浅谈溢洪道泄槽水面线计算方法在设计中的运用

陈群艺

（福建省漳州市万泽水利设计咨询有限公司,福建 漳州 363000）

溢洪道为水库的泄水建筑物,当水库水位超过正常蓄水位时,洪水从溢洪道向下游宣泄,防止库水漫顶,危及大坝安全。溢洪道主要由进水渠、控制段、泄槽、消能防冲设施及出水渠等建筑物组成,泄槽段紧接控制段,是溢洪道坡降的集中段,多为陡坡型式,水流特征一般为急流。工程设计中需对泄槽过流能力及边墙高度等进行计算,获取各工况下泄槽过流能力、水深、流速等参数,对泄槽安全性、水流是否平稳进行评价,并以此验证是否满足规范要求,同时为下游消能计算提供依据。

1 计算方法

1.1 分段求和法

在实际工程设计过程中,溢洪道泄槽段水面线计算方法多采用《溢洪道设计规范》中的“分段求和法”进行计算,具体公式如下：

式中：Δ l1-2为分段长度,m；h1,h2为分段始,末断面水深,m；v1,v2为分段始,末断面平均流速,m/s；σ1,σ2为流速分布不均匀系数,取1.05 ；θ为泄槽底坡角度,（°） ；i为泄槽底坡,i=tgθ；J为分段内平均摩阻坡降；n为泄槽槽身糙率系数,取0.025；v为分段平均流速,v=（v1+v2）/2,m/s；R为分段平均水力半径, R=（R1+R2）/2,m。

1.2 收缩影响判定

收缩影响判定方法采用《无闸控制溢洪道水力设计》[1]中的“第二节 渠式控制段,三、 变宽斜坡明槽的进口形式”章节,具体计算公式如下：

式中：Ek1, Ek2为进,出口断面的临界比能,m；hk1,hk2为进,出口断面的临界水深,m；hw为水头损失,m；if为平均临界底坡,（ik1+ik2）/2；ik1,ik2为进,出口断面的临界底坡；i为渠道底坡；L为收缩段长度,m。

当ΔZ ＞ΔZk时产生堰流衔接,缩窄口不影响过流能力；当ΔZ＜ΔZk时产生明渠衔接,缩窄口影响过流能力。

2 工程实例

2.1 工程概况

梁山水库位于漳浦县盘陀镇刘埔村,所在河流为盘陀溪,盘陀溪为鹿溪支流一条支流。盘陀溪全流域面积129 km3,河长19 km,河道平均坡降17.8‰。梁山水库是一座具有以灌溉为主,兼顾供水、发电、防洪等综合利用的中型水库。水库总库容1076 万m3,工程等级为Ⅲ等工程,工程规模为中型,主要永久性建筑物级别为3 级建筑物,次要建筑物级别为4 级。洪水标准50 年一遇设计,1000 年一遇校核。

水库溢洪道位于大坝右侧,控制段为开敞式宽顶堰,堰顶高程299.63 m,堰顶净宽28.6 m,现状溢洪道堰顶段长9.40 m,后接三个陡坡段,第一陡坡段长55.4 m,坡比1/33,泄槽宽度由28.6 m缩为13.0 m；第二陡坡段长14.9 m,坡比1/6.25,泄槽宽度由13.0 m缩为10.0 m；第三陡坡段长10 m,坡比1/9.09,泄槽宽度为10.0 m。溢洪道末端未设消力池,水流直接泄入天然河床,溢洪道末端的河床为整片花岗岩,岩盘坚硬完整,抗冲刷性能好。

溢洪道主要问题有：溢洪道泄槽段侧墙、底板除砌石勾缝局部有脱落,溢洪道的泄槽左侧墙在高水位泄洪时会产生震动,分析产生震动的原因是由侧槽断面收缩过大,当高水位运行时,水流流速大,而产生冲击波,造成左侧墙运行中产生震动。

