捉馬溝水庫(kù)側(cè)槽溢洪道水面線計(jì)算

王棟 郝露宇

摘要：本水庫(kù)為除險(xiǎn)加固工程，其側(cè)槽溢洪道水面線計(jì)算不同于一般新建工程，它通過(guò)對(duì)現(xiàn)有溢洪道建筑質(zhì)量判斷，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形，盡可能額不改變?cè)薪ㄖ锏慕Y(jié)構(gòu)布置形式的前提下，確定適合的加固方式，然后計(jì)算其水面線，以解決工程中存在的問(wèn)題。該文以捉馬溝水庫(kù)溢洪道加固部分為例，簡(jiǎn)要介紹了側(cè)槽式溢洪道水面線計(jì)算。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)，側(cè)槽，溢洪道，水面線

側(cè)槽式溢洪道適宜于在山坡陡峻的岸坡上修建，傍山開(kāi)挖溢洪道側(cè)槽段、調(diào)整段、泄槽段、效能段等部分。其特點(diǎn)是側(cè)槽段基本沿等高線布置，水流過(guò)堰后進(jìn)入側(cè)槽段，經(jīng)過(guò)下游調(diào)整段調(diào)節(jié)水流形態(tài)，再進(jìn)入泄槽段泄流。

1.概況

捉馬溝水庫(kù)，是一座以灌溉為主，兼有防洪等綜合效益的?。?）型水庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容41.9萬(wàn)m3，調(diào)洪庫(kù)容9.9萬(wàn)m3，興利庫(kù)容24.0萬(wàn)m3，死庫(kù)容8.0萬(wàn)m3。水庫(kù)壩址距商南縣城6km，距下游西安——南京鐵路及“312”國(guó)道1.0km，壩址處在商南縣捉馬溝村北，控制流域面積8.5km2。捉馬溝水庫(kù)原由于當(dāng)時(shí)群眾運(yùn)動(dòng)期建設(shè)，水庫(kù)工程前期工作基礎(chǔ)差，倉(cāng)促上馬。該工程于1974年開(kāi)工興建，1977年建成蓄水，水庫(kù)的主要任務(wù)是下游1500畝弄年灌溉。

2.溢洪道情況

捉馬溝水庫(kù)現(xiàn)狀側(cè)槽式溢洪道緊靠右岸山體，由側(cè)槽式溢流堰、泄槽段、陡坡段組成。溢洪道側(cè)堰長(zhǎng)22.5m，堰頂寬度1.5m，堰頂高程596.57m，側(cè)槽首段寬2m，末端寬5.8m，泄洪槽下端接陡坡段，陡坡長(zhǎng)30.4m，坡比1：2。溢洪道在右岸巖石岸坡上開(kāi)鑿而成，溢洪道邊墻為漿砌石砌筑而成。

加固處理后，溢洪道側(cè)堰長(zhǎng)22m，側(cè)槽始端底寬b=1.9m，末端底寬B=5.8，側(cè)槽比降為0.002，泄槽段維持原設(shè)計(jì)不變，長(zhǎng)37.5m，底寬5.8m，邊墻為直墻；陡坡段長(zhǎng)度24.5m，底寬5.4m。

3.泄水流量

根據(jù)本水庫(kù)校核洪水來(lái)水量為138m3/s，用加固的新方案中溢流堰進(jìn)行調(diào)洪水跡，調(diào)洪后確定水庫(kù)校核水位598.65m，相應(yīng)最大下泄流量118m3/s。

4.溢洪道水面線計(jì)算

4.1側(cè)槽末端水深

根據(jù)SL 253--2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，側(cè)槽末端水深按臨界水深取值，經(jīng)計(jì)算其臨界水深為hk=3.4m，臨界坡降ik=0.0041。

4.2側(cè)槽水面線計(jì)算

溢洪道側(cè)槽內(nèi)水流為變量流，槽內(nèi)流量沿側(cè)槽軸線方向逐漸增大，根據(jù)SL 253--2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，側(cè)槽水面線采用有限差方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

（1）

式中：

Δx---計(jì)算段長(zhǎng)度，斷面2與斷面1之間的距離，m；

Δy---Δx內(nèi)水面差，m；

Q1，Q2 ---斷面1及斷面2的流量，m3/s；

q---側(cè)槽溢流堰單寬流量，m3/（s.m）；

v1，v2---斷面1及斷面2的水流平均流速，m/s；

-J---分段區(qū)內(nèi)平均摩阻坡降。

根據(jù)公式（1）計(jì)算，流量為118m3/s，側(cè)槽內(nèi)水面線成果見(jiàn)表1。

4.3泄槽水面線計(jì)算

泄槽段斷面形式與原設(shè)計(jì)不變，泄槽長(zhǎng)37.5m，底寬5.8m。槽底縱向坡比0.045，兩側(cè)邊墻為直墻。本次計(jì)算泄槽段樁號(hào)為0+022～0+059.5段計(jì)算。泄槽段水面線計(jì)算按照能量方程，用分段求和法計(jì)算，計(jì)算公式如下：

