溢流堰顶低于淤面时的淤地坝调洪方法初探

薛建清

（离石区水利局）

当现有未设溢洪道的淤地坝达到或超过设计淤积高程后，年来砂量不会自然减少或者没有，仍要继续淤积。为了淤地坝的安全度汛，需在坝的左岸或右岸开设临时排洪渠，经过持续运行，形成了淤面高、排洪渠底低情况。此时，为了除险加固淤地坝，需在排洪渠位置增设溢洪道，但溢洪道溢流堰的堰顶高程低于现有淤积高程。在这种情况下，如何科学合理地进行单坝的调洪计算呢？本文对此进行初步探讨。

1 溢流堰顶低于淤面时泄水滞洪特点

来水初期，洪水径流由排洪渠排走，排走的洪峰流量Q溢与排洪渠泄量Q排相等，即Q溢=Q排，时间t=0-t1。

当时间达到t1时，坝控流域面积的洪峰流量超过排洪渠的最大泄量，此时，库区水位上升，多余洪水溢出排洪渠到淤地面上，时间t=t1-t2。

当时间到t2时，排洪流量达到最大值，库区水位达最高不再上升，之后水位逐渐降低，直至泄完，时间t=t2-t3。

2 溢流堰顶低于淤面的调洪方法

2.1 粗调计算

采用《山西省淤地坝工程技术规范》（晋Q834-85）中的公式（3-10）和（3-11），拟定溢流堰堰顶高程和底宽。

2.2 详调计算

采用《山西省淤地坝工程技术规范》中的公式：

具体计算步骤分两步：第一步，计算现有淤面以下的排洪渠流量，即溢流堰堰顶至淤面高程顶之间的下泄流量，按排洪渠均匀流公式计算；第二步，在现有淤面以上淤地坝开始滞洪，溢流堰过水流量由排洪渠最大排洪流量和淤地坝滞洪水深带来的溢流堰下泄流量Q泄两部分组成，按qp＝Q排+MBh1.5计算下泄流量（式中：qp—溢流堰下泄流量，m3/s；Q排—水深为h1时的排洪渠最大流量，m3/s；M—溢流堰流量系数；B—溢流堰底宽，m；h—淤地坝淤面以上滞洪水深，m）。

传统的计算方法，只考虑排洪渠和滞洪水深两部分下泄流量的简单组合，而没有考虑排洪渠与溢流堰衔接处的水力坡降、溢流堰水流边界条件发生变化对下泄流量的综合影响，所以，计算的溢流堰下泄流量与实际情况可能会有一定的偏差。而本研究提出的方法，考虑较周密，计算结果则更可靠。

3 溢流堰顶低于淤面调洪方法与常规调洪方法的适用范围及区别

3.1 适用范围

溢流堰顶在淤面或淤面以上的调洪方法，是一种常规的调洪方法（简称：常规法），其适用范围：淤地坝为三大件（大坝、放水建筑物、溢洪道）和两大件（大坝、放水建筑物），库容未达到设计淤积高程增加溢洪道时。

溢流堰顶低于淤面的调洪方法，其适用范围：当两大件淤地坝的淤积库容已经达到或超过设计淤积库容时，库区和坝体已有排洪渠，且在排洪渠位置修建溢洪道时。

3.2 两种调洪方法区别

常规法，从淤面上开始调洪，调至最高水位后，就会出现最大流量。

溢流堰顶低于淤面调洪法，先计算排洪渠的最大流量和溢流堰堰顶至淤面高差，与按qp＝MBh1.5计算出来的流量比较，若相差较大，调整溢流堰底宽及高差，使两者流量基本相等，然后再按常规法调洪。

4 应用案例

以柳林县呼家圪台骨干坝除险加固设计为例，说明溢流堰顶低于淤面的调洪方法。该坝位于庄上镇呼家圪台村，坝控流域面积3.0 km2，地貌类型属黄土丘陵沟壑区。该流域植被稀少，水土流失严重，年土壤侵蚀模数12 000 t/km2，沟道无常流水。

4.1 原设计情况

呼家圪台骨干坝，枢纽由大坝和放水建筑物组成。设计洪水标准为20 a一遇，校核洪水标准为200 a一遇。坝高27 m，总库容51.5万m3，其中拦泥库容17.3万m3，可淤地2.85 hm2。竖井高23 m，内径1 m，涵洞长82 m，断面尺寸宽×高=0.8 m×1.2 m。上下游均无大中型淤地坝，骨干坝布置在距沟口300 m处。

