溢洪道设计计算与施工

溢洪道设计一、溢洪道位置的选择二、溢洪道的形式和断面尺寸的确定三、举例一、溢洪道位置的选择

取决于坝址的地形和地质条件等，影响工程的安全和投资。1尽量利用天然的有利地形条件，如分水鞍（或山坳）。以节省开挖土石方量，减少工程投资，缩短工期。2在地质条件上要求两岸山坡较稳定，防止泄洪时发生滑塌等事故。最好选择在岩石和基岩上，以耐冲刷，降低工程造价；若做在土基上，应选择坚实的地基，并全部挖方，还必须用浆砌石和混凝土衬砌。3在平面布置上，尽量做到直线布置，力求泄洪时水流顺畅。进口离坝端应大于10m，出口应远离下游坝脚至少20m以上。若地形限制，可将进口引水渠采用圆弧形曲线布置，并在弯道凹岸做好护砌工程，其它部分应尽量做到直线布置。4溢洪道布置尽可能不和泄水洞放在同一侧，以免互相造成水流干扰和影响卧管安全。二、溢洪道的形式和断面尺寸的确定淤地坝溢洪道的形式，主要有两种：一种是明渠式溢洪道，另一种是溢流堰式溢洪道。1明渠式溢洪道在基岩或岩石上开挖明渠排洪，一般不做砌护工程，称为明渠式溢洪道。它适于小型淤地坝和临时性溢洪道。明渠式溢洪道的断面形状可视地基情况而定，一般在岩石上可采用矩形断面，非岩基上宜采用梯形断面，其边坡为1:0.3-1:1。断面尺寸可根据所选定的断面形状、设计最大泄洪流量(qm)和设计的滞洪水深(H滞)，按水力学明渠均匀流流量公式计算，即

式中：ω—溢洪道的过水断面积，m2；

C—谢才系数；

R—水力半径，m；

n—粗糙系数，土渠为，石渠为；

i—溢洪道明渠段的纵坡，可视地形、地质情况采用1/50-1/200。明渠式溢洪道尺寸可采用试算法计算，根据已知的qm和H滞，假定一个宽度b值，计算出一个相应的流量qi=qm时的b值即为设计的明渠式溢洪道的底宽，求得断面尺寸后，应加超高。2溢流堰式溢洪道溢流堰式溢洪道的种类很多，可分为台阶式、跌水式和陡坡式等，而最常用的是陡坡式溢洪道。它的优点是：结构简单、水流平顺、施工方便、工程量小。所以在大中型淤地坝和小型水库工程中采用较多。陡坡式溢洪道通常由进口段、陡坡段和出口段三部分组成（图6-8）。

①进口段：由引水渠、进口渐变段和溢流坎组成。a．引水渠的作用是将坝库内的洪水平顺地输送到溢洪道。一般与坝地内的排洪渠相连，断面为梯形，断面尺寸试算确定。长度＜20-30m。b．进口渐变段是由引水渠到溢流坎的过渡段。其断面应由梯形变为矩形的扭曲面。作用是使洪水平顺地流到溢流坎上去。引水渠和进口渐变段在较差的岩基和土基上时，为了防止冲刷，应采用块石做护面。C.溢流坎的断面为矩形，坎长一般为3-6倍坎上水深,坎顶宽B用宽顶堰公式计算(B=Qm/MH01.5,H0=H滞+V2/2g)在结构上，溢流坎底板和两侧边墙用浆砌石砌筑，底板上游端做成深为1m、厚0.5m的齿墙，以减少渗流和增加底板的稳定性。②陡坡段：溢流坝下游衔接一段坡度较大（大于临界坡度）的急流渠道称为陡坡段。在布置时应尽量使陡坡段顺直，保证槽内水流平稳。a．陡坡坡度的确定。从溢流坝下泄的水流为急流，因此陡坡的坡度应大于临界坡度。通常采用的陡坡为1:3-1:5，在岩基上可达1:1。另外要根据地形和地质情况进行选择。如果坡度过于平缓，则陡坡开挖长，土石开挖量大，不经济；但若陡坡很陡，则下泄流速大，水流冲刷能大，要求陡坡的衬砌工程和下游的防冲设施（消力池）必须做得很牢固。因此，在确定陡坡坡度时，应尽可能与地面坡度相适应，并进行必要的方案比较。

b．陡坡横断面尺寸的确定。陡坡中流速大，一般应布置在挖方部位，以保证运用的安全。在岩基上的断面为矩形；在土基上的断面为梯形，边坡为1:1-1:2。在黄土地区,由于黄土有直立性,也做成矩形断面。淤地坝和小型水库溢洪道的陡坡宽度一般都做成与溢流坎相同的宽度。陡坡两边的边墙高度应根据水面曲线来确定。水流在陡坡内产生降水曲线，随陡坡底部高程的下降，槽内水深逐渐减小。如果陡坡有足够长度，其水深减至槽内正常水深时，就不再减小了。因此，陡坡内水深的变化是属于明渠非均匀流。另外，当槽内水流流速大于10m/s时，水流会产生掺气作用，槽内水深因而要增加，这样边墙的高度应以该处的水深和掺气高度再加的安全超高。陡坡水面曲线（水深）计算在已知陡坡的坡度、宽度和边坡之后，可参考水力学中明渠非均匀流的计算方法，计算陡坡中各控制断面处的流速和水深（即降落曲线），以便确定边墙的高度。在淤地坝工程和小型水库中，也可采用粗略的估算，即算出陡坡起始断面和末端断面的水深。然后用直线连接起来，则得全陡坡内的水深。③出口段：由消力池、出口渐变段和下游尾渠组成。溢洪道设计是淤地坝设计中最复杂，又极为重要的任务，其计算公式和步骤也较为复杂，往往花费工程设计人员大量精力和时间。现代计算机的普遍应用，为其设计提供了一个方便的计算工具，可编制能进行多种选择、普遍适用的设计程序，采用精度较高的试算法以满足计算要求。3陡坡段尺寸计算步骤（1）陡坡的临界水深hk计算开始断面水深h=hk

