氣壓強，采用相對大氣壓強，即P1=0。

③1-1計算斷面處由于水庫水面很大，泄流量較小，泄流瞬間對庫水位影響很小，水庫內水流流速幾乎為0，可忽略不計，即v1=0。

（2）2-2計算斷面。

①2-2計算斷面處溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深為Z2，是本次需要求解的量。

②2-2計算斷面處壓強為大氣壓強，采用相對大氣壓強，即P2=0。

（3）由于溢洪道控制段很短，故本次計算不考慮沿程損失，僅考慮局部損失。局部損失主要發生在控制段進口位置，根據局部阻力系數表可知，明渠漸縮段局部損失系數0.10，即ζ=0.10。

（4）將以上數據代入能量方程進行計算：

經試算，Z2=1.302 m。

3.1.4 計算結果

根據能量方程，采取同樣計算步驟對楊家溝3#、寨柯2座骨干壩溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深Z2進行分析計算。

經計算，雙澇子、楊家溝3#、寨柯等3座骨干壩溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深Z2分別為1.302 m、0.993 m、0.758 m。

3.2 泄槽首部臨界水深計算

3.2.1 計算公式

泄槽首部（控制段末端）為矩形斷面，臨界水深按下式計算：

式中：hk—臨界水深，m；

α—動能修正系數，取α=1.0；

Bk—水深為臨界水深hk時的水面寬，m；

Q—流量，m3/s；

g—重力加速度，取9.8 m/s2。

3.2.2 計算結果

將雙澇子、楊家溝3#、寨柯等3座骨干壩相關數據帶入公式計算得：

4 成果分析

雙澇子、楊家溝3#、寨柯等3座骨干壩根據能量方程推算的溢洪道泄槽首部水深Z2與泄槽首部臨界水深hk比較見表2。

表2 3座骨干壩溢洪道泄槽首部水深Z2與臨界水深hk比較表

根據表2可知，3座骨干壩采用能量方程推算的溢洪道泄槽首部水深Z2與泄槽首部臨界水深hk計算值均很接近，差值在5 cm以內，變幅在±5%以內，可見，溢洪道（控制段采用寬頂堰形式）泄槽水面線起始水深采用臨界水深計算合理，符合實際。

5 結語

結合工程實際，根據能量方程求解溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深，并與泄槽首部臨界水深進行比較，結果表明，兩者差值很小，變幅在±5%以內，驗證了溢洪道（控制段采用寬頂堰形式）泄槽水面線起始水深采用臨界水深計算的合理性，可為溢洪道泄槽水面線計算提供理論支撐。