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溢洪道设计实例

黑龙江农垦林业职业技术学院

1、进水渠

进水渠是将水流平顺引至溢流堰前。

采用梯形断面，底坡为平坡，边坡采用1：

1.5。

为提高泄洪能力，渠内流速υ<3.0m/s，渠底宽度大于堰宽，渠底高程是360.52m。

进水渠断面拟定尺寸，具体计算见表1。

表1

水位（mm）

泄量

（m3/s）

（m）

计算公式（假设υ=2m/s）

设计

校核

363.62

364.81

540

800

3.1

4.29

82.4

86.7

Q=υA,A=（B+mh）h

A—过水断面积；B—渠底宽度

由计算可以拟定引渠底宽B=90米（为了安全）

进水渠与控制堰之间设20米渐变段，采用圆弧连接，半径R=20m，引渠长L=150米。

2、控制段

其作用是控制泄流能力。

本工程是以灌溉为主的小型工程，采用无闸控制，溢洪道轴线处地形较好，岩石坚硬，堰型选用无坎宽顶堰，断面为矩形。

顶部高程与正常蓄水位齐平，为360.52m。

堰厚δ拟为30米（2.5H<δ<10H）。

坎宽由流量方程求得，具体计算见表2。

表2（忽略行近水头υ2/2g）

水位

（m）

泄量

（m3/s）

（m）

计算公式及符号意义

（m）

设计

洪水位

363.62

540

3.1

式中m’—流量系数，等于0.364；H0—堰上水头，不包括行进水头；Q—泄量；b—控制堰宽。

61.56

校核

洪水位

364.81

800

4.29

56.02

由计算知，控制堰宽取b=65m为宜。

3、泄槽

泄槽是渲泄过堰洪水的，槽底布置在基岩上，断面必须为挖方，且要工程量最小，坡度不宜太陡。

为适应地形、地质条件，泄槽分收缩段、泄槽一段和泄槽二段布置。

据已建工程拟收缩段收缩角θ=12°，首端底宽与控制堰同宽，b1=65m,末端底宽b2拟为40m，断面取为矩形，则渐变段长

，取整则L1为60m，底坡

。

泄槽一段上接收缩段，下接泄槽二段，拟断面为矩形，宽b=40m，长L2为540m，底坡

。

泄槽二段断面为宽40m的矩形，长L3为80m，底坡

。

4、出口消能

溢洪道出口段为冲沟，岩石比较坚硬，离大坝较远，采用挑流消能，水流冲刷不会危及大坝安全。

5、尾水渠

其作用是将消能后的水流，较平稳地泄入原河道。

为了防止小流量产生贴流，淘刷鼻坎，鼻坎下游设置长L=10m护坦。

1、溢流堰泄流能力校核：

当引渠很长时，水头损失不容忽视。

（1）基本公式如下：

；

。

式中，hj——局部水头损失，米；hf——沿程水头损失，米；

——局部水头损失系数；

——引渠流速，m/s；

g——重力加速度（m/s2）;L——引渠长度，米；

——动能系数，一般为1.0；C——谢才系数；

R——水力半径，米；A——过水断面面积，米2；

x——湿周，米；n——引渠糙率；

；

式中，

——淹没系数，取1.0；

——无坎宽顶坎的流量系数；

b——堰宽，m；H0——包括行近流速水头的坎上水头，m；

Q——流量，m3/s。

①求堰前水深和堰前引水渠流速

采用试算法，联立公式

可求得，具体计算见表1。

表1

计算情况

泄量Q

假设

试算

设计水位

校核水位

363.62

364.81

540

800

2.99

3.89

2.78

3.62

2.0

2.3

2.06

2.32

由计算表中流速可知，均小于3m/s，满足要求。

②求引渠总水头损失

。

，

；

式中

）。

具体计算成果见表2。

表2

计算情况

设计

校核

2.78

3.62

2.0

2.3

0.20

0.27

0.02

0.027

261.79

345.46

100.02

103.05

2.62

3.35

3.61

5.01

0.016

150

0.037

0.035

0.057

0.062

③作出库水位~流量关系。

库水位=堰顶高程+堰上水头+水头损失，具体计算见表3。

表3

（m3/s）

（m）

堰顶高程

（m）

库水位（m）

540

650

800

2.99

3.14

3.89

0.057

0.062

360.52

363.567

363.722

364.472

2、溢洪道水面曲线计算

（1）基本公式如下：

；

式中hk——临界水深，m；b——泄槽首端宽度，m；

Q——槽内泄量，m3/s；g——重力加速度，m/s2;

q——单宽流量，m3/s.m;

ik——临界坡降；BK——相应临界水深的水面宽，m；

AK,XK,RK,CK——临界水深时对应的过水断面积（m2）、湿周（m）、水力半径（m2）、谢才系数。

E1+iL=E2+hf;

