溢洪道水面线及边墙高度计算
小水库溢洪道泄洪能力复核——以昌乐县某小型水库为例
小水库溢洪道泄洪能力复核——以昌乐县某小型水库为例摘要：山东省内小型水库数量较多，在防洪、灌溉方面发挥着重要作用，但因建成年代久远，水库特性、水文情况发生改变，且鉴于近年来时有小型水库发生漫坝险情，全省范围内开展小型水库溢洪道泄洪能力复核工作。
本文以昌乐某小型水库为例，对小型水库溢洪道泄洪能力复核工作的内容、流程及方法进行了分析探讨。
关键词：昌乐县；小型水库；溢洪道；泄洪能力引言近年来我国暴雨频发，部分地区发生严重洪涝灾害，部分小型水库出现漫坝、溃坝等重大险情，如3·1西沟水库漫坝事件，造成严重损失。
为做好水库安全度汛工作，全省范围内开展小型水库溢洪道泄洪能力复核工作，以便及时清除泄洪障碍，恢复泄洪能力，保证泄洪安全。
1小型水库基本情况（1）流域概况该水库为小（2）型水库，位于昌乐县乔官镇，属弥河水系大丹河支流，水库坝址以上集水面积为12km2，流域呈狭长形，地势南高北低，流域属山区丘陵区，坝址以上河道平均干流比降为0.0324m/m。
（2）水文气象昌乐县属暖温带大陆性半湿润季风型气候，四季分明，干湿季明显，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。
根据昌乐县气象局实测资料，昌乐县多年平均气温12.5℃，工程所在区域多年平均降水量634.2mm，由于季风的影响，降雨量集中在6～9月，特别是7～8月。
干旱指数1.71，年径流深181.5mm。
无霜期190d，多年平均日照时数为2668.0h，日照百分率为60%。
光照充足，雨热同期。
（3）工程概况水库由大坝、溢洪道等组成，水库大坝为均质土坝，最大坝高10.5m，坝顶高程140.00m，坝顶宽度5~12m，坝轴线长度280m，坝顶路现状为砂石道路。
迎水坡坡比1：2.5，自锁水工砖/草皮护坡；背水坡坡比1:2.0，草皮护坡，有纵横向排水沟。
溢洪道位于大坝左岸，开敞式溢洪道，建有生产桥一座，堰顶高程136.40m，溢洪道堰顶净宽30.0m。
水库总库容为48.71万m3，工程规模为小（2）型，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级，次要建筑物级别为5级。
台阶式溢洪道非掺气水流水面线的计算
作者 简介 ：张志 昌（９ ４ ） 男 ， １ ５ 一 ， 陕西西安人 ， 教授级高级工程师 ， 主要从事水工 水力学研究
Ｅ— ａｌ ｈａ ｇ ｈｉｈａ ｇ ５４＠ １ ３． ｏ ｍ ｉ ：ｚ ｎ ｚ ｃ ｎ １ ９ ｃ ｍ ６
第 １ 期
张志 昌 ， ：台阶式溢洪道非掺气水流水 面线 的计算 等
３ １
台阶式 溢洪 道 由于底 部 的特殊 构造 ， 台 阶 的虚 拟底 板 以上 形成 滑行水 流 ， 在 在虚 拟底 板 以下 的台 阶 内形 成水 流 旋滚 ， 流流 态十 分复 杂． 流 在流 动过 程 中不仅 有 沿程 水 头 损失 ， 且 台 阶 内 的水 流旋 滚 造 成 了 台 水 水 而
第 １ 期 ２１ ０ ２年 ２月
水
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Ｎｏ． １ Ｆ ． ２ ２ ｅｂ ０１
ＡＮＤ ＥＮＧ
台 阶式 溢 洪 道 非 掺 气 水 流 水 面线 的计 算
张 志 昌 ，徐
（
捅 要 ：台阶式溢洪道水 面线是确 定边墙高度 的重要参数 ， 目前 尚无 系统的研究成果． 根据明渠非 均匀渐 变流理 论， 分析了 台阶段水 面线 的计 算方法 ； 型试 验表 明 ， 非均匀 渐变 流理论 计算 台阶式 溢洪道 非掺 气水 流水 面 模 用 线时 ， 必须考虑局部水头损 失的影响． 经对 比分析 ， 台阶上的局部 阻力 系数 ＝ ． ０ ５时计 算水深 和实 测水深 吻合 良好． 溢流反弧段水 面线可 以用 动量方程给 出的公 式计算 ． 同时 ， 于坡 度为 ３ 。５ ． 。 ６ 。 ＷＥ 对 ０ ，１ ３ 和 ０ 的 Ｓ曲线 段 ， 也通过模 型试验给出 了水 面线 的计 算式． 比分析认 为 ， 文给出 的台阶式溢 洪道非 掺气水 流全程水 面线 的计 对 本
