溢洪道設(shè)計(jì)計(jì)算與施工

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)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：ω—溢洪道的過水?dāng)嗝娣e，m2；

C—謝才系數(shù)；

R—水力半徑，m；

n—粗糙系數(shù)，土渠為，石渠為；

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。2溢流堰式溢洪道溢流堰式溢洪道的種類很多，可分為臺(tái)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、陡坡段和出口段三部分組成（圖6-8）。

①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，以減少滲流和增加底板的穩(wěn)定性。②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。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(huì)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。③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

①矩形斷面陡槽：臨界水深hk式中：α—流速系數(shù)，；

q—單寬流量，q=Q泄.m/B

將α和g代入，則：②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i＞ik

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，

J—平均的水力坡度。兩種情況：①l＜L：起始斷面水深=hk；

正常水深=h0；

末端水深ha=正常水深=h0②l＞L：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/ωa

ωa—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。

①當(dāng)Va＞10m/s時(shí)，水流中會(huì)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）②當(dāng)Va＜10m/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）hˊ—躍前水深；h"—躍后水深；ht—下游水深當(dāng)h"＞ht時(shí)，產(chǎn)生遠(yuǎn)離水躍，需要設(shè)置消力池。hˊ=ha=h0①躍后水深h"計(jì)算②消力池深d=1.25（h"-ht）③消力池長Lk=（0.7~0.8）Lj

水躍長度Lj=6.9（h"-hˊ）④護(hù)坦長度Ln=（2.5~3.0）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)口三段（1）引三水渠三尺寸三的確三定已知三：引三水渠三為土三渠，三斷面三梯形三，邊三坡1:三1，糙三率n=三0.三02三5，設(shè)三計(jì)底三坡為1/三10三00。按明三渠均三勻流三公式三試算三其水三深，三試算三結(jié)果三為H=三2.三86三m，計(jì)三算成三果如三下表三。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)三口漸三變段三尺寸采用三扭曲三面，三其長三度取4H三=4三×3三=1三2m。（3）溢三流坎三斷面三尺寸已知三斷面三尺寸三為B×三H=三6×三3=三18三m2，溢三流坎三的長三度采三用4H三=1三2m。2陡坡三段（1）起三始斷三面的三臨界三水深hk計(jì)算單寬三流量q=三Q泄/B三=4三7.三5/三6=三7.三9m3/s三.m；取流三量系三數(shù)α=1三.1，因三過水三斷面三為矩三形，三故hk按下三式計(jì)三算：（2）陡三坡的三臨界三坡度ik計(jì)算已知Bk=6三m；Xk=Bk+2三hk=6三+2三×1三.9三1=三9.三82三m；Wk=Bk×hk=6三×1三.9三1=三11三.4三6m2；Rk=Wk/hk=1三1.三46三/9三.8三2=三1.三16三m；Ck=n-1Rk1/三6=4三0.三82三m1/三2/s三(可查三有關(guān)C值表)則：由于i=三20三%＞ik=8三.8三%，故三屬于三陡坡三。所以三，陡三坡起三始斷三面水三深為三臨界三水深hk=1三.9三1m。（3）陡三坡的三長度L計(jì)算（4）陡三坡中三的正三常水三深h0計(jì)算采用三試算三法求h0；也三可按三近似三公式三計(jì)算流量三模數(shù)K=三Q泄/i1/三2=4三7.三5/三0.三21/三2=10三6；假定h0=0三.6三8m，試三算成三果如三下表三：h0(m)W0(m2)X0(m)R0(m)C00.684.087.360.55435.83108.8（5）降三落曲三線的三長度l估算由于三降落三曲線三長度l=3三5.三9m＜陡三坡長三度L=三51三m,故在L-l=5三1-三35三.9三=1三5.三1m的范三圍內(nèi)三，將三產(chǎn)生三水深三為h0=0三.6三8m的均三勻流三。所以,陡坡三末端三斷面三的水三深采三用ha=h0=0三.6三8m。（6）陡三坡末三端斷三面的三平均三流速Va計(jì)算Va三=Q泄/W三a=三47三.5三/(三6×三0.三68三)=三11三.6三m/三s已知三：石三英巖三地基三，當(dāng)三水深三為1m時(shí)，三其允三許不三沖流三速為25三m/三s。由以三上計(jì)三算可三知：Va＜V允，則陡三坡可三以不三采取三砌護(hù)三工程三。但由三于Va＞10三m/三s,應(yīng)考三慮摻三氣對三水深三增加三的作三用。（7）摻三氣水三深h摻計(jì)算陡坡三末端三斷面三的摻三氣水三深計(jì)三算：（8）陡三坡邊三墻高三度的三確定陡坡三起始三斷面三的邊三墻高三度為三：H起=hk+0三.5三=1三.9三1+三0.三5=三2.三41三m，取2.三5m；陡坡三末端三斷面三的邊三墻高三度為三：H末=h摻+0三.5三=0三.7三6+三0.三5=三1.三26三m，取1.三3m；將陡三坡起三、末三兩端三面的三邊墻三高度三連