册田水库正常溢洪道水力计算

李 敏

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

册田水库位于山西省大同县境内，属海河流域，永定河水系，是桑干河干流上山西省出境处的控制性工程。册田水库下游为官厅水库，坝址以上控制流域面积1.67万km2，占官厅水库以上总流域面积的38.5%。水库设计总库容5.8亿m3，水库枢纽工程由大坝、正常溢洪道、非常溢洪道、浆砌石重力坝等组成。水库任务是供水、灌溉和防洪，水库位于官厅水库和北京市上游，位置十分重要，水库的安危直接关系到北京市和下游人民群众生命财产的安危。

册田水库工程于1958年开始修建，1970年进行二期扩建工程，至1976年完成了土坝和正常溢洪道的施工，扩建后坝顶高程达到961.5m，最大坝高为41.5m。水库工程属大（二）型，工程等别为Ⅱ等，主要建筑物大坝、正常溢洪道、非常溢洪道均为2级。由于运行多年，水库各建筑物存在诸多问题，不满足现行规范和运行要求，需要对册田水库进行除险加固。

2 除险加固后正常溢洪道的情况

溢洪道是洪水期间保证水库安全的重要建筑物，当水库水位超过安全限度时，水从溢洪道向下游泄出。因此，正常溢洪道的除险加固，是册田水库除险加固的重要部分。

水库设计洪水位957.57m时，正常溢洪道的泄量为1659m3/s；校核洪水位960.04m时，正常溢洪道的泄量为1859m3/s。正常溢洪道泄槽泄流能力演算，按校核洪水位及其泄量进行。

正常溢洪道由闸前防渗段、闸室控制段、泄槽段、消能段组成。正常溢洪道的基础为玄武岩地层，位于大坝左坝肩处，除险加固后全长492.7m（桩号0-111—0+381.7），其中：

闸前防渗段长18m（桩号0-111—0-093），宽度38.6m；

闸室控制段长28m（桩号0-093—0-065），总宽度38.6m。闸室设4孔带胸墙的泄洪孔口，孔口宽8m，高6m，中墩厚2.2m。堰顶高程为943.3m，闸墩顶高程961.5m。闸孔由4扇8m×6m弧形工作门控制，工作门前设叠梁检修门。

泄槽段长411.7m（桩号0-065—0+346.7），原设计宽度40.2m，除险加固后泄槽宽度调整为39.6m。

消能段长35m（桩号0+346.7—0+381.7），采用差动式挑流鼻坎消能，消能冲刷坑在玄武岩地层中，消能后入桑干河。

表1 正常溢洪道泄槽底坡统计表

3 正常溢洪道计算

3.1 收缩水深的计算

正常溢洪道泄流方式，按折线型实用堰及宽顶堰闸孔（或胸墙）出流考虑，堰下收缩水深断面，位于桩号0+002处。

收缩水深hc的计算参考《水力计算手册》公式（4-2-1）进行。

式中：E0——以下游河床为基准面的泄水建筑物上游总水头（下游河床高程为941.67m，闸前校核洪水位为960.04m，E0=18.37m）；

q——收缩断面处的单宽流量，q=1859/39.6=46.94m3/（s·m）；

g——重力加速度9.8m/s2；

φ——流速系数，参照《水力计算手册》表4-2-1，折线型实用堰及宽顶堰闸孔（或胸墙）出流，取0.8。

经多次试算得：hc=3.429m

3.2 泄槽段水面线推算

泄槽水面线推算参考《溢洪道设计规范》（SL 253），根据能量方程，用分段求和法计算。

泄槽水面线计算公式如下：

式中：ΔL——分段长度，m；

h1、h2——分段始末断面水深，m；

θ——泄槽底坡角度；

α1、α2——流速分布不均匀系数，取1.05；

v1、v2——分段始末断面平均流速，m/s；

g——重力加速度9.8m/s2；

i——泄槽底坡；

J¯——分段内平均摩阻坡降；

n——泄槽槽身糙率系数，取n=0.014；

起始计算断面桩号为0+002，起始水深为收缩断面水深，h1=3.429m，流量为1859m3/s，糙率n=0.014，泄槽宽B=39.6m。水面线推算结果见表2。

3.3 泄槽段水流掺气水深计算

泄槽段水流掺气水深可采用《溢洪道设计规范》中公式（A.3.2）

表2 正常溢洪道泄槽水面线推算结果表

式中：hb——掺气后的水深（计算结果见表3），m；

ξ——修正系数（1.0～1.4s/m），计算取1.2s/m；

v——不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s；

h——泄槽计算断面的水深。

表3 计入掺气后正常溢洪道泄槽水面线推算结果表

4 结论

根据对正常溢洪道水面曲线推算出的掺气后水深，加上1.0m的安全超高，计算出的侧墙高度均低于除险加固后实际的侧墙高度，正常溢洪道能泄掉校核洪水位时多余的水量，满足现行规范要求，能保证水库的安全运行。