溢洪道设计

第五节 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 举例 参考中华人民共和国水利部发布：溢洪道
设计规范SL253-2000
边墙
陡槽
高峰寺水库 溢洪道 下游
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。
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。

1 8Fr2
1
①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）
h

h 2
1

8(
hk h
)3

1
④护坦长度Ln=（2.5~3.0）Lj
Fr2
va2
g ha
则：
ik
gX k Ck 2 Bk
9.81 9.82 8.8% 40.822 6
由于i=20%＞ik=8.8%，故属于陡坡。 所以，陡坡起始断面水深为临界水深 hk=1.91m。
（3）陡坡的长度L计算
L
P 2 P 2
102
10
2

51m
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。
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 0.5-0.7m的安全超高。
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。
1 进口段
（1）引水渠尺寸的确定 已知：引水渠为土渠，断面梯形，边坡1:1，糙率
n=0.025，设计底坡为1/1000。 按明渠均匀流公式试算其水深，试算结果为
H=2.86m，计算成果如下表。
H(m) W(m2) X(m) R(m)
C
Ri Q引(m3/s) Q泄(m3/s)
2.86 25.34 14.09 1.8 43.71 0.0427 47.3 47.5
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，1.0-1.1；
hk
3
q 2
g
q—单宽流量，q=Q泄.m/B h k 0.4673 q 2
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：
E0

h0
Q泄2 2g 0 2
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。
Ek
hk
Q泄2 2g k 2
2
J
V
2
C R
V

1 2
VK

V0

CK

1 2
C
K

C0
R

1 2
R
K

R
0

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=h0
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。
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 0.5-1.0m。
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）。
i
0.2
（4）陡坡中的正常水深h0计算
采用试算法求h0；也可按近似公式计算 流量模数K=Q泄/i1/2=47.5/0.21/2=106； 假定h0=0.68m，试算成果如下表：
3/5
h0


nq i

h0(பைடு நூலகம்) W0(m2) X0(m) R0(m) C0 K0 W0 C0 R0
0.68 4.08 7.36 0.554 35.83
108.8
（5）降落曲线的长度 l 估算
Ek
hk
Q泄 2
2gWK 2
1.1 47.52 1.91
2 9.8111.462
2.87m
E0

h0

Q泄 2
2gW0 2
0.68 1.1 47.52 2 9.81 4.082

Q2 g ha a 2

q2
g ha3

hk 3 ha 3
3


hk ha

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。
（2）进口渐变段尺寸 采用扭曲面，其长度取4H=4×3=12m。
（3）溢流坎断面尺寸 已知断面尺寸为B×H=6×3=18m2，溢流坎的 长度采用4H=12m。
2 陡坡段
（1）起始断面的临界水深hk计算 单宽流量q=Q泄/B=47.5/6=7.9m3/s.m； 取流量系数α=1.1，因过水断面为矩形，故hk
（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= h0
h

h 2
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。
h k 0.4823 q 2
k3 Q泄2
BK
g
（2）临界底坡ik的计算。判断
是否符合陡坡条件，即 i＞ik ik
式中为相应于临界水深的各因子

g Ck 2
Xk Bk
（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 L
结束还是在外结束
8.29m
2
J

V
2
C R
62.29 1485 0.86
0.049
l E0 Ek 8.29 2.87 35.9m i J 20% 0.049
由于降落曲线长度l=35.9m＜陡坡长度L=51m, 故在L-l=51-35.9=15.1m的范围内，将产生水 深为h0=0.68m的均匀流。
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）
h掺

1
v 100
h
所以,陡坡末端断面的水深采用ha=h0=0.68m。
（6）陡坡末端断面的平均流速Va计算
Va=Q泄/Wa=47.5/(6×0.68)=11.6m/s 已知：石英岩地基，当水深为1m时，其允许不冲流
P2 (P )2 i
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。
h
0
近似公式：
3/5


nq i

（5）水面降落曲线的计算（降落长 l E0 Ek
度的计算—即从临界水深至正常水深
iJ
的长度l） (两断面比能之差—水头损失)
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。
l E0 Ek iJ
②l＞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
E0

h0

Q泄2 2g 02
（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
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。
按下式计算：
hk
3
q 2
g
3 1.1 7.92 9.81
1.91m
（2）陡坡的临界坡度ik计算
已知Bk=6m；Xk=Bk+2hk=6+2×1.91=9.82m； Wk=Bk×hk=6×1.91=11.46m2； Rk=Wk/hk=11.46/9.82=1.16m；
Ck=n-1Rk1/6=40.82m1/2/s (可查有关C值表)
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1:0.31:1。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
qm C Ri
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0.0225-0.025，石渠为0.03-0.045； i—溢洪道明渠段的纵坡，可视地形、地质情况采用1/50-