溢洪道中縮窄消力池型過渡段的研究與應用

祁 雷

（寶雞市水利水電規劃勘測設計院，陜西寶雞721000）

溢洪道中縮窄消力池型過渡段的研究與應用

祁 雷

（寶雞市水利水電規劃勘測設計院，陜西寶雞721000）

本文從水流特點、水力計算兩方面介紹了溢洪道中縮窄消力池型過渡段，并對堰后消力池在收縮段前是否設置等寬段等3個問題進行了討論研究，得出縮窄消力池型過渡段具有布置靈活多變、計算簡單、節省投資等優點。最后以寶雞市麟游縣長益廟水庫工程的溢洪道為例，進行了過渡段的設計計算，進一步證實了縮窄消力池型過渡段在中、小型水庫溢洪道工程中具有廣泛的實用價值。

過渡段；縮窄消力池型；溢洪道；水力計算

溢洪道是蓄水樞紐中的主要泄水建筑物，用于宣泄規劃庫容所不能容納的洪水，保證大壩安全。正槽溢洪道通常由進水渠、控制段（溢流堰）、陡槽、消能防沖設施及出水渠等5部分組成。在實際工程中，因受地形、地質、泄量等條件限制，有時需要變動溢洪道軸線走向或寬度，若直接在陡槽上變動，從水力學條件和經濟方面都不理想。過渡段就是設在控制段（溢流堰）與陡槽間，用于收縮寬度、調整水流流態的連接段，使過堰水流形成緩流并較平順的進入下游陡槽。

1 型式介紹及水力計算

正槽溢洪道過渡段可分為縮窄消力池型、縮窄陡槽型兩種。縮窄陡槽型過渡段蘇丹，李進祥［1］已有詳細介紹，不再贅述?，F就縮窄消力池型過渡段從水流特點、水力計算兩方面進行簡述。

1.1 水流特點

縮窄消力池型過渡段又稱直線堰軸實用堰正向對稱縮窄型過渡段，其水流特點是：過堰水流在小流量時在收縮段內形成水躍，大流量時有可能形成潛沒流。過堰水流通過水躍（小流量時）轉變為緩流，再經消力池收縮、調整后流入下游陡槽。

縮窄消力池型過渡段對于下游陡槽的進口就相當于一個前池，漸變收縮消力池，水流流態較好，可以在縮窄寬度的同時改變溢洪道軸線走向，具有雙重作用。此種溢洪道過渡段設計簡圖見圖1，其水流過程為：進水渠→控制段（實用堰）→過渡段（收縮護坦段i=0或i≠0→平底等寬調整段→控制斷面）→等寬陡槽段。

1.2 水力計算

據圖1示，縮窄消力池型過渡段水力計算主要是計算h1、Δ Z、L1和L2。

圖1

（1）h1的計算

h1的計算需要應用能量方程公式求得，計算公式如下：

式（1）中：h1為堰下斷面水深（m）；υ1為堰下斷面平均流速（m/s）；hk2為陡槽段開始斷面的臨界水深（m）；υk2為陡槽段開始斷面的臨界流速（m/s）；hw為過渡段水頭損失（m）；d為消力池深度（m）。

（2）Δ Z的計算

Δ Z用下式（2）進行計算，公式如下：

式（2）中：hs為堰頂以上的下游水深，即淹沒水深（m）。

其中，hs=σkH0，H0為堰頂計入行進流速的總水頭（m）；σk為相對淹沒度，由堰型、堰上水頭、下泄流量、流量系數等值而定。

河湖健康評估 河湖健康評估是指對河湖系統物理完整性（水文完整性和物理結構完整性）、化學完整性、生物完整性和服務功能完整性及其相互協調性的評價。

（3）L1和L2的計算

式（3）、（4）中：L1為收縮段長度（m）；L2為調整段長度（m）；B為收縮前消力池寬度（m）；b為收縮后調整段或陡槽開始斷面的寬度（m）。

2 問題分析

2.1 收縮段前是否設置等寬段

此問題的焦點在堰后的過渡段屬于a或b哪種型式。a型為：等寬段→收縮段→調整段，b型為：收縮段→調整段。

劉韓生等著《取水與輸水建筑物叢書跌水與陡坡》［3］中過渡段屬于a種型式，即在堰后先接一等寬段護坦，再接一收縮護坦段，最后是等寬調整段；而《無閘控制溢洪道水力設計》［2］和《溢洪道設計規范專題文集》［4］中過渡段均屬于b種型式，即在堰后直接接收縮護坦段，再接等寬調整段。經試驗證明，認為設置等寬段無助于水流的擴散，兩側出現明顯的回流，故沒有必要增設等寬段［4］；據西北水科所研究［3］，不但修正了L1的計算公式（認為L1=（1.0～1.5）（B-b）較為安全），還給出了堰后等寬段長度計算公式L0=（3～4）hk2。