4.2 运行现状

呼家圪台骨干坝建于1989年，现竖井已全部淤埋，涵洞完好。已淤泥51.5万m3，淤面距坝顶1.0 m。左岸有土体排洪渠，宽2 m，深3 m。

4.3 除险加固设计计算

4.3.1 排洪渠流量

排洪渠末端高程882.6 m（即溢洪道进口处），排洪渠向坝内伸长80 m处高程884.81 m，坡比1∶36.2；排洪渠内有杂草，糙率n取0.03；排洪渠为矩形断面，平均底宽2.0 m，平均深3.0 m。

根据明渠均匀流公式试算：断面底宽b=2.0 m，过水断面面积ω=6 m3，谢才系数C=（1/n）R1/6中的水力半径R=ω/X（X=8 m），糙率n=0.03，渠底坡i=2.21/80=0.027 6。

经计算，排洪渠平均水深h0=3.0 m，Q排=23.52 m3/s。

4.3.2 淤面以下溢流堰顶以上断面过水流量

淤面高程886 m，溢流堰顶高程883 m，堰顶低于淤面3 m。溢流堰过水流量依省规范按下式计算：

式中：Qm—溢流堰过水流量，m3/s；B—堰顶宽度，取3.0 m；u—第二流量系数，u=1.48-1.82，取1.5；H—堰顶水头，取3 m。

则：Qm=1.5×3.0×33/2=23.38 m3/s

与上述计算的排洪渠平均流量相比较，23.38 m3/s≈23.52 m3/s，说明溢流堰淤面以下的过水流量基本满足排洪渠的流量。

4.3.3 溢流堰淤面以上调洪结果

采用前述（1）式计算，详调结果为：P=5%时，最大水深h5%=3.56 m（其中淤面以下水深3 m，淤面以上0.56 m），q5%=26.92 m3/s；P=0.5%时，最大水深h0.5%=5.1 m（其中淤面以下3 m，淤面以上2.1 m），q0.5%=37.18 m3/s。

4.3.4 常规法调洪结果

用常规法调洪，其计算结果为：20 a一遇洪水水深1.81 m，最大下泄流量12.1 m3/s；溢流堰顶在淤面时，200 a一遇洪水调洪结果：水深3.4 m，最大下泄流量29.1 m3/s。

4.3.5 溢流堰侧墙高度

溢流堰侧墙高=淤面以上滞洪水深+淤面以下水深+安全超高，校核的安全超高按0.2-0.5 m取高限。则：侧墙高=2.1+3.0+0.5=5.6 m。

5 结论

以柳林县呼家圪台骨干坝除险加固初步设计为例，对两种调洪方法进行比较，得到以下结论：

5.1 下泄流量明显增大

常规法计算得设计洪水时下泄流量12.1 m3/s，溢流堰顶低于淤面法设计洪水时下泄流量26.92 m3/s，比常规法增加了14.82 m3/s；常规法校核洪水时下泄流量29.1 m3/s，溢流堰顶低于淤面法校核洪水时下泄流量37.18 m3/s，比常规法增加了8.08 m3/s。

5.2 滞洪库容明显减少

常规法设计洪水滞洪库容8.28万m3，溢流堰堰顶低于淤面法计算的设计洪水滞洪库容2.73万m3，减少了5.55万m3；常规法校核洪水滞洪库容15.03万m3，溢流堰顶低于淤面法计算的校核洪水滞洪库容10.37万m3，减少了4.66万m3。

5.3 淤面以上水深明显减少

常规法设计洪水淤面以上水深1.81 m，溢流堰顶低于淤面法淤面以上水深0.56 m，减少了1.25 m；常规法校核洪水淤面以上水深3.4 m，溢流堰顶低于淤面法淤面以上水深2.1 m，减少了1.3 m。

5.4 侧墙高度明显增加

常规法计算的宽顶堰侧墙高3.9 m，溢流堰顶低于淤面法计算的侧墙高5.6 m，比常规法高出1.7 m。

由此可以看出，溢流堰顶低于淤面法计算的设计与校核洪水，下泄流量明显增大，滞洪库容明显减少，淤面以上水深明显减少，侧墙高度明显增加，除险加固后更加安全。