溢洪道设计
某水库溢洪道设计一、设计方案理论论证某水库由于当年的条件限制，所以工程质量较差，加之近40年的运行，反复冻融破坏，结构、设备老化，水库诸多隐患，水库经专家鉴定，评价为：溢洪道无底板，右侧边墙短，破坏严重，安全评定为C级。
根据中华人民共和国行业标准《溢洪道设计规范》（SL253-2000），对溢洪道进行计算和设计。
该工程中河岸式溢洪道由引水渠、控制段、泄槽、出口消能和尾水渠等部分组成。
（一）、溢洪道水力计算由正常、设计、校核洪水位时所对应的下泄流量查坝址水位流量关系曲线可得出下表。
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10年一遇设计，20年一遇校核的洪水标准。
（二）、进水渠的设计根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000），进水渠的布置应依照以下原则：选择有利的地形、地质条件；在选择轴线方向时，应使进水顺畅。
进水渠是将水流平顺引至溢流堰前。
进水渠的地基为土基，故采用梯形断面；底坡为平底坡，边坡采用m=0.5。
根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000）进水渠设计流速宜采用3~5m/s，渠内流速取υ=3.0m/s，渠底宽度大于堰宽，渠底高程是18.259m。
进水渠断面拟定尺寸，具体计算见表1-2。
表1-2 进水渠断面尺寸计算表- 1 -- 2 -由计算可以拟定引渠底宽B=10 m （为了安全），引渠长L=10m 。
（二）、控制段的设计控制段也叫溢流堰段，控制段包括溢流堰及两侧连接建筑物，其作用是控制泄流能力。
本工程是以灌溉为主的小型工程，溢洪道轴线处地形较好，岩石坚硬，开敞式溢流堰有较大的超泄能力，故堰型选用开敞式宽顶堰，断面为矩形。
顶部高程与正常蓄水位齐平，为18.80m 。
堰厚δ拟为8米（2.5H<δ<10H ）。
堰宽由流量方程求得，具体计算见表1-3。
表1-3 堰宽计算表 (忽略行近水头υ2/2g)由计算知，控制堰宽取b=15m 为宜。
溢洪道
2.4 溢洪道设计和计算根据中华人民共和国行业标准《溢洪道设计规范》（SL253—2000）（该规范适用于大、中型水利水电工程中岩基上的1、2、3级河岸式溢洪道），对溢洪道进行计算和设计。
该工程中，河岸式溢洪道由进水渠、控制段、泄槽、消能防冲段及出水渠组成。
2.4.1 进水渠和控制段的设计2.4.1.1 溢洪道的水力计算由正常、设计、校核洪水位时所对应的下泄流量查坝址（厂址）水位流量关系曲线可得出相应的下游水位，并与上游水位相减得出上下游水头差，并以此列表。
表4、溢洪道水力计算成果表2.4.1.2控制段的设计控制段包括溢流堰及两侧连接建筑物。
堰型可选用开敞式或带胸墙孔口式的实用堰、宽顶堰、驼峰堰等型式。
开敞式溢流堰有较大的超泄能力，宜优先选用。
宽顶堰结构构简单，施工方便，但流量系数低故不选用。
实用堰需要的溢流前缘较短，工程量相对较小，但施工较复杂也不选用，而驼峰堰的堰体低，流量系数较大，设计与施工简便，对地基要求低，所以工程设计中采用驼峰堰，并且在两侧设置边墙。
2.4.1.3 控制段的计算采用的驼峰堰为低堰，且开敞式堰面，根据《溢洪道设计规范》（SL253—2000）中，对于1 1.33d P H <的低堰，堰面曲线定型设计水头max (0.650.85)d H H =，则选用中间值0.75，其中max H 为校核流量下的堰上水头（校核水位与堰顶水头之差）为12.42m ，最后得出设计水头d H 为9.315m 。
根据《溢洪道设计规范》中驼峰堰堰面曲线图（（A.1.5）驼峰堰剖面示意图）及表（（A.1.5）驼峰堰体型参数），选用a 型，得出了该工程中驼峰堰的剖面尺寸。
表5、驼峰堰的剖面尺寸示意图且得到堰底高程，即堰顶高程与上游堰高之差，为122m —2.24m=119.76m 。
