溢洪道泄槽水面线起始水深采用临界水深计算的合理性分析

李 丹

（固原市水利勘测设计院有限公司，宁夏回族自治区 固原 756000）

1 引言

溢洪道作为水库等水利枢纽的防洪建筑物，主要用于宣泄洪水，直接影响工程规模和坝体安全，在水库设计中举足轻重。溢洪道一般由进水渠、控制段、泄槽、消能防冲设施及出水渠等建筑物组成。溢洪道控制段常采用实用堰和宽顶堰，实用堰流量系数大，工程量较小，但施工复杂，多用于岩基；宽顶堰结构简单，施工方便，但流量系数较小，工程量较大，多用于泄量较小且地形较平缓的中小型工程。鉴于宁夏南部山区地质以黄土为主，水库规模多为中小型，且泄量较小，故溢洪道控制段多采用宽顶堰结构。溢洪道控制段后接泄槽段，泄槽段结构尺寸根据最大流量下水面线加安全超高确定，可见，确定泄槽段起始计算断面及其水深尤为重要。根据《溢洪道设计规范》，当泄槽上游接宽顶堰、缓坡明渠或过渡段时，起始断面定在泄槽首部，水深取用泄槽首端断面计算的临界水深hk。文章结合工程实际，分析验证溢洪道（控制段采用宽顶堰形式）泄槽水面线起始水深采用临界水深计算的合理性，为溢洪道泄槽水面线计算提供理论支撑。

2 工程概况

文章主要结合宁夏中卫市海原县双涝子、杨家沟3#、寨柯等3座骨干坝溢洪道情况进行分析验证溢洪道泄槽水面线起始水深采用临界水深计算的合理性。3座骨干坝概况如下。

2.1 双涝子骨干坝概况

双涝子骨干坝位于宁夏中卫市海原县史店乡田拐行政村境内，距海原县城约13 km。坝址位于马营河上游左岸支沟沟口上，东经105°45′04″，北纬36°30′12″。双涝子骨干坝流域面积4.71 km2，设计坝高18.5 m，校核洪水位1 824.03 m，总库容74.26万m3，属Ⅰ等1型工程。双涝子骨干坝由土坝、输水建筑物和泄洪建筑物组成。

双涝子骨干坝泄洪建筑物位于右坝肩，为开敞式溢洪道，由进口段、控制段、一级明渠段、陡坡段、消力池、二级明渠段及海漫组成。溢洪道控制段为单孔箱涵结构，底板高程1 822.0 m，底宽3.0 m，高3.5 m，校核洪水位（1 824.03 m）时溢洪道最大泄量为14.07 m3/s。

2.2 杨家沟3#骨干坝概况

杨家沟3#骨干坝位于宁夏中卫市海原县史店乡徐坪行政村，距海原县城约10 km。坝址位于马营河上游左岸支沟上，东经105°43′33″，北纬36°28′53″。杨家沟3#骨干坝流域面积7.96 km2，设计坝高24.0 m，校核洪水位1 921.08 m，总库容125.51万m3，属Ⅰ等1型工程。杨家沟3#骨干坝由土坝、输水建筑物和泄洪建筑物组成。

杨家沟3#骨干坝泄洪建筑物位于左坝肩，为开敞式溢洪道，由进口段、控制段、一级明渠段、陡坡段、消力池、二级明渠段及海漫组成。溢洪道控制段为单孔箱涵结构，底板高程1 919.60 m，底宽3.0 m，高3.4 m，校核洪水位（1 921.08 m）时溢洪道最大泄量为8.77 m3/s。

2.3 寨柯骨干坝概况

寨柯骨干坝位于宁夏中卫市海原县史店乡徐坪行政村，距海原县城约8 km。坝址位于马营河上游左岸支沟上，东经105°45′45″，北纬36°29′26″。寨柯骨干坝流域面积4.92 km2，设计坝高25.0 m，校核洪水位1 921.31 m，总库容77.58万m3，属Ⅰ等1型工程。寨柯骨干坝由土坝、输水建筑物和泄洪建筑物组成。

寨柯骨干坝泄洪建筑物位于右坝肩，为开敞式溢洪道，由进口段、控制段、陡坡段、消力池、明渠段及海漫组成。溢洪道控制段为单孔箱涵结构，底板高程1 920.20 m，底宽3.0 m，高3.7 m，校核洪水位（1 921.31 m）时溢洪道最大泄量为5.98 m3/s。

