溢洪道設(shè)計(jì)計(jì)算與施工

1、溢洪道設(shè)計(jì)一、溢洪道位置的選擇二、溢洪道的形式和斷面尺寸的確定三、舉例一、溢洪道位置的選擇 取決于壩址的地形和地質(zhì)條件等，影響工程的安全和投資。1 盡量利用天然的有利地形條件，如分水鞍（或山坳）。以節(jié)省開挖土石方量，減少工程投資，縮短工期。2 在地質(zhì)條件上要求兩岸山坡較穩(wěn)定，防止泄洪時(shí)發(fā)生滑塌等事故。最好選擇在巖石和基巖上，以耐沖刷，降低工程造價(jià)；若做在土基上，應(yīng)選擇堅(jiān)實(shí)的地基，并全部挖方，還必須用漿砌石和混凝土襯砌。3 在平面布置上，盡量做到直線布置，力求泄洪時(shí)水流順暢。進(jìn)口離壩端應(yīng)大于10m，出口應(yīng)遠(yuǎn)離下游壩腳至少20m以上。若地形限制，可將進(jìn)口引水渠采用圓弧形曲線布置，并在彎道凹岸做好護(hù)

2、砌工程，其它部分應(yīng)盡量做到直線布置。4 溢洪道布置盡可能不和泄水洞放在同一側(cè)，以免互相造成水流干擾和影響臥管安全。二、溢洪道的形式和斷面尺寸的確定淤地壩溢洪道的形式，主要有兩種：一種是明渠式溢洪道，另一種是溢流堰式溢洪道。1 明渠式溢洪道在基巖或巖石上開挖明渠排洪，一般不做砌護(hù)工程，稱為明渠式溢洪道。它適于小型淤地壩和臨時(shí)性溢洪道。明渠式溢洪道的斷面形狀可視地基情況而定，一般在巖石上可采用矩形斷面，非巖基上宜采用梯形斷面，其邊坡為1:0.3-1:1。斷面尺寸可根據(jù)所選定的斷面形狀、設(shè)計(jì)最大泄洪流量(qm)和設(shè)計(jì)的滯洪水深(H滯)，按水力學(xué)明渠均勻流流量公式計(jì)算，即 式中：溢洪道的過水?dāng)嗝娣e，m

3、2； C謝才系數(shù)； R水力半徑，m； n粗糙系數(shù)，土渠為0.0225-0.025，石渠為0.03-0.045； i溢洪道明渠段的縱坡，可視地形、地質(zhì)情況采用1/50-1/200。明渠式溢洪道尺寸可采用試算法計(jì)算，根據(jù)已知的qm和H滯，假定一個(gè)寬度b值，計(jì)算出一個(gè)相應(yīng)的流量qi=qm時(shí)的b值即為設(shè)計(jì)的明渠式溢洪道的底寬，求得斷面尺寸后，應(yīng)加超高0.5-1.0m。2 溢流堰式溢洪道溢流堰式溢洪道的種類很多，可分為臺階式、跌水式和陡坡式等，而最常用的是陡坡式溢洪道。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、水流平順、施工方便、工程量小。所以在大中型淤地壩和小型水庫工程中采用較多。陡坡式溢洪道通常由進(jìn)口段、陡坡段和出口段

4、三部分組成（圖6-8）。 進(jìn)口段：由引水渠、進(jìn)口漸變段和溢流坎組成。a引水渠的作用是將壩庫內(nèi)的洪水平順地輸送到溢洪道。一般與壩地內(nèi)的排洪渠相連，斷面為梯形，斷面尺寸試算確定。長度20-30m。b進(jìn)口漸變段是由引水渠到溢流坎的過渡段。其斷面應(yīng)由梯形變?yōu)榫匦蔚呐で?。作用是使洪水平順地流到溢流坎上去。引水渠和進(jìn)口漸變段在較差的巖基和土基上時(shí)，為了防止沖刷，應(yīng)采用塊石做護(hù)面。C.溢流坎的斷面為矩形，坎長一般為3-6倍坎上水深,坎頂寬B用寬頂堰公式計(jì)算(B=Qm/MH01.5,H0=H滯+V2/2g)在結(jié)構(gòu)上，溢流坎底板和兩側(cè)邊墻用漿砌石砌筑，底板上游端做成深為1m、厚0.5m的齒墻，以減少滲流和增加