2.4.1.4进水渠的设计图2 驼峰堰剖面示意图根据《溢洪道设计规范》（SL253—2000），进水渠的布置应依照下列原则：选择有利的地形、地质条件；在选择轴线方向时，应使进水顺畅；进水渠较长时，宜在控制段之前设置渐变段，其长度视流速等条件确定，不宜小于2倍堰前水；渠道需转弯时，轴线的转弯半径不宜小于4倍渠底宽度，弯道至控制堰（闸）之间且有长度不小于2倍堰上水头的直线段。
溢洪道水面线计算
0.00
3.8 计算成果：
陡槽末端水深（hc）= 2.80 m
陡槽末端流速（V）= 5.13 m/s
<
4、 计算掺气后的水深（ha）： 计算公式： α—
ha=h(1+αV/100) 系数，α=1.0～1.3
[V]
不须考虑掺气对水深的影响
10
。
总5页~第4页
《139495954.xls》
棱柱体水面线计算1比8 (2)
水流从缓流过渡到急流必须要经过临界水深hk，该临界水深即为控 制水深。
3.3.2 分段并确定各段的计算水深 全长水位差（⊿h）
棱柱体水面线计算1比8 (2)
总5页~第2页
《139495954.xls》
计算式
hk
⊿h=hk-hc
2.80
分段计算，定各断面计算水深（h）
hc
⊿h
0.90 1.90
h1
h2
1～1
2.80
9.26
5.12
1.34 4.14
8.91 1.04 62.90
0.00
0.006389 0.118611 0.00
2～2
2.80
9.24
5.13
1.34 4.14
8.90 1.04 62.89
0.00
0.00
0.006403 0.118597 0.00
3～3
2.80
9.24
5.13
1.34 4.14
5、 计算边墙高度（H）： 计算公式： ha— ⊿—
断面 1～1 2～2 3～3 4～4 5～5
陡槽距离(L) 0
0.00 0.00 0.00 0.00
H=ha+⊿
溢洪道水力计算(刚刚来过)
水深
流速
h
v
1.95287844 4.27147255
1.72941966 4.82339067
1.50596089 5.53909915
1.28250211 6.50421283
1.05904333 7.87660564
0.83558455 9.98303122
修正系数 ζ
1 1.1
掺气后水深 hq
1.04773326 4.99995434
0.85847701 4.99974549
0.75538783 4.99982403
0.68861078 5.00000288
0.64150427 5.00016856
0.60652796 5.0000632
0.57966032 5.00041114
0.55851644 5.00021162
1.95287844 1.72941966 1.50596089 1.28250211
1.14246 0.92734289
边墙加高 △h 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7
段面积A 水力半径R 计算流量Q 正常水深h0 2.73450856 0.39564601 50.0503807 0.45575143
出口断面 0.83558455 5.01350731 9.98303122 5.33353506 6.07627707
泄槽段水位差：
计算式
hk
h0
△h
不均匀系数 α
△h=hk-h0 1.95287844 0.83558455 1.11729389 1.05
分段并确定各段计算水深：
h1
h2
h3
h4
h5
溢洪道底流消能及水面线计算
△Z d（池深） 0.382429 0.9802912
ibQ
-0.001 -0.001
8
18
-0.001 -0.001
6
18
-0.001 -0.001
4
18
-0.001 -0.001
18
-0.001 -0.001
18
-0.001 -0.001
18
-0.001 -0.001
18
-0.001 -0.001
0.00 0.00 #DIV/0! #DIV/0!
6
0.1606 0.00 0.32 0.00
0.00 0.00 #DIV/0! #DIV/0!
7
0.1600 0.00 0.32 0.00
0.00 0.00 #DIV/0! #DIV/0!
8
0.1597 0.00 0.32 0.00
0.00 0.00 #DIV/0! #DIV/0!