對于是否設置堰后等寬段：①綜合分析中有關論述［3-4］，設置等寬段可能無助于水流的擴散消能，但對泄流和其后的收縮段、調整段沒有影響；②具體問題具體分析，據工程實際地形、泄量大小、工程投資等因素，需要設置堰后等寬段時，按［3］中公式計算設置。

2.2 關于hs的計算公式中σk的取值

2.3 收縮段可否適當加坡

對于收縮段護坦而言，因過堰水流通過小流量時形成水躍，大流量時形成淹沒流，故其護坦底可以適當加坡，就像電站前池設計時底板可加坡道理是一樣的，不會改變過堰水流形成水躍與淹沒流的形態，仍會經水躍形成緩流，再經調整段流入陡槽段。但因下游堰高P2較小將影響控制段流量系數的降低及淹沒系數的迅速減小，收縮護坦加坡時起坡點位置要滿足下游堰高。

綜上3個問題的討論研究：①縮窄消力池型過渡段的布置較靈活，可以增設堰后等寬段也可以在堰后直接接收縮段；收縮段可以布設成平底（i=0），也可以適當加坡（i≠0）；②水力計算公式簡單，運用方便；③可降低工程投資，實用性較強。

3 應用實例

寶雞市麟游縣長益廟水庫工程位于寶雞市麟游縣天堂鎮長益廟林場的長益廟河上。水庫總庫容208.23萬m3，為Ⅳ等?。?）型工程。溢洪道為4級建筑物，據調洪計算結果：30年設計洪水設計下泄流量為111.5m3/s；300年校核下泄流量201 m3/s；20年消能防沖下泄流量為89m3/s。

溢洪道控制段選用WE S實用堰型，堰頂高程（庫正常高水位）1213.58m，堰寬B=12m，下游堰高P2=8m，在校核洪水位時，堰上最大水頭H0= 3.94m，流量系數選取m=0.483。溢洪道設計按校核工況確定進水渠、控制段、過渡段、陡槽段規模尺寸；按20年消能防沖標準確定消力池、出水渠規模尺寸。

水庫溢洪道布置受地形條件限制，需要在河道右岸壩肩上山體設置隧洞型陡槽段，故開挖斷面不宜過大，需要將控制段寬度12m進行收縮變窄到5m開挖隧洞陡槽。過渡段設計為b型式：收縮段→調整段，且護坦設為平底（i=0）。

（1）據已知數據，首先可直接計算出hk2、υk2：

h1=9.33m； υ1=1.79m/s； hw=0.27m。

（3）因溢洪道在控制段設計時，已經比較分析確定了淹沒系數σs=0.995，故經查表得相對淹沒度σk即hs/H0為0.337，得hs=1.33m。

將h1、d、hs計算值代入式（2），計算Δ Z得：

（4）計算L1、L2長度：

L1=（1.0～1.5）（B-b）=7～10.5m，取10m；

L2≥2hk2=10.96m，取11m。

4 結語

縮窄消力池型過渡段適用于控制段為實用堰型，且由于地形條件限制需要縮窄溢洪道泄水斷面寬度和轉變流向的溢洪道工程。縮窄消力池型過渡段設計計算簡單、運用方便、布置型式靈活多變且還能節省投資，特別是在中、小型水庫溢洪道工程中具有廣泛的實用價值。

［1］蘇丹，李進祥.縮窄陡槽型過渡段在溢洪道設計中的應用［J］.中國水運（下半月），2013，13（03）：155-156.

［2］江西省水利科學研究所.無閘控制溢洪道水力設計［M］.北京：水利出版社，1981.

［3］劉韓生，花立峰，紀志強，盧泰山.取水與輸水建筑物叢書跌水與陡坡［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.

［4］中南勘測設計院.溢洪道設計規范專題文集［C］.北京：水利電力出版社，1990.

［5］SL 253-2000.溢洪道設計規范［S］.

［6］吳持恭.水力學［M］.第二版.北京：高等教育出版社，1982.

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10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.09.038

祁 雷（1982年—），男，工程師。