；

式中E1——1-1断面的比能，m；

E2——2-2断面的比能，m；

h1，h2——1-1及2-2断面水深，m；

——1-1及2-2断面平均流速，m/s；

hf——沿程水头损失，m；

iL——1-1及2-2断面的底部高程差，m；

L——断面间长度，m；

n——泄槽糙率；

——两断面间平均流速，m/s；

——两断面间平均水力半径，m。

（2）渐变段水面线计算

①临界水深hk及临界底坡ik

渐变段首端宽b1=65米，尾端宽b=40米，断面为矩形。

具体计算见表4

表4

计算情况

设计水位

校核水位

540

800

8.31

13.31

1.92

2.49

124.8

161.85

68.84

69.98

1.81

2.31

69.00

71.86

0.00218

0.00204

渐变段

，故属陡坡急流，槽内形成bⅡ型降水曲线。

属明渠非均匀流计算。

②渐变段水面线计算

首端断面水深为临界水深hk，具体计算见表5。

表5

计算情况

设h2

设计水位

校核水位

540

800

1.92

2.49

8.31

13.31

124.8

161.85

68.84

69.98

1.81

2.31

4.33

4.94

2.88

3.74

0.02

2.75

3.5

13.5

110

140

E1+il

E2+hf

45.5

2.42

2.99

4.91

5.71

3.98

5.16

0.02

2.05

0.58

4.60

5.30

0.016

0.12

4.08

4.94

4.10

5.28

由计算得渐变段末端水深分别为h设=2.75米，h校=3.5米

（3）泄槽一段水面线计算

汇槽一段断面为矩形，宽40m，长540m，

①临界水深hk和临界坡降ik

具体计算见表6。

表6

计算情况

设计水位

校核水位

540

800

13.5

2.65

3.44

106

137.6

45.3

46.88

2.34

2.94

72.01

74.81

0.00214

0.00205

，故泄槽一段属急流，按陡槽计算。

②泄槽一段末端水深（正常水深h0）——采用试算法。

具体计算见表7

表7

计算情况

设ho

设计水位

校核水位

540

800

2.03

2.6

81.2

104

44.06

45.2

1.84

2.3

69.49

71.81

7619.83

11326.15

539

800.88

经试算，设计水位时，h0=2.03米;

