某小型水库溢洪道设计

丁昭佐，沈宽勇，简士洋

(1.贵州省毕节市勘测设计研究院，贵州 毕节 551700；2.贵州省毕节市水利局，贵州 毕节 551700)

某小型水库溢洪道设计

丁昭佐1，沈宽勇1，简士洋2

(1.贵州省毕节市勘测设计研究院，贵州 毕节 551700；2.贵州省毕节市水利局，贵州 毕节 551700)

溢洪道是中小型水库的主要建筑物之一，是洪水期间保证水库安全的重要设施。溢洪道的设计和布置合理与否，直接影响到水库安全性、经济性。因此，必须重视中小型水库溢洪道设计。文章结合具体案例，对中小型水库溢洪道设计进行了探究，希望对今后同类型设计起到参考作用。

水库；溢洪道；设计；进水渠；控制段；泄槽

1 工程概况

某水利枢纽工程位于某河上游。控制流域面积94.1km2，水库按50a一遇设计，根据水利500a一遇校核计算，水库死水位348m，正常蓄水位360.52m，相应库容1423.07万 m3；设计洪水位363.62m。相应库容为1998.36万 m3；溢洪道设计泄洪量540万 m3/s，泄洪洞设计泄流量为90m3/s；校核洪水位为364.81m，相应库容为2299.68万 m3，溢洪道校核泄流量800m3/s，泄洪洞校核泄流量为110m3/s。

2 水库溢洪道设计要点

2.1 进水渠设计

进水渠的主要功能是将水流平顺引至溢流堰前。常规采用梯形断面，底坡为平坡，边坡采用1∶1.5。为提高泄洪能力，渠内流速υ<3.0m/s，渠底宽度大于堰宽，渠底高程是360.52m。

进水渠断面拟定尺寸，具体计算见表1。

进水渠与控制堰之间设20m渐变段，采用圆弧连接，引渠长L=150m。

2.2 控制段设计

本工程为小型水库工程，采用无闸控制，溢洪道轴线处地形较好，岩石坚硬，堰型选用无坎宽顶堰，断面为矩形。为了控制段建筑物的进入口的水流相互垂直，同时保证泄流的匀称，结合实际条件例如地形情况，必须设置宽顶堰，其宽度可以根据允许的单宽流量选取，岩基上的单宽流量取值范围控制在40～70m3/s，20～40m3/s范围的选取适用非岩基，土基的一般取值为20m3/s。不考虑进口段设置的引流段，通常情况下要使堰顶宽度满足于≤3倍的堰上水头。收缩角在12°左右最佳时，堰口与对应的上游引流段如果采取渐变段连接，可以使水流达到平顺的效果。如堰体较宽则应在其横向设置温度缝与沉陷缝，其间距可按10～15m布设[1]。

表1 进水渠断面拟定尺寸

由计算可以拟定引渠底宽B=90m(为了安全)。

2.3 泄槽设计

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、泄槽一段和泄槽二段布置。

据已建工程拟收缩段收缩角θ=12°，首端底宽与控制堰同宽，b1=65m,末端底宽b2拟为40m，断面取为矩形，则渐变段长L1=58.81m，取整则L1为60m，底坡i=1/50。

泄槽一段上接收缩段，下接泄槽二段，拟断面为矩形，宽b=40m，长L2为540m，底坡i=1/200。

2.4 出口消能设计

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。

2.5 尾水渠设计

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。

2.6 溢流堰泄流能力校核

当引渠很长时，水头损失不容忽视。

基本公式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：hj为局部水头损失，m；ζ为局部水头损失系数；g为重力加速度，m/s2；α为动能系数，一般为1.0；R为水力半径，m；x为湿周，m；hf为沿程水头损失，m；υ为引渠流速，m/s；L为引渠长度，m；C为谢才系数；A为过水断面面积，m2；n为引渠糙率。

(5)

(6)

式中，σs为淹没系数，取1.0；b为堰宽，m；m′为无坎宽顶坎的流量系数；H0为包括行近流速水头的坎上水头，m；Q为流量，m3/s。

1)堰前水深和堰前引水渠流速。

2)采用试算法，联立公式：

(7)

具体计算见表2。

表2 引水渠流速试算成果表

由表2中可知流速<3m/s，满足要求。

2.7 溢洪道水面曲线计算

2.7.1 计算依据

计算公式为：

(8)

(9)

(10)

(11)

AK=bh

(12)

(13)

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

E1+iL=E2+hf

(14)

(15)

(16)

2.7.2 渐变段水面线计算

2.7.2.1 临界水深hk及临界底坡ik计算

渐变段首端宽b1=65m，尾端宽b=40m，断面为矩形。具体计算见表3。

2.7.2.2 渐变段水面线计算

首端断面水深为临界水深hk，具体计算见表4。

表3 临界水深及临界底坡计算成果表

表4 渐变段水面线计算成果表

由计算得渐变段末端水深分别为h设=2.75m，h校=3.5m。

2.7.3 泄槽二段水面线计算

泄槽二段断面为矩形，宽40m，长80m，底坡i=1/8。

2.7.3.1 求临界底坡ik，控制断面水深ho(正常水深)

因泄槽二段同泄槽一段流量、形状、断面尺寸相同，故临界底坡和临界水深不变。设计水位时，ik=0.00214；校核水位时，ik=0.00205。i=1/8>ix，属陡坡急流，按陡槽非均匀流计算。控制断面水深h0用试算法，具体计算列于表5。

经试算，设计水位时，h0=0.76m校核水位时，h0=0.96m。

表5 控制断面水深计算成果表

2.7.3.2 泄槽二段水面线计算

泄槽二段首端控制水深，设计水位时h=2.03m；校核水位时，h=2.6m。采用分段求和法计算水面曲线。计算仅推到泄槽二段末端，若推到正常水深时，陡槽长已超过设计长度，这是不切实际的。故泄槽二段内不产生正常水深。由计算知末端水深在设计水位时为h=0.93m，在校核水位时为h=1.29m。

2.7.4 出口消能计算

2.7.4.1 溢洪道出口消能计算的任务

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、反弧半径、挑射角等尺寸，以保证达到最优消能效果；估算下游冲刷坑的深度和范围。

2.7.4.2 计算公式

L=L1+L2

(17)

(18)

2.7.4.3 校核冲刷坑范围

设计情况i=ts/L=6.95/32.03=0.22

校核情况i=ts/L=8.70/37.10=0.23

故冲坑不会危及挑坎安全。

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50a一遇设计，500a一遇校核的洪水标准。

[1]刘启阳，莫文海，洪乃全.中小型水库溢洪道设计中的常见问题及处理方法 [J].四川建筑，2007，27(S1)：129-130.

1007-7596(2014)01-0137-03

2013-09-27

丁昭佐(1978-)，男，贵州毕节人，工程师，从事水利水电工程设计工作；沈宽勇(1976-)，男，贵州六枝人，工程师，从事水利工程设计工作；简士祥(1976-)，男，贵州纳雍人，工程师，从事农村水利管理工作。

TV651.1

B