侧槽溢洪道水力学计算研究

□赵 宁 □霍鹤飞 □路 阳（黄河勘测规划设计有限公司）

1 工程概况

科克塔斯水库位于伊宁市北部的匹里青河出山口水文站上游0.50km处，水库距伊宁市约30km，水库由混凝土面板堆石坝、溢洪道、泄洪洞、引水发电洞、灌溉洞及电站厂房等建筑物组成，水库总库容4613万m3，最大坝高88m，是一座以乡镇、工业供水、农业灌溉为主，兼顾防洪和发电等综合利用的中型水利枢纽工程。

侧槽溢洪道由侧槽段、调整段、泄槽段、消能段四部分组成。

侧槽段（溢0+000.00～溢0+045.00）位于右坝肩上游侧，堰采用开敞式无闸门控制WES型实用堰，堰前底板高程958.00m，堰宽45.00m，堰顶高程961.00m。侧槽与溢流堰夹角90°，槽身为梯形断面，靠山侧坡度为1:0.50，溢流堰侧坡度1:0.70，侧堰底宽从槽首端4.00m渐变至槽末端处的6.00m，侧槽底坡为1:0.04，槽首端底板高程954.80m，槽末端底板高程953.00m。

调整段（溢0+045.00～溢0+065.00）底板高程953.00m，净宽6m，两侧墙顶高964.00m。

泄槽段（溢0+065.00～溢0+367.00）净宽6m，在泄槽溢0+108.00m～溢0+116.00m上部设置交通桥，桥面宽7m，桥面高程964.00m，与坝顶道路相接。泄槽段总长302m，前90m底坡1:20，后212m底坡1:3.80。

消能段（溢0+367.00～溢0+380.00），消能段采用与泄槽等宽的连续式挑坎消能，消能段长13m，鼻坎顶高程为892.71m，反弧半径为15m，挑射角为25°，水流直接挑入匹里青河。

2 水力学计算

2.1 溢洪道泄流能力计算

溢洪道侧堰净宽45.00m，WES型实用堰，按式1计算泄流能力：

式中：B—溢流堰总净宽，m；

H0—计入行进流速水头的堰上总水头，m；

c—上游堰坡影响系数；

m—流量系数；

ε—闸墩侧收缩系数。经计算，设计水位961.59m时，溢洪道泄流能力为39.75m3/s，校核洪水位962.63m时，溢洪道泄流能力为211.14m3/s。

2.2 侧槽水面线计算

式中：△x—计算段长度，断面2与断面1之间的距离，m；

△y—△x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，m2/s；

v1、v2—断面1及断面2的水流平均流速，m/s；

以过水断面最低点为基准面的断面总水头：

在侧槽水面线计算时，以侧槽末端0+045断面为起始计算断面，其水深根据能量方程式(4)与泄槽首端0+065断面临界水深式(3)联立方程，求得校核水位962.63m泄洪工况下，泄槽首端0+065断面临界水深为hk=5.02m，侧槽末端水深为he=7.38m，侧槽水面线按式(2)计算。

侧槽首、末端底宽bu/be=4/6=0.677，he/hk=1.47。

而根据其他参考资料，he=nhk，系数n值见表1。

表1 系数n值表

根据bu/be=4/6=0.677，选取n=1.30，he=6.53m，本工程侧槽末端水深采用7.38m值，这样更利于实际工程中侧槽水流流出。

2.3 泄槽水面线计算

溢洪道泄槽水流属恒定非均匀流，水面线采用分段求和法公式计算：

式中：△L—计算流段长度，m；

Esd—分段下游断面的断面比能，m；

Esu—分段上游断面的断面比能，m；

i—泄槽段纵坡。

泄槽水面线计算成果见表2。

表2 溢洪道校核、设计洪水位泄洪水面线计算结果表

2.4 挑流消能计算

溢洪道出口位于坝下游右岸沟口，下游采用挑流消能，消能段长13m，鼻坎顶高程为892.71m，反弧半径为15m，挑射角为25°，水流直接挑入匹里青河。

挑流射程及冲刷计算根据，《溢洪道设计规范》（SL253-2000）公式计算：

式中：L-自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m;

v-鼻坎坎顶水面流速，m/s,可按鼻坎处平均流速的1.1倍计算；

θ-挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角，（°）；

h1-调流鼻坎末端法向水深，m；

h2-鼻坎坎顶至下游河床高程差，m；

T-自下游水面至坑底最大水垫深度，m;

q-鼻坎末端断面单宽流量，m3/（s.m）;

Z-上、下游水位差，m;

k-综合冲刷系数，参见规范表A.4.2，取1.3；

g- 重力加速度，9.81m/s2。

根据挑流计算结果，设计工况下挑距37.80m，冲坑深度7.13m，冲刷坑上游坡度为1:5.30；校核工况下挑距86.17m，冲坑深度20.29m，冲刷坑上游坡度为1:4.25。根据本工程地质情况，限定冲刷坡度ik为1:30，冲刷坑上游坡度均满足规范要求。

3 结语

侧槽溢洪道的水流条件比较复杂，尤其是过堰水流进入侧槽后，形成横向漩涡，同时侧槽内沿流程流量不断增加，漩滚强度也不断变化，水流紊动和撞击都很强烈，水面极不平稳。而侧槽又多是在坝头山坡上劈山开挖的深槽，其运行情况直接关系到大坝的安全，针对具体工程，侧槽溢洪道应该通过水力模型试验来确定水面线。文章通过多种方法计算侧槽溢洪道水面线，比较后认为，对于某些小工程，侧槽末端的水深采用能量方程与泄槽首端断面临界水深联立求解的结果，这样更利于实际工程中侧槽水流流出。

[1]李炜，等.水力学计算手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006,（02）.