王棟 郝露宇

摘要：本水庫為除險加固工程，其側(cè)槽溢洪道水面線計算不同于一般新建工程，它通過對現(xiàn)有溢洪道建筑質(zhì)量判斷，并結(jié)合現(xiàn)場實際地形，盡可能額不改變原有建筑物的結(jié)構(gòu)布置形式的前提下，確定適合的加固方式，然后計算其水面線，以解決工程中存在的問題。該文以捉馬溝水庫溢洪道加固部分為例，簡要介紹了側(cè)槽式溢洪道水面線計算。

關(guān)鍵詞：水庫，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，傍山開挖溢洪道側(cè)槽段、調(diào)整段、泄槽段、效能段等部分。其特點是側(cè)槽段基本沿等高線布置，水流過堰后進入側(cè)槽段，經(jīng)過下游調(diào)整段調(diào)節(jié)水流形態(tài)，再進入泄槽段泄流。

1.概況

捉馬溝水庫，是一座以灌溉為主，兼有防洪等綜合效益的?。?）型水庫。水庫總庫容41.9萬m3，調(diào)洪庫容9.9萬m3，興利庫容24.0萬m3，死庫容8.0萬m3。水庫壩址距商南縣城6km，距下游西安——南京鐵路及“312”國道1.0km，壩址處在商南縣捉馬溝村北，控制流域面積8.5km2。捉馬溝水庫原由于當時群眾運動期建設(shè)，水庫工程前期工作基礎(chǔ)差，倉促上馬。該工程于1974年開工興建，1977年建成蓄水，水庫的主要任務(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30.4m，坡比1：2。溢洪道在右岸巖石岸坡上開鑿而成，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)計不變，長37.5m，底寬5.8m，邊墻為直墻；陡坡段長度24.5m，底寬5.4m。

3.泄水流量

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

4.溢洪道水面線計算

4.1側(cè)槽末端水深

根據(jù)SL 253--2000《溢洪道設(shè)計規(guī)范》，側(cè)槽末端水深按臨界水深取值，經(jīng)計算其臨界水深為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)計規(guī)范》，側(cè)槽水面線采用有限差方法進行計算，計算公式如下：

（1）

式中：

Δx---計算段長度，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）計算，流量為118m3/s，側(cè)槽內(nèi)水面線成果見表1。

4.3泄槽水面線計算

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

（2）

（3）

式中：

Δl1-2---分段長度，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)計溢洪道情況，起始計算斷面定在泄槽首部，水深h1 取用泄槽首端斷面計算的臨界水深hk。計算泄槽段水面線結(jié)果見下表2。

表2 泄槽段水面線計算成果表

斷面序號 斷面樁號 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陡坡段水面線計算

4.4.1陡坡段起始水深計算

陡坡段起始計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)計溢洪道情況，確定起始斷面為陡坡首端以下3hk 處，起始計算斷面水深h1 小于hk ，應(yīng)按下式計算：

（4）

式中：

q---起始計算斷面單寬流量，m3 /（s.m）；

Ho---起始計算斷面渠底以上總水頭，m；

θ---泄槽底坡坡角；

H---起始計算斷面流速系數(shù)，取0.95.

4.4.2摻氣水深計算

根據(jù)陡坡段水流速度，確定摻氣水深可按下式計算：

（5）

式中：

h，hb——泄槽計算斷面的水深及摻氣后的水深，m；

v---不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速，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陡坡段水面線計算

溢洪道陡坡段水面線計算與泄槽段水面線計算方法相同，均采用公式（2）

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

表3 陡坡段水面線計算成果表

斷面序號 斷面樁號 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：對于側(cè)槽溢洪道的水面線計算，首先應(yīng)確定起始水深計算位置，從而采用側(cè)槽溢洪道水面線計算方法來計算水深，有為注意的是在計算側(cè)槽段水面線時，其槽內(nèi)水面線成先上升后下降的趨勢。本文章根據(jù)SL 253-2000《溢洪道設(shè)計規(guī)范》中差分法和分段求和法分別對側(cè)槽、泄槽段的水面線進行了計算，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：

[1] SL 253--2000《溢洪道設(shè)計規(guī)范》

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

[3]武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室 李偉.《水利計算手冊》 北京：中國水利水電出版社 2006