捉马沟水库侧槽溢洪道水面线计算

王栋 郝露宇

摘要：本水库为除险加固工程，其侧槽溢洪道水面线计算不同于一般新建工程，它通过对现有溢洪道建筑质量判断，并结合现场实际地形，尽可能额不改变原有建筑物的结构布置形式的前提下，确定适合的加固方式，然后计算其水面线，以解决工程中存在的问题。该文以捉马沟水库溢洪道加固部分为例，简要介绍了侧槽式溢洪道水面线计算。

关键词：水库，侧槽，溢洪道，水面线

侧槽式溢洪道适宜于在山坡陡峻的岸坡上修建，傍山开挖溢洪道侧槽段、调整段、泄槽段、效能段等部分。其特点是侧槽段基本沿等高线布置，水流过堰后进入侧槽段，经过下游调整段调节水流形态，再进入泄槽段泄流。

1.概况

捉马沟水库，是一座以灌溉为主，兼有防洪等综合效益的小（2）型水库。水库总库容41.9万m3，调洪库容9.9万m3，兴利库容24.0万m3，死库容8.0万m3。水库坝址距商南县城6km，距下游西安——南京铁路及“312”国道1.0km，壩址处在商南县捉马沟村北，控制流域面积8.5km2。捉马沟水库原由于当时群众运动期建设，水库工程前期工作基础差，仓促上马。该工程于1974年开工兴建，1977年建成蓄水，水库的主要任务是下游1500亩弄年灌溉。

2.溢洪道情况

捉马沟水库现状侧槽式溢洪道紧靠右岸山体，由侧槽式溢流堰、泄槽段、陡坡段组成。溢洪道侧堰长22.5m，堰顶宽度1.5m，堰顶高程596.57m，侧槽首段宽2m，末端宽5.8m，泄洪槽下端接陡坡段，陡坡长30.4m，坡比1：2。溢洪道在右岸岩石岸坡上开凿而成，溢洪道边墙为浆砌石砌筑而成。

加固处理后，溢洪道侧堰长22m，侧槽始端底宽b=1.9m，末端底宽B=5.8，侧槽比降为0.002，泄槽段维持原设计不变，长37.5m，底宽5.8m，边墙为直墙；陡坡段长度24.5m，底宽5.4m。

3.泄水流量

根据本水库校核洪水来水量为138m3/s，用加固的新方案中溢流堰进行调洪水迹，调洪后确定水库校核水位598.65m，相应最大下泄流量118m3/s。

4.溢洪道水面线计算

4.1侧槽末端水深

根据SL 253--2000《溢洪道设计规范》，侧槽末端水深按临界水深取值，经计算其临界水深为hk=3.4m，临界坡降ik=0.0041。

4.2侧槽水面线计算

溢洪道侧槽内水流为变量流，槽内流量沿侧槽轴线方向逐渐增大，根据SL 253--2000《溢洪道设计规范》，侧槽水面线采用有限差方法进行计算，计算公式如下：

（1）

式中：

Δx---计算段长度，断面2与断面1之间的距离，m；

Δy---Δx内水面差，m；

Q1，Q2 ---断面1及断面2的流量，m3/s；

q---侧槽溢流堰单宽流量，m3/（s.m）；

v1，v2---断面1及断面2的水流平均流速，m/s；

-J---分段区内平均摩阻坡降。

根据公式（1）计算，流量为118m3/s，侧槽内水面线成果见表1。

4.3泄槽水面线计算

泄槽段断面形式与原设计不变，泄槽长37.5m，底宽5.8m。槽底纵向坡比0.045，两侧边墙为直墙。本次计算泄槽段桩号为0+022～0+059.5段计算。泄槽段水面线计算按照能量方程，用分段求和法计算，计算公式如下：

（2）

（3）

式中：

Δl1-2---分段长度，m；

h 1 ，h2 ---分段始，末断面水深，m；

v 1 ，v2 ---分段始，末断面平均流速，m/s；

σ1，σ2 ---流速分布不均匀系数，取1.05；

θ---泄槽底坡角度，（°）；

i---泄槽底坡，i=tgθ；

-J---分段内平均摩阻坡降；

n---泄槽槽身糙率系数，查附录表A.7；

-v---分段平均流速， -v=（v1 +v2 ）/2，m/s；

-R---分段平均水力半径， -R=（R1 +R2 ）/2，m.

起始计算断面位置及其水深应按泄槽上游段调整段或侧槽末端水深取值，根据本次设计溢洪道情况，起始计算断面定在泄槽首部，水深h1 取用泄槽首端断面计算的临界水深hk。计算泄槽段水面线结果见下表2。

表2 泄槽段水面线计算成果表

断面序号 断面桩号 断面水深 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陡坡段水面线计算

4.4.1陡坡段起始水深计算

陡坡段起始计算断面位置及其水深h1应按陡坡段游段型式分别选取，根据本次设计溢洪道情况，确定起始断面为陡坡首端以下3hk 处，起始计算断面水深h1 小于hk ，应按下式计算：

（4）

式中：

q---起始计算断面单宽流量，m3 /（s.m）；

Ho---起始计算断面渠底以上总水头，m；

θ---泄槽底坡坡角；

H---起始计算断面流速系数，取0.95.

4.4.2掺气水深计算

根据陡坡段水流速度，确定掺气水深可按下式计算：

（5）

式中：

h，hb——泄槽计算断面的水深及掺气后的水深，m；

v---不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s；

ζ---修正系数，可取1.0～1.4s/m，流速大者取大值.

4.4.3陡坡段水面线计算

溢洪道陡坡段水面线计算与泄槽段水面线计算方法相同，均采用公式（2）

计算，仅起始水位计算方法不同，因此陡坡段水面线计算方法采用同泄槽段水面线计算公式，计算后结果见表3。

表3 陡坡段水面线计算成果表

断面序号 断面桩号 断面水深 掺气水深 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

结语：对于侧槽溢洪道的水面线计算，首先应确定起始水深计算位置，从而采用侧槽溢洪道水面线计算方法来计算水深，有为注意的是在计算侧槽段水面线时，其槽内水面线成先上升后下降的趋势。本文章根据SL 253-2000《溢洪道设计规范》中差分法和分段求和法分别对侧槽、泄槽段的水面线进行了计算，确定了侧槽式溢洪道槽内各段水深，从而为后面加固方案提供了了必要的基础数据。

参考文献：

[1] SL 253--2000《溢洪道设计规范》

[2]书本编写组.《水工设计手册》 北京：中国水利水电出版社 2014

[3]武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室 李伟.《水利计算手册》 北京：中国水利水电出版社 2006