泄洪系統(tǒng)水力學(xué)計(jì)算研究

肖蕾 駱世威 申顯柱 柯春琴 中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

1.工程概況

該工程泄洪系統(tǒng)由首部溢流堰+下游收縮段+地下箱涵組成。溢流表孔共設(shè)2孔，每孔凈寬6m，閘墩厚1m，溢流堰前緣總寬15m，堰頂高程為1094.50m。堰頂下游堰面曲線采用WES冪曲線，曲線方程為y＝0.354x1.85（Hd=1.5m）。而后由20m長(zhǎng)的漸變段相應(yīng)接入2個(gè)地下暗涵，漸變段坡度i=0.017。地下暗涵分為2孔，每個(gè)孔口凈尺寸為3.5m×3.5m，長(zhǎng)約655m，樁號(hào)K0+000.00～ K0+186.35，坡度i=0.017，樁號(hào)K0+186.35～ K0+655.62，坡度i=0.005。溢流面采用50cm厚C25二級(jí)配常態(tài)混凝土，堰體內(nèi)部采用C20二級(jí)配常態(tài)混凝土。箱涵結(jié)構(gòu)采用50cm厚C25鋼筋混凝土，出口常水位已淹沒(méi)箱涵頂部，流速約為2.4m/s，可不考慮設(shè)置消能防沖設(shè)施，出口反坡段設(shè)置30cm厚C25鋼筋混凝土底板。泄洪系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1、圖2所示。

2.泄洪系統(tǒng)水力學(xué)計(jì)算

泄洪系統(tǒng)由首部溢流堰+下游收縮段+地下箱涵組成，需聯(lián)合計(jì)算溢流堰及地下箱涵的過(guò)流能力。溢流堰型式為WES實(shí)用堰，堰頂高程為1094.50m，單孔凈寬6m，設(shè)2孔。

2.1 開(kāi)敞式堰面泄流能力計(jì)算公式

式中：

Q—流量；

C—上游邊坡影響系數(shù)，取1.0；

m—WES實(shí)用堰的流量系數(shù)，可查表求得；

ε—閘墩側(cè)向收縮系數(shù)，取為0.90；

—淹沒(méi)系數(shù)，隨不同的下泄量而變化，計(jì)算分析見(jiàn)2.1小節(jié)所示；

B—溢流堰總凈寬，B=nb，n，孔口數(shù)，b，單孔寬；

Hw—堰上總水頭。

2.2 淹沒(méi)系數(shù) sσ 計(jì)算

當(dāng)堰頂水頭達(dá)到一定高度后，下游為淹沒(méi)出流，需要計(jì)算淹沒(méi)系數(shù)。而下游水深為箱涵進(jìn)口水深，根據(jù)箱涵出口水位可反推進(jìn)口水深，從而得到淹沒(méi)系數(shù)，計(jì)算溢流堰過(guò)流能力。本工程控制工況為校核洪水位工況，以此為例分析淹沒(méi)系數(shù)計(jì)算過(guò)程。

（1）箱涵進(jìn)口水位計(jì)算

校核洪水位1096.39m，下泄流量為58m3/s。假定箱涵進(jìn)口水位高于箱涵進(jìn)口頂板高程，箱涵進(jìn)口頂板高程1093.17m，出口水位1093.94m，出口頂板高程1088.07m，根據(jù)淹沒(méi)壓力流計(jì)算公式：

式中：

Q—流量；

m3—流量系數(shù)；

A—過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；

h—出口水深；

C—謝才系數(shù)；

R—水力半徑；

L—涵洞長(zhǎng)度；

n—糙率，取0.016；

總損失系數(shù)見(jiàn)表1所示。

根據(jù)單孔箱涵額定過(guò)流29m3/s反推進(jìn)口水位，見(jiàn)表2所示。

從計(jì)算結(jié)果可以得出2 個(gè)3.5m×3.5m的箱涵，進(jìn)口水位為1095.79m時(shí)即可滿足泄洪要求，過(guò)流能力為58.00m3/s。

圖1 首部溢流堰剖面圖

圖2 箱涵典型剖面圖

根據(jù)《取水輸水建筑物叢書—涵洞》，洞前水深H=1095.79-1090.0=5.79m＞1.5D=5.25m，出口水深h＞D，滿足壓力流過(guò)流條件。因此，假定成立。

此時(shí)，箱涵上游進(jìn)口水位高于堰頂高程1094.5m，溢流堰的過(guò)流能力應(yīng)考慮淹沒(méi)系數(shù)，淹沒(méi)系數(shù)σs＜1。

（2）溢流堰淹沒(méi)系數(shù)計(jì)算。

已知箱涵在滿足淹沒(méi)壓力過(guò)流條件且滿足過(guò)流能力時(shí)，箱涵進(jìn)口水位為1095.79m。根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》圖3-3-5，溢流堰對(duì)應(yīng)圖中參數(shù)：

堰頂水頭，H0=1096.39 ?1094.50=1.89m，

查得淹沒(méi)系數(shù)σs=0.941。

（3）溢流堰過(guò)流能力計(jì)算。

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2018），泄流能力計(jì)算公式如下：

其中P1=1.6m，Hd=1.5m，P1/Hd=1.07，H0/Hd=1.26，查表得流量系數(shù)m=0.508，則此時(shí)溢流堰過(guò)流能力為Q=59.36m3＞58 m3/s，滿足泄洪要求。

依次類推，在不同堰頂水頭下，溢流堰泄流能力如表3所示。

通過(guò)表3可知，設(shè)計(jì)工況下溢流堰下泄流量約為30m3/s，校核工況下下泄流量約為59.36m3/s，大于50年一遇情況下的下泄流量58m3/s，溢流堰泄流能力滿足泄洪需求。

3.計(jì)算結(jié)論

經(jīng)計(jì)算可知，泄洪系統(tǒng)過(guò)流能力滿足泄洪要求，能為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

表1 單孔箱涵局部水頭損失系數(shù)總和

表2 單孔箱涵過(guò)流能力

表3 泄洪能力計(jì)算表