溢洪道泄槽水面線起始水深采用臨界水深計(jì)算的合理性分析

李 丹

（固原市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，寧夏回族自治區(qū) 固原 756000）

1 引言

溢洪道作為水庫(kù)等水利樞紐的防洪建筑物，主要用于宣泄洪水，直接影響工程規(guī)模和壩體安全，在水庫(kù)設(shè)計(jì)中舉足輕重。溢洪道一般由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、消能防沖設(shè)施及出水渠等建筑物組成。溢洪道控制段常采用實(shí)用堰和寬頂堰，實(shí)用堰流量系數(shù)大，工程量較小，但施工復(fù)雜，多用于巖基；寬頂堰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，但流量系數(shù)較小，工程量較大，多用于泄量較小且地形較平緩的中小型工程。鑒于寧夏南部山區(qū)地質(zhì)以黃土為主，水庫(kù)規(guī)模多為中小型，且泄量較小，故溢洪道控制段多采用寬頂堰結(jié)構(gòu)。溢洪道控制段后接泄槽段，泄槽段結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)最大流量下水面線加安全超高確定，可見，確定泄槽段起始計(jì)算斷面及其水深尤為重要。根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)泄槽上游接寬頂堰、緩坡明渠或過(guò)渡段時(shí)，起始斷面定在泄槽首部，水深取用泄槽首端斷面計(jì)算的臨界水深hk。文章結(jié)合工程實(shí)際，分析驗(yàn)證溢洪道（控制段采用寬頂堰形式）泄槽水面線起始水深采用臨界水深計(jì)算的合理性，為溢洪道泄槽水面線計(jì)算提供理論支撐。

2 工程概況

文章主要結(jié)合寧夏中衛(wèi)市海原縣雙澇子、楊家溝3#、寨柯等3座骨干壩溢洪道情況進(jìn)行分析驗(yàn)證溢洪道泄槽水面線起始水深采用臨界水深計(jì)算的合理性。3座骨干壩概況如下。

2.1 雙澇子骨干壩概況

雙澇子骨干壩位于寧夏中衛(wèi)市海原縣史店鄉(xiāng)田拐行政村境內(nèi)，距海原縣城約13 km。壩址位于馬營(yíng)河上游左岸支溝溝口上，東經(jīng)105°45′04″，北緯36°30′12″。雙澇子骨干壩流域面積4.71 km2，設(shè)計(jì)壩高18.5 m，校核洪水位1 824.03 m，總庫(kù)容74.26萬(wàn)m3，屬Ⅰ等1型工程。雙澇子骨干壩由土壩、輸水建筑物和泄洪建筑物組成。

雙澇子骨干壩泄洪建筑物位于右壩肩，為開敞式溢洪道，由進(jìn)口段、控制段、一級(jí)明渠段、陡坡段、消力池、二級(jí)明渠段及海漫組成。溢洪道控制段為單孔箱涵結(jié)構(gòu)，底板高程1 822.0 m，底寬3.0 m，高3.5 m，校核洪水位（1 824.03 m）時(shí)溢洪道最大泄量為14.07 m3/s。

2.2 楊家溝3#骨干壩概況

楊家溝3#骨干壩位于寧夏中衛(wèi)市海原縣史店鄉(xiāng)徐坪行政村，距海原縣城約10 km。壩址位于馬營(yíng)河上游左岸支溝上，東經(jīng)105°43′33″，北緯36°28′53″。楊家溝3#骨干壩流域面積7.96 km2，設(shè)計(jì)壩高24.0 m，校核洪水位1 921.08 m，總庫(kù)容125.51萬(wàn)m3，屬Ⅰ等1型工程。楊家溝3#骨干壩由土壩、輸水建筑物和泄洪建筑物組成。

楊家溝3#骨干壩泄洪建筑物位于左壩肩，為開敞式溢洪道，由進(jìn)口段、控制段、一級(jí)明渠段、陡坡段、消力池、二級(jí)明渠段及海漫組成。溢洪道控制段為單孔箱涵結(jié)構(gòu)，底板高程1 919.60 m，底寬3.0 m，高3.4 m，校核洪水位（1 921.08 m）時(shí)溢洪道最大泄量為8.77 m3/s。

2.3 寨柯骨干壩概況

寨柯骨干壩位于寧夏中衛(wèi)市海原縣史店鄉(xiāng)徐坪行政村，距海原縣城約8 km。壩址位于馬營(yíng)河上游左岸支溝上，東經(jīng)105°45′45″，北緯36°29′26″。寨柯骨干壩流域面積4.92 km2，設(shè)計(jì)壩高25.0 m，校核洪水位1 921.31 m，總庫(kù)容77.58萬(wàn)m3，屬Ⅰ等1型工程。寨柯骨干壩由土壩、輸水建筑物和泄洪建筑物組成。

寨柯骨干壩泄洪建筑物位于右壩肩，為開敞式溢洪道，由進(jìn)口段、控制段、陡坡段、消力池、明渠段及海漫組成。溢洪道控制段為單孔箱涵結(jié)構(gòu)，底板高程1 920.20 m，底寬3.0 m，高3.7 m，校核洪水位（1 921.31 m）時(shí)溢洪道最大泄量為5.98 m3/s。

