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某水库溢洪道设计
某水库溢洪道设计
一、设计方案理论论证
某水库由于当年的条件限制，所以工程质量较差，加之近40年的运行，反复冻融破坏，结构、设备老化，水库诸多隐患，水库经专家鉴定，评价为：溢洪道无底板，右侧边墙短，破坏严重，安全评定为C级。根据中华人民共和国行业标准《溢洪道设计规范》（SL253-2000），对溢洪道进行计算和设计。该工程中河岸式溢洪道由引水渠、控制段、泄槽、出口消能和尾水渠等部分组成。
（一）、溢洪道水力计算
由正常、设计、校核洪水位时所对应的下泄流量查坝址水位流量关系曲线可得出下表。
表1-1 溢洪道水利计算成果表
计算情况
泄量（m3/s）
水 位（m）
正常蓄水位
设计洪水位
校核洪水位
0
16.404
22.944
18.800
19.640
19.850

溢洪道开挖后，为减轻糙率和防止冲刷，需进行衬砌，糙率取n=0.016。
溢洪道为3级建筑物，按10年一遇设计，20年一遇校核的洪水标准。
（二）、进水渠的设计
根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000），进水渠的布置应依照以下原则：选择有利的地形、地质条件；在选择轴线方向时，应使进水顺畅。
进水渠是将水流平顺引至溢流堰前。进水渠的地基为土基，故采用梯形断面；底坡为平底坡，边坡采用m=0.5。根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000）进水渠设计流速宜采用3~5m/s，渠内流速取υ=3.0m/s，渠底宽度大于堰宽，渠底高程是18.259m。
进水渠断面拟定尺寸，具体计算见表1-2。
表1-2 进水渠断面尺寸计算表
水 位
（m）
泄 量
（m3/s）
h
(m)
B
(m)
计算公式（假设υ=3.0m/s）
设计
水位
19.64
16.404
0.840
6.090

式中：A—过水断面积，m²；
B—渠底宽度，m；
h—溢流堰的堰前水深，m。
校核
水位
19.85
22.944
1.052
6.744
由计算可以拟定引渠底宽B=10 m（为了安全），引渠长L=10m。
（二）、控制段的设计
控制段也叫溢流堰段，控制段包括溢流堰及两侧连接建筑物，其作用是控制泄流能力。本工程是以灌溉为主的小型工程，溢洪道轴线处地形较好，岩石坚硬，开敞式溢流堰有较大的超泄能力，故堰型选用开敞式宽顶堰，断面为矩形。顶部高程与正常蓄水位齐平，为18.80m。堰厚δ拟为8米（2.5H<δ<10H）。堰宽由流量方程求得，具体计算见表1-3。
表1-3 堰宽计算表 (忽略行近水头υ2/2g)
水 位
(m)
泄 量
（m3/s）
H0
(m)
计算公式及符号意义
b
(m)
设计
水位
19.64
16.404
0.840

式中：m’—流量系数，等于0.364；
H0—堰上水头，不包括行进水头； Q—泄量； b—控制堰宽。
13.22
校核
水位
19.85
22.944
1.052
13.20
由计算知，控制堰宽取b=15m为宜。
（三）、泄槽的设计及水力计算
泄槽设计时要根据地形、地质、水流条件、与经济等因素合理确定其形式和尺寸。泄槽是渲泄过堰洪水的，槽底布置在基岩上，断面必须为挖方，且要工程量最小，坡度不宜太陡。为适应地形、地质条件，泄槽分收缩段（收缩角θ≦11.25°）和泄槽段，采用均一坡度，拟断面为矩形。
根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000）附录A中的泄槽水力计算规范，泄槽边墙收缩段角度可按经验公式 计算。本工程拟定收缩段收缩角θ=6°，首端底宽与控制堰同宽b1=15m,末端底宽b2拟为8m，断面取为矩形，则渐变段长，取整则L1为35m，底坡i=0.023。
泄槽段上接收缩段，拟断面为矩形，宽b=8m，长L2为65m，底坡和收缩段相同。
（四）、出口消能
溢洪道出口段为冲沟，岩石比较坚硬，离大坝较远，采用挑流消能，水流冲刷不会危及大坝安全。
（五）、尾水渠
其作用是将消能后的水流，较平稳地泄入原河道。为了防止小流量产生贴流，淘刷鼻坎，鼻坎下游设置长L=10m护坦。
二、计算部分
本设计中溢洪道主体部分的主要计算过程如下：
（一）、溢流堰泄流能力校核：
当引渠很长时，水头损失不容忽视。
1、基本公式如下：
； ； ； 。
式中，hj——局部水头损失，m；
hf——沿程水头损失，m；
——局部水头损失系数；
——引渠流速，m/s；
g——重力加速度（m/s2）;
L——引渠长度，m；
——动能系数，一般为1.0；
C——谢才系数；
R——水力半径，m；
A——过水断面面积，m2；
x——湿周，m；
n——引渠糙率；
；
式中，Q——流量，m3/s；
b ——堰宽，m；
H0——包括行近流速水头的堰上水头，m；
——无坎宽顶坎的流量系数；
——淹没系数，取1.0。
2、求堰前水深和堰前引水渠流速
采用试算法，联立公式可求得，具体计算见表1-4。
表1-4 堰前水深和堰前引水渠流速计算表
计算情况
泄量Q
H0
h
假设
试算
设计
水位
19.64
16.404
0.840
0.636
3.0
1.633
校核
水位
19.85
22.944
1.052
0.782
3.3
1.899
由计算表中流速可知，均小于3m/s，满足要求。
3、求引渠总水头损失。
， ， ；
式中）。
具体计算成果见表1-5。
表1-5 引水渠总水头损失
计算
情况
h