（2）

（3）

式中：

Δl1-2---分段長(zhǎng)度，m；

h 1 ，h2 ---分段始，末斷面水深，m；

v 1 ，v2 ---分段始，末斷面平均流速，m/s；

σ1，σ2 ---流速分布不均勻系數(shù)，取1.05；

θ---泄槽底坡角度，（°）；

i---泄槽底坡，i=tgθ；

-J---分段內(nèi)平均摩阻坡降；

n---泄槽槽身糙率系數(shù)，查附錄表A.7；

-v---分段平均流速， -v=（v1 +v2 ）/2，m/s；

-R---分段平均水力半徑， -R=（R1 +R2 ）/2，m.

起始計(jì)算斷面位置及其水深應(yīng)按泄槽上游段調(diào)整段或側(cè)槽末端水深取值，根據(jù)本次設(shè)計(jì)溢洪道情況，起始計(jì)算斷面定在泄槽首部，水深h1 取用泄槽首端斷面計(jì)算的臨界水深hk。計(jì)算泄槽段水面線結(jié)果見(jiàn)下表2。

表2 泄槽段水面線計(jì)算成果表

斷面序號(hào) 斷面樁號(hào) 斷面水深 流速

hk 0+022.0 3.4 5.98

h1 0+032.0 2.73 7.45

h2 0+042.0 2.52 8.07

h3 0+053.5 2.4 8.49

h4 0+059.5 2.34 8.73

4.4陡坡段水面線計(jì)算

4.4.1陡坡段起始水深計(jì)算

陡坡段起始計(jì)算斷面位置及其水深h1應(yīng)按陡坡段游段型式分別選取，根據(jù)本次設(shè)計(jì)溢洪道情況，確定起始斷面為陡坡首端以下3hk 處，起始計(jì)算斷面水深h1 小于hk ，應(yīng)按下式計(jì)算：

（4）

式中：

q---起始計(jì)算斷面單寬流量，m3 /（s.m）；

Ho---起始計(jì)算斷面渠底以上總水頭，m；

θ---泄槽底坡坡角；

H---起始計(jì)算斷面流速系數(shù)，取0.95.

4.4.2摻氣水深計(jì)算

根據(jù)陡坡段水流速度，確定摻氣水深可按下式計(jì)算：

（5）

式中：

h，hb——泄槽計(jì)算斷面的水深及摻氣后的水深，m；

v---不摻氣情況下泄槽計(jì)算斷面的流速，m/s；

ζ---修正系數(shù)，可取1.0～1.4s/m，流速大者取大值.

4.4.3陡坡段水面線計(jì)算

溢洪道陡坡段水面線計(jì)算與泄槽段水面線計(jì)算方法相同，均采用公式（2）

計(jì)算，僅起始水位計(jì)算方法不同，因此陡坡段水面線計(jì)算方法采用同泄槽段水面線計(jì)算公式，計(jì)算后結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 陡坡段水面線計(jì)算成果表

斷面序號(hào) 斷面樁號(hào) 斷面水深 摻氣水深 流速

h1 0+069.2 1.97 2.41 15.9

h2 0+075.0 1.94 2.37 15.96

h3 0+084.0 1.51 1.85 16.02

結(jié)語(yǔ)：對(duì)于側(cè)槽溢洪道的水面線計(jì)算，首先應(yīng)確定起始水深計(jì)算位置，從而采用側(cè)槽溢洪道水面線計(jì)算方法來(lái)計(jì)算水深，有為注意的是在計(jì)算側(cè)槽段水面線時(shí)，其槽內(nèi)水面線成先上升后下降的趨勢(shì)。本文章根據(jù)SL 253-2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中差分法和分段求和法分別對(duì)側(cè)槽、泄槽段的水面線進(jìn)行了計(jì)算，確定了側(cè)槽式溢洪道槽內(nèi)各段水深，從而為后面加固方案提供了了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] SL 253--2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》

[2]書本編寫組.《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》 北京：中國(guó)水利水電出版社 2014

[3]武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室 李偉.《水利計(jì)算手冊(cè)》 北京：中國(guó)水利水電出版社 2006