泄洪系统水力学计算研究

肖蕾 骆世威 申显柱 柯春琴 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司

1.工程概况

该工程泄洪系统由首部溢流堰+下游收缩段+地下箱涵组成。溢流表孔共设2孔，每孔净宽6m，闸墩厚1m，溢流堰前缘总宽15m，堰顶高程为1094.50m。堰顶下游堰面曲线采用WES幂曲线，曲线方程为y＝0.354x1.85（Hd=1.5m）。而后由20m长的渐变段相应接入2个地下暗涵，渐变段坡度i=0.017。地下暗涵分为2孔，每个孔口净尺寸为3.5m×3.5m，长约655m，桩号K0+000.00～ K0+186.35，坡度i=0.017，桩号K0+186.35～ K0+655.62，坡度i=0.005。溢流面采用50cm厚C25二级配常态混凝土，堰体内部采用C20二级配常态混凝土。箱涵结构采用50cm厚C25钢筋混凝土，出口常水位已淹没箱涵顶部，流速约为2.4m/s，可不考虑设置消能防冲设施，出口反坡段设置30cm厚C25钢筋混凝土底板。泄洪系统布置见图1、图2所示。

2.泄洪系统水力学计算

泄洪系统由首部溢流堰+下游收缩段+地下箱涵组成，需联合计算溢流堰及地下箱涵的过流能力。溢流堰型式为WES实用堰，堰顶高程为1094.50m，单孔净宽6m，设2孔。

2.1 开敞式堰面泄流能力计算公式

式中：

Q—流量；

C—上游边坡影响系数，取1.0；

m—WES实用堰的流量系数，可查表求得；

ε—闸墩侧向收缩系数，取为0.90；

—淹没系数，随不同的下泄量而变化，计算分析见2.1小节所示；

B—溢流堰总净宽，B=nb，n，孔口数，b，单孔宽；

Hw—堰上总水头。

2.2 淹没系数 sσ 计算

当堰顶水头达到一定高度后，下游为淹没出流，需要计算淹没系数。而下游水深为箱涵进口水深，根据箱涵出口水位可反推进口水深，从而得到淹没系数，计算溢流堰过流能力。本工程控制工况为校核洪水位工况，以此为例分析淹没系数计算过程。

（1）箱涵进口水位计算

校核洪水位1096.39m，下泄流量为58m3/s。假定箱涵进口水位高于箱涵进口顶板高程，箱涵进口顶板高程1093.17m，出口水位1093.94m，出口顶板高程1088.07m，根据淹没压力流计算公式：

式中：

Q—流量；

m3—流量系数；

A—过水断面面积；

h—出口水深；

C—谢才系数；

R—水力半径；

L—涵洞长度；

n—糙率，取0.016；

总损失系数见表1所示。

根据单孔箱涵额定过流29m3/s反推进口水位，见表2所示。

从计算结果可以得出2 个3.5m×3.5m的箱涵，进口水位为1095.79m时即可满足泄洪要求，过流能力为58.00m3/s。

图1 首部溢流堰剖面图

图2 箱涵典型剖面图

根据《取水输水建筑物丛书—涵洞》，洞前水深H=1095.79-1090.0=5.79m＞1.5D=5.25m，出口水深h＞D，满足压力流过流条件。因此，假定成立。

此时，箱涵上游进口水位高于堰顶高程1094.5m，溢流堰的过流能力应考虑淹没系数，淹没系数σs＜1。

（2）溢流堰淹没系数计算。

已知箱涵在满足淹没压力过流条件且满足过流能力时，箱涵进口水位为1095.79m。根据《水力计算手册》图3-3-5，溢流堰对应图中参数：

堰顶水头，H0=1096.39 −1094.50=1.89m，

查得淹没系数σs=0.941。

（3）溢流堰过流能力计算。

根据《溢洪道设计规范》（SL253-2018），泄流能力计算公式如下：

其中P1=1.6m，Hd=1.5m，P1/Hd=1.07，H0/Hd=1.26，查表得流量系数m=0.508，则此时溢流堰过流能力为Q=59.36m3＞58 m3/s，满足泄洪要求。

依次类推，在不同堰顶水头下，溢流堰泄流能力如表3所示。

通过表3可知，设计工况下溢流堰下泄流量约为30m3/s，校核工况下下泄流量约为59.36m3/s，大于50年一遇情况下的下泄流量58m3/s，溢流堰泄流能力满足泄洪需求。

3.计算结论

经计算可知，泄洪系统过流能力满足泄洪要求，能为工程设计提供依据。

表1 单孔箱涵局部水头损失系数总和

表2 单孔箱涵过流能力

表3 泄洪能力计算表