溢洪道设计计算说明

岸边溢洪道设计
6.3.1溢洪道说明
溢洪道其主要任务是泄洪，土石坝不允许水过坝顶，需要专门修建泄洪建筑物。

根据本工程的地形条件，上游坝址左岸沿河流方向有一道呈现弧形的纵向凹槽，所以选择溢洪道设置在大坝左岸，为带胸墙孔口式岸边溢洪道。

溢洪道由引渠段、堰闸段、泄槽段、挑流鼻坎段组成。

6.3.2 溢洪道引水渠
为了使水流平缓，减小或不发生漩涡和翻滚现象，进口采用喇叭口，进口宽度B=50m.设计流速4m/s，横断面在岩基上接近矩形，边坡根据稳定要求确定这里选择边坡坡度为1:0.5；采用梯形断面，进水渠的纵断面做成平底。

在靠近溢流堰前断区，由于流速较大，为了防止冲刷和减少水头损失，可采用混泥土护面厚度为0.5m。

6.3.3 控制段
控制段包括溢流堰及两侧连接建筑物，溢流堰通常可以选择宽顶堰、实用堰、驼峰堰。

溢流堰的体形应尽量满足增大流量系数，溢流堰作用是控制泄流能力，本次设计采用实用堰，优点是流量大，在相同的泄流条件下需要的堰流前缘长，工程量小。

采用弧形闸门。

初步拟定堰顶高程H=设计洪水位—堰顶最大泄水位H0
堰顶高程H=1838=1858.22—H 0，则H 0=20.22m 胸墙式孔口溢流堰形式的下泄流量Q 公式为：
3
20
=Q ε溢
式中：
ε ——闸墩侧收缩系数，0.9； m ——流量系数，0.48:； g ——重力加速度，9.81 2m/s ； B ——堰宽，12m;
水位为设计洪水位1858.22m 时，堰顶高程1838m ，设计Q 溢=4645m3/s.则由上面公式计算得出的B=26.69m,取B=14m.
表6.3-1溢洪道宽顶堰堰宽计算（忽略流速）
计算取b=28m,孔口数2孔，弧形工作闸门取值14x19m(宽x 高)。

中墩厚3m,边墩宽1m,闸室宽度=14x2+3+2x1=33m.
堰面曲线的确定
开敞式堰面曲线，幂曲线按式（7-2）计算：
1
n n d x KH y -= （7-2）
式中 Hd ——堰面曲线定型设计水头，对于上游堰高P1≥1.33Hd 的高堰，取Hd=(0.75～0.95)Hmax ，对于P1<1.33Hd 的低堰，取Hd=(0.65～0.85)Hmax ，Hmax 为校核流量下的堰上水头.
x 、y ——原点下游堰面曲线横、纵坐标； n ——与上游堰坡有关的指数，见表A.1.1；
k ——当p1/Hd>1.0 时，k 值见表A.1.1，当P1/Hd ≤1.0 时，取k=2.0～2.2。

本次设计Hd=0.8Hmax=0.8x24.45=19.56m,P1=Hd=19.56=19.56,则引水渠底板高程为1818.44m 。

p2=0.6Hd~1.33Hd=18m.
根据表A.1.1 确定堰面参数值：
根据表A.1.1 堰面曲线参数
因为P1/.Hd=1,所以取K=2.2;其中n=1.85,R1=0.5Hd,a=0.175 Hd,R2=0.2 Hd,b=0.282 Hd 。

即公式1
n n d
x KH y -== 1.850.852.219.56x y =⨯ 可以得出 1.85
27.55
x y =
表7-2幂曲线
上游段曲线采用三圆弧法，圆弧半径为：R 1=0.5H d =9.78m ，R 2=0.2H d =3.912m ，R 3=0.04H d =0.7824m 。

对应的水平范围为L 1=0.175 H d =3.432m ，L 2=0.276 H d =5.40m ，L 3=0.282 H d =5.52m 。

闸墩顶部高程=校核水位+安全超高=1862.55+0.41862.95m.
图7-1控制段曲线图
衔接面计算：
1.直线段和堰面曲线切点xc,yc 确定。

对 1.85
27.55
x y =
求导，坡率为1:0.65,x=10.64,y=2.88.
7.4.2.2泄流能力计算
开敞式幂曲线WES 实用堰的泄流能力
320
m Q C δε= (7-6) 式中：
Q ——流量，m 3/s ；
B ——溢流堰总净宽，m ，定义B =nb ； b ——单孔宽度，m ；
C ——上游坡度影响系数，上游铅直，C=1;
H 0——堰上水头，m; m ——流量系数，取0.5；
ε——收缩影响系数，取0.9；
m δ——淹没系数，取1。