校核水位时，h0=2.6米。

③泄槽一段水面线计算

采用分段求和法，按水深进行分段，具体计算见表8。

（4）泄槽二段水面线计算

泄槽二段断面为矩形，宽40m，长80m，底坡

。

表8

计算情况

断面

h0（m）

A（m2）

V（m/s）

V2/2g

（m）

Es（m）

△Es（m）

X（m）

R（m）

△L（m）

设

计

水

位

1-1

2.65

106

5.09

1.32

3.97

0.01

45.3

2.34

72.01

0.002203

0.002797

3.58

2-2

2.60

104

5.19

1.37

3.98

45.2

2.3

71.81

0.02

0.0025

11.58

3-3

2.45

5.51

1.55

4.00

44.9

2.18

71.17

0.06

0.003044

0.001456

30.67

42.25

4-4

2.30

5.87

1.76

4.06

44.6

2.06

70.5

0.01

0.003750

0.00125

122.25

5-5

2.15

6.28

2.01

4.16

44.3

1.94

69.8

0.13

0.004567

0.000433

300.23

422.28

6-6

2.03

81.2

6.65

2.26

4.29

44.06

1.84

69.19

校

核

水

位

1-1

3.5

140

5.71

1.67

5.166

0.003

2.98

74.97

0.002088

0.002912

1.03

2-2

3.35

134

5.97

1.82

5.169

46.7

2.87

74.50

0.024

0.002405

0.002595

9.25

10.28

3-3

3.20

128

6.25

1.99

5.193

46.4

2.76

74.02

0.075

0.002863

0.002137

35.10

45.38

4-4

3.00

120

6.67

2.27

5.268

2.61

73.33

0.135

0.003532

0.001468

91.96

137.34

5-5

2.8

112

7.14

2.60

5.403

45.6

2.46

72.60

0.216

0.004431

0.000569

379.61

516.95

6-6

2.6

104

7.69

3.02

5.619

45.2

2.30

71.81

①求临界底坡ik，控制断面水深ho（正常水深）。

因泄槽二段同泄槽一段流量、形状、断面尺寸相同，故临界底坡和临界水深不变。

设计水位时，ik=0.00214；校核水位时，ik=0.00205。

，属陡坡急流，按陡槽非均匀流计算。

控制断面水深h0用试算法，具体计算列于表9。

表9

计算情况

设ho

设计水位

校核水位

540

800

0.76

0.96

30.4

38.4

41.52

41.92

0.73

0.92

59.34

61.59

1541.17

2268.59

545

802

经试算，设计水位时，h0=0.76米;

