側(cè)槽溢洪道水力學(xué)計(jì)算研究

□趙 寧 □霍鶴飛 □路 陽(yáng)（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

1 工程概況

科克塔斯水庫(kù)位于伊寧市北部的匹里青河出山口水文站上游0.50km處，水庫(kù)距伊寧市約30km，水庫(kù)由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪洞、引水發(fā)電洞、灌溉洞及電站廠房等建筑物組成，水庫(kù)總庫(kù)容4613萬(wàn)m3，最大壩高88m，是一座以鄉(xiāng)鎮(zhèn)、工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪和發(fā)電等綜合利用的中型水利樞紐工程。

側(cè)槽溢洪道由側(cè)槽段、調(diào)整段、泄槽段、消能段四部分組成。

側(cè)槽段（溢0+000.00～溢0+045.00）位于右壩肩上游側(cè)，堰采用開(kāi)敞式無(wú)閘門(mén)控制WES型實(shí)用堰，堰前底板高程958.00m，堰寬45.00m，堰頂高程961.00m。側(cè)槽與溢流堰夾角90°，槽身為梯形斷面，靠山側(cè)坡度為1:0.50，溢流堰側(cè)坡度1:0.70，側(cè)堰底寬從槽首端4.00m漸變至槽末端處的6.00m，側(cè)槽底坡為1:0.04，槽首端底板高程954.80m，槽末端底板高程953.00m。

調(diào)整段（溢0+045.00～溢0+065.00）底板高程953.00m，凈寬6m，兩側(cè)墻頂高964.00m。

泄槽段（溢0+065.00～溢0+367.00）凈寬6m，在泄槽溢0+108.00m～溢0+116.00m上部設(shè)置交通橋，橋面寬7m，橋面高程964.00m，與壩頂?shù)缆废嘟?。泄槽段總長(zhǎng)302m，前90m底坡1:20，后212m底坡1:3.80。

消能段（溢0+367.00～溢0+380.00），消能段采用與泄槽等寬的連續(xù)式挑坎消能，消能段長(zhǎng)13m，鼻坎頂高程為892.71m，反弧半徑為15m，挑射角為25°，水流直接挑入匹里青河。

2 水力學(xué)計(jì)算

2.1 溢洪道泄流能力計(jì)算

溢洪道側(cè)堰凈寬45.00m，WES型實(shí)用堰，按式1計(jì)算泄流能力：

式中：B—溢流堰總凈寬，m；

H0—計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭，m；

c—上游堰坡影響系數(shù)；

m—流量系數(shù)；

ε—閘墩側(cè)收縮系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)水位961.59m時(shí)，溢洪道泄流能力為39.75m3/s，校核洪水位962.63m時(shí)，溢洪道泄流能力為211.14m3/s。

2.2 側(cè)槽水面線計(jì)算

式中：△x—計(jì)算段長(zhǎng)度，斷面2與斷面1之間的距離，m；

△y—△x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，m2/s；

v1、v2—斷面1及斷面2的水流平均流速，m/s；

以過(guò)水?dāng)嗝孀畹忘c(diǎn)為基準(zhǔn)面的斷面總水頭：

在側(cè)槽水面線計(jì)算時(shí)，以側(cè)槽末端0+045斷面為起始計(jì)算斷面，其水深根據(jù)能量方程式(4)與泄槽首端0+065斷面臨界水深式(3)聯(lián)立方程，求得校核水位962.63m泄洪工況下，泄槽首端0+065斷面臨界水深為hk=5.02m，側(cè)槽末端水深為he=7.38m，側(cè)槽水面線按式(2)計(jì)算。

側(cè)槽首、末端底寬bu/be=4/6=0.677，he/hk=1.47。

而根據(jù)其他參考資料，he=nhk，系數(shù)n值見(jiàn)表1。

表1 系數(shù)n值表

根據(jù)bu/be=4/6=0.677，選取n=1.30，he=6.53m，本工程側(cè)槽末端水深采用7.38m值，這樣更利于實(shí)際工程中側(cè)槽水流流出。

2.3 泄槽水面線計(jì)算

溢洪道泄槽水流屬恒定非均勻流，水面線采用分段求和法公式計(jì)算：

式中：△L—計(jì)算流段長(zhǎng)度，m；

Esd—分段下游斷面的斷面比能，m；

Esu—分段上游斷面的斷面比能，m；

i—泄槽段縱坡。

泄槽水面線計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 溢洪道校核、設(shè)計(jì)洪水位泄洪水面線計(jì)算結(jié)果表

2.4 挑流消能計(jì)算

溢洪道出口位于壩下游右岸溝口，下游采用挑流消能，消能段長(zhǎng)13m，鼻坎頂高程為892.71m，反弧半徑為15m，挑射角為25°，水流直接挑入匹里青河。

挑流射程及沖刷計(jì)算根據(jù)，《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2000）公式計(jì)算：

式中：L-自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m;

v-鼻坎坎頂水面流速，m/s,可按鼻坎處平均流速的1.1倍計(jì)算；

θ-挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角，（°）；

h1-調(diào)流鼻坎末端法向水深，m；

h2-鼻坎坎頂至下游河床高程差，m；

T-自下游水面至坑底最大水墊深度，m;

q-鼻坎末端斷面單寬流量，m3/（s.m）;

Z-上、下游水位差，m;

k-綜合沖刷系數(shù)，參見(jiàn)規(guī)范表A.4.2，取1.3；

g- 重力加速度，9.81m/s2。

根據(jù)挑流計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)工況下挑距37.80m，沖坑深度7.13m，沖刷坑上游坡度為1:5.30；校核工況下挑距86.17m，沖坑深度20.29m，沖刷坑上游坡度為1:4.25。根據(jù)本工程地質(zhì)情況，限定沖刷坡度ik為1:30，沖刷坑上游坡度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

側(cè)槽溢洪道的水流條件比較復(fù)雜，尤其是過(guò)堰水流進(jìn)入側(cè)槽后，形成橫向漩渦，同時(shí)側(cè)槽內(nèi)沿流程流量不斷增加，漩滾強(qiáng)度也不斷變化，水流紊動(dòng)和撞擊都很強(qiáng)烈，水面極不平穩(wěn)。而側(cè)槽又多是在壩頭山坡上劈山開(kāi)挖的深槽，其運(yùn)行情況直接關(guān)系到大壩的安全，針對(duì)具體工程，側(cè)槽溢洪道應(yīng)該通過(guò)水力模型試驗(yàn)來(lái)確定水面線。文章通過(guò)多種方法計(jì)算側(cè)槽溢洪道水面線，比較后認(rèn)為，對(duì)于某些小工程，側(cè)槽末端的水深采用能量方程與泄槽首端斷面臨界水深聯(lián)立求解的結(jié)果，這樣更利于實(shí)際工程中側(cè)槽水流流出。

[1]李煒，等.水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006,（02）.