33
322
110.90.52820.225074/m Q C m s
δε==⨯⨯⨯⨯= 5074>4645 m 3/s (设计洪水情况，满足要求)。

7.5 泄槽设计
正槽溢洪道在溢流堰后多用泄槽与消能防冲设施相连接，以便将过堰洪水安全泄向下游河道。

河岸溢洪道的落差主要集中在这段。

泄槽坡度常大于临界坡度，所以又叫做陡槽。

泄槽横断面宜采用矩形断面。

当结合岩石开挖采用梯形断面时，边坡不宜缓于1︰1.5，并应注意由此引起的流速不均匀问题。

7.5.1 泄槽的平面布置及纵、横剖面
泄槽在平面上应尽可能的采用直线、等宽对称布置。

可以让水流平顺流入下游，而且这样结构简单，便于施工。

实际中可以设置收缩短，减少工程开挖量和衬砌。

出口设置扩散段减少单宽流量，有益于消能防冲，减少对河道的侵蚀。

泄槽纵剖面设计主要是决定纵坡。

泄槽纵坡必须保证泄槽中的水位不影响溢流堰自由泄流和在槽中不发生水跃，水流始终处于急流状态。

所以纵剖i 必须大于临界坡度ic ，此种情况下，泄槽起点的水深等于临界hc,矩形泄槽ic 和hc 值如下：
2
c g L
i ac B
=
⨯ （7-7）
c h = （7-8）
上式中：C —谢才系数，1
61
C R n
=•
其中R 为水力半径（m ）,
n-为粗糙系数，对于混凝土n=0.014～0.016； g —重力加速度，g=9.81m/s2； α—流速分布系数，取α=1.0； L —泄槽横断面湿周，m ； B —水面宽度，m ； q —单宽流量，m3/s 。

泄水槽宽度为：L=2×14+3+2×1=33m 单宽流量为：q=Q/B=7136/33=216.24m3/s
临界水深：
16.83c h m === 临界水力半径为：
1
16
6
16.8328
7.642216.8328117.64100.240.014
c c c h B R m
h B C R n ⨯=
==+⨯+=
•=⨯=
229.81330.00151100.2428
c g L i ac B ⨯=⨯==⨯⨯ 由公式：
21
32
2
242
3
A
Q R i n
Q n i A R
=•=
采用混凝土护面n=0.014，h=hc 故 2
22244223
3
71360.0140.003(2816.83)7.46
Q n i A R
⨯=
=
=⨯⨯
大于临界坡度，泄水槽内水流为明槽恒定急变流。

为了减小工程量，泄槽沿程可随地形、地质边坡，但变坡次数不宜过多，而且在两种坡度连接处，要用平滑曲线连接，以免在变坡处发生水流脱离边壁引起负压或空蚀。

，当坡度由陡变缓时，需用反弧连接，流速大时宜选用较大值。

边坡位置应尽量与泄槽在平面上的变化错开，尤其不要在扩散段变坡，泄槽变坡处易遭动水压力破坏。

常用的纵坡为1%～5%，有时可达10%～15%，此工程地基为坚硬的岩基，可以陡些，取泄槽纵坡为5%；泄槽的横剖面，在岩基上
接近矩形，以使水流分布均匀，有利于下游消能。

7.5.1.2试算槽内正常水深
h 的计算（坝下游收缩断面水深） 根据《水力学》（公式10-5）可知
2
1
32A Q R i n
i=0.05 可以得出试算表
表7-5hc 试算结果
所以，下游反弧段断面正常水深hc=5.4m ，泄槽起始底板高程为1822.7m. 根据《水工建筑物》溢洪道的相关设计要求，反弧半径可采用（3～6）h （h 为校核洪水位闸门全开时反弧最低点的水深），反弧R=(28.5~57),取40m ，.圆心角=43.32°。

7.5.1.3 推算水面曲线
泄槽水面线由能量方程，用分段求和法计算：
2222112112
cos cos 22V V h h g g L i j
ααθθ-⎡⎤⎛⎫⎛⎫+-+⎢⎥
⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣
⎦
=- (7-13) 22
43
n V J R
=
(7-14)
式中：
12L -—分段长度m ；
h1、h2分段始末断面水深m ；
a1，a2，—流速分布不均匀系数取1.05； V1、V2—分段始末断面平均流速m/s ；
θ —泄槽底坡角度i=tg θ ，θ=3°；
J —分段内平均摩阻坡降； n —泄槽糙率系数n=0.014；
V —分段平均流速m/s ；
R —分段平均水力半径m 。

