巨龙湖水库溢洪道水力计算的探讨

摘要：溢洪道的设计和布置合理与否，不仅直接影响到水库的安全，而且关系到整个工程造价。水库中的溢洪道约占水库枢纽工程造价的25%~30%，因此，熟悉掌握溢洪道设计的主要内容是至关重要的，本文结合巨龙湖水库除险加固工程设计，对溢洪道加固设计中水力计算进行分析，供同类工程参考。

关键词：水库； 溢洪道； 设计； 探讨

1 工程概况

巨龙湖水库位于二道河左侧支流混沌河上，是一座以辽河水系养息牧河支流二道河为水源的中型引水水库。水库坝址位于阜新市彰武县后新秋镇境内，距彰武县城40公里，地理坐标东经122°45′，北纬47°36′。引水枢纽工程位于二道河中游民家屯北。水库主要由大坝、溢洪道以及输水洞等建筑物组成。其中溢洪道位于大坝左端0+100处，为开敞式宽顶堰。溢洪道为单孔，净宽3.5m，堰顶高程为132.45m。

2 溢洪道工程现状

巨龙湖水库溢洪道位于主坝左端0+100处，为开敞式宽顶堰。溢洪道为单孔，净宽3.5m，堰顶高程为132.45m。现状溢洪道主要包括以下四部分：进口段、闸室段、陡槽段及消能段。

2.1进口段

进口段为渐变矩形断面，全长5.0m，宽度由5.1m渐缩到3.5m。梯形断面顶宽0.20m，底宽0.40m。底板和边墙为钢筋混凝土整体结构，边墙高0.7m～2.85m。

2.2闸室段

闸室段为矩形断面，长6.5m，净宽3.5m。底板、边墩为钢筋混凝土结构，底板厚0.70m，边墩高2.85m，厚0.60m。设有工作桥、交通桥、钢闸门及启闭设备。

2.3陡槽段

陡槽底板和侧墙为钢筋混凝土整体结构，矩形断面，宽3.5m，比降为1：7.5，全长15m，墙高2.8m～2.1m。

2.4消能段

消能段由消力池及石笼海漫组成，消力池全长15m，宽3.5m，矩形断面。底板和侧墙均为钢筋混凝土结构，池深0.30m，墙高2.1m，出口设沉箱基础，为钢筋混凝土结构，断面尺寸为4.3（长）×1.5（宽）×3.0m（深）。消力池出口高程130.8m。

3 溢洪道工程存在的问题

(1)溢洪道进口段破坏严重，侧墙混凝土脱落，强度不满足规范要求，伸缩缝开裂，底板破碎。

(2)陡槽侧墙倾斜，混凝土脱落。

(3)消力池消能防冲不满足要求。

(4)溢洪道尾水渠已淤平，泄洪时漫滩，回水淘刷坝脚。

本次设计为溢洪道拆除重建。

4 溢洪道加固设计方案

(1)进口段全部拆除重建，设计长5m，宽由5m渐缩至3.5m。

(2)闸室段全部拆除重建，拟定新建δ=8.5m、P=1m、b=3.5m宽顶堰，并在闸室上新建一启闭房。

(3)陡槽段全部拆除重建。经复核原陡槽尺寸不满足泄流要求，新建陡槽尺寸为底宽为3.5m，长17m，陡坡坡比为1：5.96。

(4)消能段拆除重建。经复核原消力池不满足消能要求，新建消力池底宽为3.5m，池长10m；海漫段长15m，宽由3.5m渐扩至6.7m。消能标准为20年一遇。

(5)进口至消力池出口段是底板与边墙为整体式的钢筋混凝土结构。

(6)溢洪道基础需碾压夯实以达到承载力要求。

5溢洪道陡槽段不同频率的水面线计算

(1)采用式 （ ）求出陡槽起点水深，作为起点控制断面水深。

(2)采用式 计算临界坡判断陡槽流态

(3)陡槽水面线计算

水面线根据能量方程，用分段求和法计算。

6陡槽段水流掺气水深计算

计算公式：

式中：h、hb―泄槽计算断面的水深及掺气后的水深，m；

V ―不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s；

ζ ―修正系数，可取1.0～1.4s/m，本工程取1.2 s/m；

(1)陡槽起始端掺气水深

P=5%h=1.145v=3.27

P=1%h=1.362v=3.567

(2)陡槽末端掺气水深

P=5%h=0.449 v=8.336

P=1%h=0.564v=8.612

7 消力池水力计算

消力池洪水设计标准为20年一遇，设计流量为13.1m3/s 。

(1)跃前收缩水深h1

式中：E0―以消力池底为基准面的泄水建筑物上游总水头

q ―收缩断面处的单宽流量，q=3.743 m3/s

―流速系数，取

经试算得：h1=0.494m

(2)跃后水深h2

式中：Fr1―收缩断面弗劳德数；

h1―收缩断面水深，m；

v1―收缩断面流速，v1=0.577 m/s；

经计算得：Fr1=3.442h2=2.17m

(3)消力池长计算

水跃长度Lj：

当1.7＜Fr1≤9.0时

Lj/h1=9.5(Fr1-1)

式中：Lj―水跃长度，m；

Fr1―收缩断面弗劳德数

经计算得：Lj=11.459m

消力池长度Lk：

Lk=0.8Lj=0.8×11.459=9.167m

消力池长度取10m

(4)消力池深d

假设消力池深d1=0.8m

式中：σ―安全系数，取1.1；

ht―消力池出口下游水深，ht=1.18m；

―消力池尾部出口水面跌落，m；

h2―跃后水深，h2=2.17m；

式中：b―消力池宽度，b=3.5m；

―水流自消力池出流的流速系数，取

经计算d=0.764m， =0.443m

所以取0.8m是合适的。

所以消力池设计为：池长10m，深0.8m。

8 结语

通过上述的一系列的水力计算，可以准确的确定溢洪道的加固设计中的各种断面尺寸，为下一步的建筑物设计提供依据。同时，也是保证溢洪道设计准确的坚实基础，因此，必须要重视水力计算的内容，确保工程设计安全、准确。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看