表1 3座骨干壩相關(guān)參數(shù)表

3 溢洪道泄槽水面線起始水深及臨界水深計(jì)算

水庫(kù)泄洪時(shí)，水流通過(guò)進(jìn)口段八字墻進(jìn)入控制段，形成堰流，再經(jīng)明渠、陡坡、消力池等泄流至下游溝道。結(jié)合工程實(shí)例，在已知庫(kù)水位及泄量的情況下，根據(jù)能量方程求解溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深，并與泄槽首部臨界水深進(jìn)行對(duì)比，分析驗(yàn)證溢洪道（控制段采用寬頂堰形式）泄槽水面線起始水深采用臨界水深計(jì)算的合理性。

3.1 根據(jù)能量方程求解溢洪道泄槽首部水深

以雙澇子骨干壩為例進(jìn)行詳解，具體計(jì)算步驟如下：

3.1.1 已知條件

溢洪道流量Q=14.07 m3/s，溢洪道底板高程H1=1 822.0 m，校核洪水位H2=1 824.03 m，上游水位差Z1=2.03 m，控制段寬度B=3.0 m。

3.1.2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

以溢洪道控制段底板高程為基準(zhǔn)面（0-0），分別在庫(kù)區(qū)取1-1計(jì)算斷面，在泄槽首部（控制段末端）取2-2計(jì)算斷面。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.1.3 用能量方程求解

對(duì)1-1計(jì)算斷面和2-2計(jì)算斷面列能量方程：

式中：Z1—1-1計(jì)算斷面處的水深，m；

P1—1-1計(jì)算斷面處壓強(qiáng)，KPa；

v1—1-1計(jì)算斷面處的流速，m/s；

Z2—2-2計(jì)算斷面處的水深，m；

P2—2-2計(jì)算斷面處壓強(qiáng)，KPa；

v2—2-2計(jì)算斷面處的流速，m/s；

α1、α2—不同過(guò)水?dāng)嗝嫔系膭?dòng)能修正系數(shù)，取α1=α2=1.0；

ζ—局部阻力系數(shù)；

γ—水的重度，kN/m3；

g—重力加速度，取9.8 m/s2。

（1）1-1計(jì)算斷面。

①1-1計(jì)算斷面處水深為校核洪水位與溢洪道底板高程之間的差值，即Z1=H2-H1=1824.03-1822.0=2.03 m。

②1-1計(jì)算斷面處壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)，采用相對(duì)大氣壓強(qiáng)，即P1=0。

③1-1計(jì)算斷面處由于水庫(kù)水面很大，泄流量較小，泄流瞬間對(duì)庫(kù)水位影響很小，水庫(kù)內(nèi)水流流速幾乎為0，可忽略不計(jì)，即v1=0。

（2）2-2計(jì)算斷面。

①2-2計(jì)算斷面處溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深為Z2，是本次需要求解的量。

②2-2計(jì)算斷面處壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)，采用相對(duì)大氣壓強(qiáng)，即P2=0。

（3）由于溢洪道控制段很短，故本次計(jì)算不考慮沿程損失，僅考慮局部損失。局部損失主要發(fā)生在控制段進(jìn)口位置，根據(jù)局部阻力系數(shù)表可知，明渠漸縮段局部損失系數(shù)0.10，即ζ=0.10。

（4）將以上數(shù)據(jù)代入能量方程進(jìn)行計(jì)算：

經(jīng)試算，Z2=1.302 m。

3.1.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)能量方程，采取同樣計(jì)算步驟對(duì)楊家溝3#、寨柯2座骨干壩溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深Z2進(jìn)行分析計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，雙澇子、楊家溝3#、寨柯等3座骨干壩溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深Z2分別為1.302 m、0.993 m、0.758 m。

3.2 泄槽首部臨界水深計(jì)算

3.2.1 計(jì)算公式

泄槽首部（控制段末端）為矩形斷面，臨界水深按下式計(jì)算：

式中：hk—臨界水深，m；

α—?jiǎng)幽苄拚禂?shù)，取α=1.0；

Bk—水深為臨界水深hk時(shí)的水面寬，m；

Q—流量，m3/s；

g—重力加速度，取9.8 m/s2。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

將雙澇子、楊家溝3#、寨柯等3座骨干壩相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式計(jì)算得：

4 成果分析

雙澇子、楊家溝3#、寨柯等3座骨干壩根據(jù)能量方程推算的溢洪道泄槽首部水深Z2與泄槽首部臨界水深hk比較見表2。

表2 3座骨干壩溢洪道泄槽首部水深Z2與臨界水深hk比較表

根據(jù)表2可知，3座骨干壩采用能量方程推算的溢洪道泄槽首部水深Z2與泄槽首部臨界水深hk計(jì)算值均很接近，差值在5 cm以內(nèi)，變幅在±5%以內(nèi)，可見，溢洪道（控制段采用寬頂堰形式）泄槽水面線起始水深采用臨界水深計(jì)算合理，符合實(shí)際。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合工程實(shí)際，根據(jù)能量方程求解溢洪道泄槽首部（控制段末端）水深，并與泄槽首部臨界水深進(jìn)行比較，結(jié)果表明，兩者差值很小，變幅在±5%以內(nèi)，驗(yàn)證了溢洪道（控制段采用寬頂堰形式）泄槽水面線起始水深采用臨界水深計(jì)算的合理性，可為溢洪道泄槽水面線計(jì)算提供理論支撐。