hj
A
x
R

n
L
hf

设计
水位
0.636
2.0
0.20
0.020
9.54.
31.27
0.305
0.21
0.016
10
0.049
0.069
校核
水位
0.782
2.3
0.27
0.027
11.73
31.56
0.372
0.27
0.016
10
0.050
0.077
4、作出库水位~流量关系。 库水位=堰顶高程+堰上水头+水头损失，具体计算见表1-6。

表1-6 库水位计算表
计算
情况
Q
(m3/s)
H0
(m)

(m)
堰顶高程
（m）
库水位(m)
设计
水位
16.404
0.840
0.069
18.80
19.709
校核
水位
22.944
1.052
0.077
18.80
19.929

（三）、溢洪道水面曲线计算
1、基本公式：
；

式中 hk——临界水深，m；
Q——槽内泄量，m3/s；
q——单宽流量，m3/s.m;
b——泄槽首端宽度，m；
g——重力加速度，m/s2;
ik——临界坡降；
BK——相应临界水深的水面宽，m；
AK——临界水深时对应的过水断面积，m2；
XK,——临界水深时对应的过水断湿周，m；
RK——临界水深时对应的过水断水力半径，m2；
CK——谢才系数。

；
式中： E1——1-1断面的比能，m；
E2——2-2断面的比能，m；
h1，h2——1-1及2-2断面水深，m；
v1,v2 ——1-1及2-2断面平均流速，m/s；
hf——沿程水头损失，m；
iL——1-1及2-2断面的底部高程差，m；
L——断面间长度，m；
n——泄槽糙率；
——两断面间平均流速，m/s；
——两断面间平均水力半径，m。
2、 泄槽段水面线计算
汇槽段断面为矩形，宽8m，长65m，i=0.023。
2.1临界水深hk和临界坡降ik .具体计算见表2-1。
表2-1 临界水深和临界坡降计算表
计算情况
Q
BK
qK
hK
Ak
xk
RK
CK

设计
水位
16.404
8
2.051
0.754
6.032
17.508
0.35
52.47
0.0079
校核
水位
22.944
8
2.868
0.943
7.544
17.886
0.42
54.09
0.0075
经计算i=0.023＞ik，故泄槽段属急流，按陡槽计算。
2.2泄槽段末端水深（正常水深h0）——采用试算法。具体计算见表2-2
表2-2 泄槽段末端水深计算表
计算情况
Q
b
i
设ho
A0
X0
R0
C0

设计水位
16.404
8
0.023
0.54
4.32
17.08
0.253
49.705
108.005
16.380
校核水位
22.944
8
0.023
0.66
5.28
17.32
0.305
51.278
149.525
22.677
经试算，设计水位时，h0=0.54米 ;
校核水位时，h0=0.66米。

2.3泄槽段水面线计算
其水面线计算采用分段求和法，按水深进行分段，各个断面相差0.5m左右。具体计算见表2-3。

- 9 -

表2-3 泄槽段水面线计算表
计算情况
断面
h0
(m)
A
(m²)
V
(m/s)
V²/2g
(m)
Es
(m)
△Es
(m)
X
(m)
R
(m)
C
（m½/s）

△L
(m)

设计水位
1-1
0.75
6.03
2.72
0.38
1.13
0.006
17.51
0.34
52.33
0.008843
0.014157
0.73
0.73
2-2
0.70
5.60
2.93
0.44
1.14
17.43
0.33
51.90
0.020
0.011234
0.011766
1.78
2.51
3-3
0.65
5.20
3.15
0.51
1.16
17.51
0.34
52.33
0.038
0.014415
0.008585
2.65
4.42
4-4
0.60
4.80
3.42
0.60
1.20
17.40
0.32
51.74
0.063
0.018899
0.004101
3.35
5.99
5-5
0.55
4.40
3.73
0.71
1.26
17.30
0.30
51.15
0.017
0.022400
0.000600
0.74
4.08
6-6
0.54
4.32
3.80
0.74
1.28
17.20
0.28
50.52
校