表1 3座骨干坝相关参数表

3 溢洪道泄槽水面线起始水深及临界水深计算

水库泄洪时，水流通过进口段八字墙进入控制段，形成堰流，再经明渠、陡坡、消力池等泄流至下游沟道。结合工程实例，在已知库水位及泄量的情况下，根据能量方程求解溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深，并与泄槽首部临界水深进行对比，分析验证溢洪道（控制段采用宽顶堰形式）泄槽水面线起始水深采用临界水深计算的合理性。

3.1 根据能量方程求解溢洪道泄槽首部水深

以双涝子骨干坝为例进行详解，具体计算步骤如下：

3.1.1 已知条件

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，控制段宽度B=3.0 m。

3.1.2 计算简图

以溢洪道控制段底板高程为基准面（0-0），分别在库区取1-1计算断面，在泄槽首部（控制段末端）取2-2计算断面。计算简图见图1。

图1 计算简图

3.1.3 用能量方程求解

对1-1计算断面和2-2计算断面列能量方程：

式中：Z1—1-1计算断面处的水深，m；

P1—1-1计算断面处压强，KPa；

v1—1-1计算断面处的流速，m/s；

Z2—2-2计算断面处的水深，m；

P2—2-2计算断面处压强，KPa；

v2—2-2计算断面处的流速，m/s；

α1、α2—不同过水断面上的动能修正系数，取α1=α2=1.0；

ζ—局部阻力系数；

γ—水的重度，kN/m3；

g—重力加速度，取9.8 m/s2。

（1）1-1计算断面。

①1-1计算断面处水深为校核洪水位与溢洪道底板高程之间的差值，即Z1=H2-H1=1824.03-1822.0=2.03 m。

②1-1计算断面处压强为大气压强，采用相对大气压强，即P1=0。

③1-1计算断面处由于水库水面很大，泄流量较小，泄流瞬间对库水位影响很小，水库内水流流速几乎为0，可忽略不计，即v1=0。

（2）2-2计算断面。

①2-2计算断面处溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深为Z2，是本次需要求解的量。

②2-2计算断面处压强为大气压强，采用相对大气压强，即P2=0。

（3）由于溢洪道控制段很短，故本次计算不考虑沿程损失，仅考虑局部损失。局部损失主要发生在控制段进口位置，根据局部阻力系数表可知，明渠渐缩段局部损失系数0.10，即ζ=0.10。

（4）将以上数据代入能量方程进行计算：

经试算，Z2=1.302 m。

3.1.4 计算结果

根据能量方程，采取同样计算步骤对杨家沟3#、寨柯2座骨干坝溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深Z2进行分析计算。

经计算，双涝子、杨家沟3#、寨柯等3座骨干坝溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深Z2分别为1.302 m、0.993 m、0.758 m。

3.2 泄槽首部临界水深计算

3.2.1 计算公式

泄槽首部（控制段末端）为矩形断面，临界水深按下式计算：

式中：hk—临界水深，m；

α—动能修正系数，取α=1.0；

Bk—水深为临界水深hk时的水面宽，m；

Q—流量，m3/s；

g—重力加速度，取9.8 m/s2。

3.2.2 计算结果

将双涝子、杨家沟3#、寨柯等3座骨干坝相关数据带入公式计算得：

4 成果分析

双涝子、杨家沟3#、寨柯等3座骨干坝根据能量方程推算的溢洪道泄槽首部水深Z2与泄槽首部临界水深hk比较见表2。

表2 3座骨干坝溢洪道泄槽首部水深Z2与临界水深hk比较表

根据表2可知，3座骨干坝采用能量方程推算的溢洪道泄槽首部水深Z2与泄槽首部临界水深hk计算值均很接近，差值在5 cm以内，变幅在±5%以内，可见，溢洪道（控制段采用宽顶堰形式）泄槽水面线起始水深采用临界水深计算合理，符合实际。

5 结语

结合工程实际，根据能量方程求解溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深，并与泄槽首部临界水深进行比较，结果表明，两者差值很小，变幅在±5%以内，验证了溢洪道（控制段采用宽顶堰形式）泄槽水面线起始水深采用临界水深计算的合理性，可为溢洪道泄槽水面线计算提供理论支撑。