5、底板的穩(wěn)定性。 陡坡段：溢流壩下游銜接一段坡度較大（大于臨界坡度）的急流渠道稱為陡坡段。在布置時(shí)應(yīng)盡量使陡坡段順直，保證槽內(nèi)水流平穩(wěn)。a陡坡坡度的確定。從溢流壩下泄的水流為急流，因此陡坡的坡度應(yīng)大于臨界坡度。通常采用的陡坡為1:3-1:5，在巖基上可達(dá)1:1。另外要根據(jù)地形和地質(zhì)情況進(jìn)行選擇。如果坡度過于平緩，則陡坡開挖長，土石開挖量大，不經(jīng)濟(jì)；但若陡坡很陡，則下泄流速大，水流沖刷能大，要求陡坡的襯砌工程和下游的防沖設(shè)施（消力池）必須做得很牢固。因此，在確定陡坡坡度時(shí)，應(yīng)盡可能與地面坡度相適應(yīng)，并進(jìn)行必要的方案比較。 b陡坡橫斷面尺寸的確定。陡坡中流速大，一般應(yīng)布置在挖方部位，以保證運(yùn)用的安全

6、。在巖基上的斷面為矩形；在土基上的斷面為梯形，邊坡為1:1-1:2。在黃土地區(qū),由于黃土有直立性,也做成矩形斷面。淤地壩和小型水庫溢洪道的陡坡寬度一般都做成與溢流坎相同的寬度。陡坡兩邊的邊墻高度應(yīng)根據(jù)水面曲線來確定。水流在陡坡內(nèi)產(chǎn)生降水曲線，隨陡坡底部高程的下降，槽內(nèi)水深逐漸減小。如果陡坡有足夠長度，其水深減至槽內(nèi)正常水深時(shí)，就不再減小了。因此，陡坡內(nèi)水深的變化是屬于明渠非均勻流。另外，當(dāng)槽內(nèi)水流流速大于10m/s時(shí)，水流會產(chǎn)生摻氣作用，槽內(nèi)水深因而要增加，這樣邊墻的高度應(yīng)以該處的水深和摻氣高度再加0.5-0.7m的安全超高。 陡坡水面曲線（水深）計(jì)算 在已知陡坡的坡度、寬度和邊坡之后，可參考

7、水力學(xué)中明渠非均勻流的計(jì)算方法，計(jì)算陡坡中各控制斷面處的流速和水深（即降落曲線），以便確定邊墻的高度。 在淤地壩工程和小型水庫中，也可采用粗略的估算，即算出陡坡起始斷面和末端斷面的水深。然后用直線連接起來，則得全陡坡內(nèi)的水深。出口段：由消力池、出口漸變段和下游尾渠組成。溢洪道設(shè)計(jì)是淤地壩設(shè)計(jì)中最復(fù)雜，又極為重要的任務(wù)，其計(jì)算公式和步驟也較為復(fù)雜，往往花費(fèi)工程設(shè)計(jì)人員大量精力和時(shí)間?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，為其設(shè)計(jì)提供了一個(gè)方便的計(jì)算工具，可編制能進(jìn)行多種選擇、普遍適用的設(shè)計(jì)程序，采用精度較高的試算法以滿足計(jì)算要求。3 陡坡段尺寸計(jì)算步驟（1）陡坡的臨界水深hk計(jì)算 開始斷面水深h=hk 矩形斷面

8、陡槽：臨界水深hk式中：流速系數(shù)，1.0-1.1； q單寬流量，q=Q泄.m/B 將和g代入，則：梯形斷面陡槽：臨界水深hk按水力學(xué)公式試算求得： （2）臨界底坡ik的計(jì)算。判斷是否符合陡坡條件，即 iik 式中為相應(yīng)于臨界水深的各因子（P235公式6-44有誤）。 （3）陡坡長度L的計(jì)算。目的是判斷水面降落曲線在陡坡上結(jié)束還是在外結(jié)束 式中：P陡坡起末端面的高差； i陡坡坡度。（4）正常水深h0的計(jì)算 陡坡中的水流逐漸接近均勻流。 近似公式：（5）水面降落曲線的計(jì)算（降落長度的計(jì)算即從臨界水深至正常水深的長度l） (兩斷面比能之差水頭損失) 式中：E0水深為h0時(shí)比能， Ek水深為hk時(shí)比能

9、， J平均的水力坡度。 兩種情況：lL：起始斷面水深=hk； 正常水深=h0； 末端水深ha=正常水深=h0lL：分段計(jì)算，求末端水深ha; 可近似處理，即設(shè)：l=L，根據(jù)l求得E0再求得h0=ha （6）末端流速計(jì)算。Va=Q泄/a a相應(yīng)于陡坡末端的過水?dāng)嗝妫?）摻氣水深h摻計(jì)算，確定邊墻高度。 當(dāng)Va10m/s時(shí)，水流中會摻氣，產(chǎn)生摻氣高度 式中：v計(jì)算斷面的平均流速； h未摻氣時(shí)陡坡中的水深（可為臨界水深始，也可為正常水深末）。 則：邊墻高度=h摻+h安全（0.5m）當(dāng)Va10m/s時(shí)，不考慮摻氣 則：邊墻高度：h起始=hk+h安全（0.5m） h末端=ha+h安全（0.5m）（8）陡