核

水

位
1-1
0.94
7.54
3.04
0.47
1.41
0.005
17.10
0.26
49.85
0.008215
0.014785
0.59
0.59
2-2
0.89
7.12
3.22
0.53
1.42
17.08
0.25
49.70
0.015
0.009885
0.013115
1.51
2.11
3-3
0.84
6.72
3.41
0.59
1.43
17.89
0.42
54.12
0.028
0.011967
0.011033
2.31
3.82
4-4
0.79
6.32
3.63
0.67
1.46
17.78
0.40
53.66
0.044
0.014672
0.008328
2.99
5.31
5-5
0.74
5.92
3.88
0.77
1.51
17.68
0.38
53.19
0.117
0.019626
0.003374
5.96
8.96
6-6
0.66
5.28
4.35
0.96
1.62
17.58
0.36
52.70

3、溢洪道水面曲线成果及护砌高度
计算溢洪道水面线是为确定边墙高度、边墙及衬砌底板的结构设计和下游消能计算提供依据。
3.1溢洪道边墙高度计算公式为：

式中 h——不掺气时水深，m；
hb——当流速大于7~8m/s时掺气增加水深，m；
△——安全超高，（在正常情况下，取1.0m；在非正常情况下，取0.7m。对于岩基，可适当减小）设计时取1.0，校核时取0.9, m；
H——边墙高度，m。
3.2边墙高度计算
引水渠边墙高见表2-4
表2-4 引水渠边墙计算表(v<7~8m/s)
参 数
情 况
计算水深
h(m)
安全超高
△(m)
边墙高度H=h+△(m)
设计水位
0.636
1.0
1.636
校核水位
0.782
0.9
1.682

控制堰边墙高度与引渠等高。设计水位时，边墙高度H=1.636m；校核水位时，边墙高度H=1.682m。收缩段边墙高度具体计算见表2-5。收缩段最大流速v=3.04m/s<7~8m/s，不考虑掺气所增加水深，故H=h+△。泄槽段边墙高度具体计算见表2-6。
表2-5 收缩段边墙高度计算表
计算情况
断面
断面距渐变断首端距离（m）
计算水深h(m)
安全超高
△（m）
边墙高度
H（m）
设计水位
首端
0
1.92
1.0
2.92
尾端
35
2.75
1.0
3.75
校核水位
首端
0
2.49
0.7
3.19
尾端
35
3.5
0.7
4.20

表2-6 泄槽段边墙计算表
计算情况
断面
断面距离槽首端距离（m）
计算
水深
h(m)
流速v
(m/s)

(m)
安全
超高
△(m)
边墙
高度
H(m)
设
计
水
位
1-1
2-2
3-3
4-4
5-5
6-6
0
0.40
1.52
2.84
3.98
5.97
2.75
2.60
2.45
2.30
2.15
2.03

1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
3.75
3.6
3.45
3.3
3.15
3.03
校
核
水
位
1-1
2-2
3-3
4-4
5-5
6-6
0
0.76
2.82
5.22
7.21
7.40
3.5
3.35
3.20
3.0
2.8
2.6

6.67
7.14
7.69

0.20
0.20
0.7
0.7
0.7
0.7
0.7
0.7
4.2
4.05
3.9
3.7
3.7
3.5

4、出口消能计算
消能防冲标准（P=3％），相应溢洪道泄量Q=？，下游水位为16.04m。溢洪道出口消能计算的任务是：估算下泄水流的挑射距离；选择挑流鼻坎形式，确定挑流鼻坎方式（连续式、差动式和各种异型鼻坎。连续式鼻坎因其结构简单，运用安全可靠，因而广泛应用）、反弧半径（对水流衔接、水舌外缘出射角和反弧段压力分布均有影响。一般采用，宜选用较大值）、挑射角（直接影响水流射程的远近，一般为）等尺寸，以保证达到最优消能效果；估算下游冲刷坑的深度和范围（可知鼻坎两侧翼墙延伸的长度）。
4.1计算公式为：

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 ；
θ——挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角，度；
g——重力加速度，m/s2；
h1——坎顶水股断面的水深，其值近似地采用陡槽末端水深，m；
h2——坎顶距下游水面线垂直距离，m；
1——鼻坎坎顶水面流速，可按鼻坎处平均流速的1.1倍计算。
ts——最大冲坑的水垫深度，m；
K——岩石冲刷系数；(坚硬完整岩基，0.9~1.2；坚硬但完整性较差的岩基，1.2~1.5；软弱破碎、裂隙发育岩基，1.5~2.0)
q——单宽流量，m3/s.m；
H——上、下游水位差，m;
4.2挑距计算，见表2-7。
表2-7 挑距计算表
计算情况
h1
(m)
v1
(m/s)

(°)
h2
(m)
H
(m)
k
ts
(m)
q
(m³/s)
L
(m)

设计
水位
0.93

14.52

35°

2.76

0.95

6.95

2.051

32.03

校核水位
1.29
15.50
35°
2.76

0.95
8.70
2.866
37.10

4.3校核冲刷坑范围
设计情况
校核情况
安全挑距约为坑深的2.5~5倍，故冲坑不会危及挑坎安全。