1
19.247
v2
J C2R
J
iJ
v2 2g
Es
ΔEs
Δs ∑Δs m n
2.85E-04 -1.28E-03 1.29E-03 -2.29E-03 #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0! #DIV/0!
b
Q
q
hc
2g
E0
φ
E0-hc
32
134.1 4.19063 0.219 19.6
河溢洪道水力计算
胸墙 弧形闸门
38.0
0 R=7
40.5 38.0
32.0
闸底板
19.6
第一斜坡段
第二斜坡 段
防渗帷幕灌浆
R=90
32.5
33.0
25.0 22.0 18.0 14.0
单位：米
• 图17.7
•二、绘制库水位与溢洪道流量关系曲线
（一）确定堰流和孔流的分界水位
e 0.65 宽顶堰上堰流和孔流的界限为： H 闸门全开时，闸孔高度：e 38.0 33.0 5.0米
闸孔单宽流量
临界水深
hk 3
Q 1150 q 38.3 米2 秒 B 30
aq 2 3 1.1 38 .3 2 5.48米 g 9 .8
因
hk hc
，闸后水平段水面曲线为
c0
型壅水曲线。
（一）闸门后水平段
收缩断面至闸门的水平距离约为 2.5e 2.5 5.0 12.5米 已接近水平段末端， 曲线长仅1.6米 ，不必计算。
水库设计洪水位为42.07米，校核洪水位为42.40米， 溢洪道下游水位与流量关系曲线见图17.8。当溢洪道 闸门全开，要求： 1.绘制库水位与溢洪道流量关系曲线； 2.绘制库水位为设计洪水位时的溢洪道水面曲线； 3.计算溢洪道下游最大冲刷坑深度及相应的挑距。
45.0
设计洪水位442.07
42.5
已知挑射角α=25°； 相应于最大冲刷坑深度的流量Q=940m3/s ； 相应于此流量的库水位和下游水位分别由图17.9 和17.8查得为40.25米和20.35米；
则上下游水位差Z=40.25-20.35=19.90(m);
库水位与挑流坎坎顶高差s=40.25-22=18.25(m)；
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hk 3
aq 2 g
水面线类型判别
h0 0.29 hk
流态及水面线类型 为急流,水面线为aⅡ型雍水曲线。
<
0.75
断面桩号
⊿s
h
A
V
0+000 10.00 0+010 16.60 0+027 12.00 0+039
0.75
2.26
2.65
0.36
1.08
5.57
0.26
0.78
7.70
0.19
0.58
0.52
1.50
5.44
5.64
0.39
1.50
α V/100)
α =1.0～1.3
a+⊿
水深，
高，一般为0.5～1.5米。 陡槽掺气后水深及边墙高度 计算水深(h) 0.75 0.36 0.26 0.19 流速(v) 2.65 5.57 7.70 10.33 掺气增加水深(hv) 0.03 0.02 0.02 0.02
63.43
62.75
61.62
掺气后水深（ha） 0.78 0.38 0.28 0.22
边墙高（H） 1.28 0.88 0.78 0.72
溢洪道特征参数
下泄流量Q（m3/s） 6.00 底宽（m） 3.00 单宽流量q(m2/s) 2.00 两侧坡比m 0.00 一级陡槽底坡i1 0.09
正常水深计算
Q(m3/s) 6.00 h0(m) 0.29 过水断面面积A（㎡） 0.88 谢才系数C 46.53 湿周χ 3.59
临界水深计算
α 1.05 单宽流量q(m2/s) 2.00 g 9.81 临界水深hk 0.75
C
J
i-J
⊿s'
⊿s-⊿s'
水面线 64.70
52.43 0.005079872 0.082920128 62.94 0.007408795 0.080591205 62.94 0.013678571 0.196321429 62.94 12.00 0.00 16.60 0.00 10.00 0.00
10.33
4
计算掺气后的水深（ha）： 计算公式： α — ha=h(1+α V/100) 系数，α =1.0～1.3
5
计算边墙高度（H）： 计算公式： ha— ⊿— H=ha+⊿ 掺气后水深，
安全超高，一般为0.5～1.5米。
陡槽 断面 1～1 2～2 3～3 4～4 陡槽距离(L) 0 10.00 26.60 38.60 计算水深(h) 0.75 0.36 0.26 0.19
二级陡槽底坡i2 0.21
设计底板高程（m） 63.95
设计水位（m） 65.10
堰上水头H（m） 1.15
糙率n 0.017
i 0.09
水力半径R 0.24
3
aq 2 g
v2/2g
(m)
Es
⊿Es
X
R
0.36
1.11 0.83
4.51
0.50பைடு நூலகம்
1.58
1.94 1.34
0.72
1.50
3.02
3.28 2.36