①矩形断面陡槽：临界水深hk式中：α—流速系数，；

q—单宽流量，q=Q泄.m/B

将α和g代入，则：②梯形断面陡槽：临界水深hk按水力学公式试算求得：

（2）临界底坡ik的计算。判断是否符合陡坡条件，即i＞ik

式中为相应于临界水深的各因子（P235公式6-44有误）。

（3）陡坡长度L的计算。目的是判断水面降落曲线在陡坡上结束还是在外结束式中：P—陡坡起末端面的高差；

i—陡坡坡度。（4）正常水深h0的计算

陡坡中的水流逐渐接近均匀流。近似公式：（5）水面降落曲线的计算（降落长度的计算—即从临界水深至正常水深的长度l）

(两断面比能之差—水头损失)式中：E0—水深为h0时比能，

Ek—水深为hk时比能，

J—平均的水力坡度。两种情况：①l＜L：起始断面水深=hk；

正常水深=h0；

末端水深ha=正常水深=h0②l＞L：分段计算，求末端水深ha;

可近似处理，即设：l=L，根据l求得E0→再求得h0=ha

（6）末端流速计算。Va=Q泄/ωa

ωa—相应于陡坡末端的过水断面（7）掺气水深h掺计算，确定边墙高度。

①当Va＞10m/s时，水流中会掺气，产生掺气高度

式中：v—计算断面的平均流速；

h—未掺气时陡坡中的水深（可为临界水深—始，也可为正常水深—末）。

则：边墙高度=h掺+h安全（0.5m）②当Va＜10m/s时，不考虑掺气

则：边墙高度：h起始=hk+h安全（0.5m）

h末端=ha+h安全（0.5m）（8）陡坡结构要求边墙做成挡土墙；用浆砌石衬砌；设置沉陷逢。每个底板的上端设齿墙（防止入渗水沿浆砌体和土渗流；并起支撑作用）

4消力池尺寸计算（水跃计算）hˊ—跃前水深；h"—跃后水深；ht—下游水深当h"＞ht时，产生远离水跃，需要设置消力池。hˊ=ha=h0①跃后水深h"计算②消力池深d=1.25（h"-ht）③消力池长Lk=（0.7~0.8）Lj

水跃长度Lj=6.9（h"-hˊ）④护坦长度Ln=（2.5~3.0）Lj举例某淤地坝采用溢流堰式溢洪道，设计泄洪流量Q泄=47.5m3/s,其断面形式为矩形，底宽B=6m，坎上水深H=3m。采用陡坡连接，陡坡坡度i=20%，跃差P=10m。下游采用消力池消能，与排洪渠相连，其水深为ht=2.86m。引水渠和排洪渠均为土质渠道，溢洪道地段为石英岩地基。试对该溢洪道进行水力计算。1进口三段（1）引三水渠三尺寸三的确三定已知三：引三水渠三为土三渠，三断面三梯形三，边三坡1:三1，糙三率n=三0.三02三5，设三计底三坡为1/三10三00。按明三渠均三匀流三公式三试算三其水三深，三试算三结果三为H=三2.三86三m，计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）进三口渐三变段三尺寸采用三扭曲三面，三其长三度取4H三=4三×3三=1三2m。（3）溢三流坎三断面三尺寸已知三断面三尺寸三为B×三H=三6×三3=三18三m2，溢三流坎三的长三度采三用4H三=1三2m。2陡坡三段（1）起三始断三面的三临界三水深hk计算单宽三流量q=三Q泄/B三=4三7.三5/三6=三7.三9m3/s三.m；取流三量系三数α=1三.1，因三过水三断面三为矩三形，三故hk按下三式计三算：（2）陡三坡的三临界三坡度ik计算已知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(可查三有关C值表)则：由于i=三20三%＞ik=8三.8三%，故三属于三陡坡三。所以三，陡三坡起三始断三面水三深为三临界三水深hk=1三.9三1m。（3）陡三坡的三长度L计算（4）陡三坡中三的正三常水三深h0计算采用三试算三法求h0；也三可按三近似三公式三计算流量三模数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，试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）降三落曲三线的三长度l估算由于三降落三曲线三长度l=3三5.三9m＜陡三坡长三度L=三51三m,故在L-l=5三1-三35三.9三=1三5.三1m的范三围内三，将三产生三水深三为h0=0三.6三8m的均三匀流三。所以,陡坡三末端三断面三的水三深采三用ha=h0=0三.6三8m。（6）陡三坡末三端断三面的三平均三流速Va计算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：石三英岩三地基三，当三水深三为1m时，三其允三许不三冲流三速为25三m/三s。由以三上计三算可三知：Va＜V允，则陡三坡可三以不三采取三砌护三工程三。但由三于Va＞10三m/三s,应考三虑掺三气对三水深三增加三的作三用。（7）掺三气水三深h掺计算陡坡三末端三断面三的掺三气水三深计三算：（8）陡三坡边三墙高三度的三确定陡坡三起始三断面三的边三墙高三度为三：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；陡坡三末端三断面三的边三墙高三度为三：H末=h掺+0三.5三=0三.7三6+三0.三5=三1.三26三m，取1.三3m；将陡三坡起三、末三两端三面的三边墙三高度三连