校核水位时，h0=0.96米。

②泄槽二段水面线计算

泄槽二段首端控制水深，设计水位时h=2.03米；校核水位时，h=2.6米。

采用分段求和法计算水面曲线，具体计算见表10。

表中仅推到泄槽二段末端，若推到正常水深时，陡槽长已超过设计长度，这是不切实际的。

故泄槽二段内不产生正常水深。

由计算知末端水深在设计水位时为h=0.93米;在校核水位时为h=1.29米。

表10

计算情况

断面

h（m）

A（m2）

V（m/s）

Es（m）

△Es（m）

X（m）

R（m）

△L（m）

设

计

水

位

1-1

2.03

81.2

6.65

4.286

0.281

44.06

1.84

69.20

0.005838

0.119162

2.36

2-2

1.85

7.30

4.567

43.7

1.69

68.23

0.36

0.007750

0.11725

2.99

5.35

3-3

1.70

7.94

4.917

43.4

1.57

67.36

0.76

0.010854

0.114146

6.27

11.62

4-4

1.50

9.0

5.633

43.0

1.40

66.07

1.169

0.016789

0.108211

10.80

22.42

5-5

1.30

10.38

6.802

42.6

1.22

64.61

1.983

0.027906

0.097094

20.42

42.84

6-6

1.10

12.27

8.785

42.2

1.04

62.94

2.896

0.48199

0.076801

37.71

80.55

7-7

0.93

37.2

14.52

11.681

41.86

0.89

61.28

校

核

水

位

1-1

2.6

104

7.69

5.619

0.324

45.2

2.30

71.81

0.005672

0.119328

2.72

2-2

2.4

8.33

5.943

44.8

2.14

70.96

0.474

0.007408

0.117592

4.03

6.75

3-3

2.2

9.09

6.417

44.4

1.98

70.05

0.685

0.009913

0.115087

5.95

12.70

4-4

2.0

10.0

7.102

44.0

1.82

69.05

0.997

0.013685

0.111315

8.96

21.66

5-5

1.8

11.11

8.099

43.6

1.65

67.95

1.473

0.019637

0.105363

13.98

35.64

6-6

1.6

12.50

9.572

43.2

1.48

66.73

2.240

0.029487

0.095513

23.45

59.09

7-7

1.4

14.29

11.812

42.8

1.31

65.36

1.742

0.041746

0.083254

20.92

80.01

8-8

1.29

51.6

15.50

13.554

42.58

1.21

64.53

（5）溢洪道水面曲线成果及护砌高度

①计算溢洪道水面线是为确定边墙高度、边墙及衬砌底板的结构设计和下游消能计算提供依据。

②溢洪道边墙高度计算公式为：

式中h——不掺气时水深，m；

hb——当流速大于7~8m/s时掺气增加水深，m；

△——安全超高，设计时取1.0，校核时取0.7,m；

H——边墙高度，m。

③边墙高度计算

引水渠边墙高见表11

表11（v<7~8m/s）

参数

情况

h（m）

△（m）

H=h+△（m）

设计水位

校核水位

2.78

3.62

1.0

0.7

3.78

4.12

控制堰边墙高度与引渠等高。

设计水位时，边墙高度H=3.78米；校核水位时，边墙高度H=4.12米。

收缩段边墙高度具体计算见表12。

收缩段最大流速v=5.71米/秒<7~8米/秒，不考虑掺气所增加水深，故H=h+△。

泄槽一段边墙高度具体计算见表13。

泄槽二段边墙高度具体计算见表14。

表12

计算情况

断面

断面距渐变断首端距离（m）

计算水深h（m）

超全超高

△（m）

边墙高度

H（m）

设计水位

首端

尾端

1.92

2.75

1.0

2.92

3.75

校核水位

首端

尾端

2.49

3.5

0.7

3.19

4.20

表13

计算情况

断面

断面距离槽首端距离（m）

计算水深h（m）

流速v

（m/s）

（m）

△

（m）

设

计

水

位

1-1

2-2

3-3

4-4

5-5

6-6

3.58

11.58

42.25

122.25

422.28

2.75

2.60

2.45

2.30

2.15

2.03

1.0

3.75

3.6

3.45

3.3

3.15

3.03

校

核

水

位

1-1

2-2

3-3

4-4

5-5

6-6

1.03

10.28

45.38

137.34

516.95

3.5

3.35

3.20

3.0

2.8

2.6

6.67

7.14

7.69

0.20

0.7

4.2

4.05

3.9

3.7

3.5

表14

计算情况

断面

断面距离槽首端距离（m）

计算水深h（m）

流速v

（m/s）

（m）

△

（m）

设

计

水

位

1-1

2-2

3-3

4-4

5-5

6-6

7-7

2.36

5.35

11.62

22.42

42.84

80.55

2.03

1.85

1.70

1.50

1.30

1.10

0.93

6.65

7.30

7.94

9.0

10.38

12.27

14.52

0.135

1.0

3.03

2.99

2.84

2.64

2.44

2.24

2.07

校

核

水

位

1-1

2-2

3-3

4-4

5-5

6-6

7-7

8-8

2.72

6.75

12.70

21.66

35.64

59.09

80.01

2.6

2.4

2.2

2.0

1.8

1.6

1.4

1.29

7.69

8.33

9.09

11.11

12.5

14.29

15.50

0.20

0.7

3.5

3.3

3.1

2.9

2.7

2.5

2.3

2.19

（6）出口消能计算

①溢洪道出口消能计算的任务是：

估算下泄水流的挑射距离；选择挑流鼻坎形式，确定挑流鼻坎方式、反弧半径、挑射角等尺寸，以保证达到最优消能效果；估算下游冲刷坑的深度和范围。

②计算公式为L=L1+L2；

；

式中，L——挑距，m；

v1——坎顶水股断面中心点上水流质点的流速，其值近似取陡槽末端的流速，m/s；

θ——鼻坎挑射角度；

g——重力加速度，m/s2；

h1——坎顶水股断面的水深，其值近似地采用陡槽末端水深，m；

S2——坎顶距下游水面线垂直距离，m；

ts——冲坑中最大水深，m；

K——岩石冲刷系数。

Z=（堰项高程十堰顶水深十堰顶流速水头）一下游水位，m；

q——单宽流量，m3/s.m；

t——下游水深，m，下游无水，t=0;

——入射角，可由坎顶水股断面和水流水股断面间能量，方程式求得，即

③挑距计算，见表15。

表15

计算情况

（m）

（m/s）

（0）

（m）

（m2/s）

（m）

设计

校核

0.93

1.29

14.52

15.50

35°

15.69

17.55

0.95

6.95

8.70

13.5

6.8

8.8

25.23

28.30

32.03

37.10

④校核冲刷坑范围

设计情况i=ts/L=6.95/32.03=0.22

校核情况i=ts/L=8.70/37.10=0.23

故冲坑不会危及挑坎安全。

溢洪道水利计算成果，见表1。

表1

水位

泄量（m3/s）

正常蓄水位

设计洪水位

校核洪水位

360.52

363.62

364.81

540

800

溢洪道开挖后，为减轻糙率和防止冲刷，需进行衬砌，糙率取n=0.016。

溢洪道为3级建筑物，按50年一遇设计，500年一遇校核的洪水标准。

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