2.2 计算参数

溢洪道现状平面图见图1, 溢洪道泄槽断面数据见表1,水库特征水位见表2。

图1 溢洪道现状平面布置图

表1 溢洪道泄槽断面数据

表2 水库特征水位表

2.3 现状水面线计算

采用“分段求和法”计算时,起始断面的位置确定,对计算成果的准确性起到至关重要的作用,实际计算过程中应综合考虑上游衔接方式、泄槽是否受收缩影响、底坡等因素。本例现状泄槽段第一陡坡段收缩角较大,经复核控制断面在缩窄口位置,计算时应采用缩窄口作为计算起始断面,计算过程中如忽略对收缩影响进行判断,直接采用进口断面作为起始断面计算,则方程无解,易将精力错误地用于方程求解,而降低工作效率,又无法解决问题[2]。

计算洪水标准采用1000 年一遇校核洪水位303.0 m,相应下泄流量284.69 m3/s。

2.3.1 收缩影响判断

收缩影响计算成果见表3。

表3 稳定计算工况表

表3 收缩影响计算成果表

从计算成果可以看出,桩号0+044.4 以上断面ΔZ ＜ΔZk,均受收缩影响,造成壅水,控制断面桩号为0+044.4,因此水面线计算起始断面应取0+044.4。

2.3.2 计算成果

计算起始断面为桩号0+044.4,起始水深可近似取该断面临界水深,分别采用“分段求和法”往上,下游分别推算水面线。结果见表4。

表4 水面线计算成果表

从计算成果可知,泄槽过流能力不满足要求,受收缩断面影响,对上游形成顶托,壅高库水位,危及大坝安全,现有边墙高度不够,不满足溢洪道泄洪安全。

2.4 加固措施

针对工程存在问题及水面线复核成果,溢洪道除险加固设计拟对陡坡段两侧侧墙进行拆除并拓宽重建,溢洪道第一陡坡段末端拓宽至20 m,第一陡坡段两侧侧墙均与控制段侧墙平顺衔接,减少收缩角,平顺水流,底板坡比仍为1/33,侧墙高度3.67 m下降至2.70 m,侧墙采用M7.5 浆砌条石重力式挡墙,底板拓宽部分采用M7.5 浆砌条石护砌,底板厚度0.6 m；第二陡坡段末端拓宽至17.73 m,两侧侧墙均与第一陡坡段末侧墙平顺衔接,底板坡比仍为1/6.25,侧墙高度2.70 m下降至2.30 m侧墙采用M7.5 浆砌条石重力式挡墙,底板拓宽部分采用M7.5 浆砌条石护砌,底板厚度0.6 m；第三陡坡段末端拓宽至16.0 m,两侧侧墙均与第二陡坡段末侧墙平顺衔接,底板坡比仍为1/9.09,侧墙高度为2.30 m,侧墙采用M7.5 浆砌条石重力式挡墙,底板拓宽部分采用M7.5 浆砌条石护砌,底板厚度0.6 m；溢洪道末端的河床为整片花岗岩,岩盘坚硬完整,抗冲刷性能好,水流直接泄入天然河床。溢洪道加固后平面布置图见图2。

图2 溢洪道加固后平面布置图

2.5 加固后水面线复核

加固后水面线复核见表5、表6。

表5 收缩影响计算成果表

表6 加固后泄槽水面线复核成果

从计算成果可知,溢洪道泄槽拓宽后不再受断面收缩影响,达到消除原泄槽壅水危害的目的,设计侧墙高度均高于计算墙高,确保洪水下泄安全,溢洪道加固设计符合规范要求。目前该项目溢洪道加固已实施完成[3]。

3 结语

溢洪道泄槽作为溢洪道重要组成部分,其设计是否合理对溢洪道过流及泄洪安全有着直接影响。随着近几年国家对水利事业的重视,作为水工设计人员将越来越频繁地接触到溢洪道设计及复核方面内容。本文通过实例计算过程及对成果反映的问题采用的相应工程措施进行阐述,希望能为从事水工设计人员在溢洪道水面线计算方面提供一些参考。