10、坡結(jié)構(gòu)要求邊墻做成擋土墻；用漿砌石襯砌；設(shè)置沉陷逢。每個(gè)底板的上端設(shè)齒墻（防止入滲水沿漿砌體和土滲流；并起支撐作用） 4 消力池尺寸計(jì)算（水躍計(jì)算）h躍前水深；h躍后水深；ht下游水深當(dāng)hht時(shí)，產(chǎn)生遠(yuǎn)離水躍，需要設(shè)置消力池。h= ha= h0躍后水深h計(jì)算 消力池深d=1.25（h-ht）消力池長Lk=（0.70.8）Lj 水躍長度Lj=6.9（h- h）護(hù)坦長度Ln=（2.53.0）Lj舉 例某淤地壩采用溢流堰式溢洪道，設(shè)計(jì)泄洪流量Q泄=47.5m3/s,其斷面形式為矩形，底寬B=6m，坎上水深H=3m。采用陡坡連接，陡坡坡度i=20%，躍差P=10m。下游采用消力池消能，與排洪渠相連，其

11、水深為ht=2.86m。引水渠和排洪渠均為土質(zhì)渠道，溢洪道地段為石英巖地基。試對該溢洪道進(jìn)行水力計(jì)算。1 進(jìn)口段（1）引水渠尺寸的確定已知：引水渠為土渠，斷面梯形，邊坡1:1，糙率n=0.025，設(shè)計(jì)底坡為1/1000。按明渠均勻流公式試算其水深，試算結(jié)果為H=2.86m，計(jì)算成果如下表。H(m)W(m2)X(m)R(m)CQ引(m3/s)Q泄(m3/s)2.8625.3414.091.843.710.042747.347.5（2）進(jìn)口漸變段尺寸 采用扭曲面，其長度取4H=43=12m。（3）溢流坎斷面尺寸 已知斷面尺寸為BH=63=18m2，溢流坎的長度采用4H=12m。2 陡坡段（1）起始

12、斷面的臨界水深hk計(jì)算單寬流量q=Q泄/B=47.5/6=7.9m3/s.m；取流量系數(shù)=1.1，因過水?dāng)嗝鏋榫匦危蔴k按下式計(jì)算：（2）陡坡的臨界坡度ik計(jì)算已知Bk=6m；Xk=Bk+2hk=6+21.91=9.82m；Wk=Bkhk=61.91=11.46m2；Rk=Wk/hk=11.46/9.82=1.16m； Ck=n-1Rk1/6=40.82m1/2/s (可查有關(guān)C值表)則：由于i=20%ik=8.8%，故屬于陡坡。 所以，陡坡起始斷面水深為臨界水深hk=1.91m。（3）陡坡的長度L計(jì)算（4）陡坡中的正常水深h0計(jì)算采用試算法求h0；也可按近似公式計(jì)算流量模數(shù)K=Q泄/i1/

13、2=47.5/0.21/2=106；假定h0=0.68m，試算成果如下表：h0(m)W0(m2)X0(m)R0(m)C00.684.087.360.55435.83108.8（5）降落曲線的長度 l 估算由于降落曲線長度l=35.9m陡坡長度L=51m,故在L-l=51-35.9=15.1m的范圍內(nèi)，將產(chǎn)生水深為h0=0.68m的均勻流。所以,陡坡末端斷面的水深采用ha=h0=0.68m。（6）陡坡末端斷面的平均流速Va計(jì)算Va=Q泄/Wa=47.5/(60.68)=11.6m/s已知：石英巖地基，當(dāng)水深為1m時(shí)，其允許不沖流速為25m/s。由以上計(jì)算可知：VaV允，則陡坡可以不采取砌護(hù)工程。但由于Va10m/s,應(yīng)考慮摻氣對水深增加的作用。（7）摻氣水深h摻計(jì)算陡坡末端斷面的摻氣水深計(jì)算：（8）陡坡邊墻高度的確定陡坡起始斷面的邊墻高度為： H起=hk+0.5=1.91+0.5=2.41m，取2.5m；陡坡末端斷面的邊墻高度為： H末=h摻+0.5=0.76+0.5=1.26m，取1.3m；將陡坡起、末兩端面的邊墻高度連成直線，此線即為陡坡段的邊墻高度線。（9）出口段已知：陡坡末端斷面水深ha為躍前水深h，即h=ha=h0=0.68m，起始斷面的臨界水深hk=1.91m則躍