在水位情校核况下计算h1，取溢流堰末端断面为开始计算断面，高程为：1822.7m, 校核洪水位到该断面的水位差为： 1862.45-1822.7=39.75m
20.929.8139.725.1m/s Vc gh ==⨯⨯=
17136h 8.623325.1
c Q m BV ===⨯ 表7-3水面线推算表
由溢洪道所处地形条件可知，溢洪道泄槽变坡断面处距离上游控制断面接近234.5m，由推算结果可知溢洪道进口处断面水深为8.7m，流速为24.9m/s；泄槽变坡处断面水深为7.7m，流速为28.1m/s。

7.5.3 掺气减蚀
水流沿泄槽下泄，流速沿程增大，水深沿程减小，即水流的空化数沿程递减，经过一段流程之后，就会产生水流空化现象。

空化水流到达高压区，因空泡溃灭而使泄槽壁遭受空蚀破坏，抗空蚀措施有：掺气减蚀、优化体形、控制溢流表面的不平整度和采用抗空蚀材料等。

工程实践表明，临近固体边壁水流掺气，有利于减蚀和免蚀。

掺气减蚀的机理很复杂，水流掺气可以使过水边界上局部负压消除或减轻，有助于制止空蚀的发生，空穴内含有一定量空气成为含气型空穴，溃灭时破坏力较弱；过水边界附近水流掺气，气泡对空穴溃灭的破坏力起一定的缓冲气垫作用。

掺气设施主要包括两个部分：一是借助于低挑坎、跌坎或掺气槽，在射流下面形成一个掺气空间的装置；一是通气系统，为射流下面的掺气空间补给空气。

掺气装置的主要类型有掺气槽式、挑坎式、跌坎式、挑坎与掺气槽联合式、跌坎与掺气槽联合式、此外还有突扩式和分流墩式等，该工程选择挑坎与掺气槽联合式，其水流流态比其他的几种较好。

在掺气装置中，通过改变坎的形式和尺寸，可以改变射流下面掺气空间的范围，从而达到控制空气和水混合浓度的目的。

挑坎高度为0.2m，挑角为7°，挑坎斜面坡度为1/10。

跌坎高度一般在0.6m。

由于地形原因，需要进行一次变坡。

由缓坡变陡坡i=0.14。

中间可以用抛物
线连接。

抛物线方程按公式：
2
2
tan
(4cos)
O
x
y x
k H
θ
θ=+
式中：x,y:抛物线横纵坐标，泄槽末端为原点；
θ为上端坡角；
k：落差系数取k=1.3
H:抛物线起始断面的比能；其中H按照公式计算H=h+av2/2g;
h:抛物线起始断面的水深；
v:抛物线起始断面的平均流速，m/s;
a:动能修正系数，可以近似取1.
y=0.05x+0.00495x2,推出关于x,y的曲线坐标值
表7-3曲线坐标值推算表
变坡后的水面线推算:
S总（m）16.1 43.6 87.6 127.7 175.8
溢洪道变坡进口断面的水深难为7.5m,流速28.8m/s,出口水深为6.2m.流速34.9m/s。

7.5.4 边墙高度确定
因为水流为急流，水深沿程下降，考虑摻气水深h b=(1+ζV/100)h
安全加高取1m。

，进口断面处边墙高度h=A+h b
h b=(1+ζV/100)h+1=(1+1.2×24.9/100)×8.7+1=13m
出口断面处边墙高度h=A+h b
h b=(1+ζV/100)h+1=(1+1.2×28.1/100)×7.7 +1=12m
h b=(1+ζV/100)h+1= (1+1.2×34.9/100) ×6.2+1=10m
最终取边墙厚度取2.5m.
7.5.5 泄槽的衬砌
为了保护地基不受冲刷，岩石不受风化，泄水槽一定要做衬砌。

对衬砌的要求如下：表面要光滑平整，以防止产生负压和空蚀；分缝止水可靠，以避免高速水流侵入底板以下，产生脉动压力引起破坏；排水系统要通畅，以减小底板扬压力。

衬砌材料要能抵抗空蚀和冲刷，寒冷地区还应有一定的抗冻性。

本溢洪道为Ⅱ级溢洪道，采用混凝土衬砌。

混凝土的抗空蚀
能力强，随其抗压强度增加而增加，因此容易产生空蚀的部位应采用高强度混凝土。

衬砌厚度取0.4m 。

为了适应混凝土的变形，需要设置纵横分缝，缝距为10～15m 取20m 。

泄水槽两侧的边墙横缝布置一般与底板一致，本身不设纵缝，多在边墙接近的底板上设纵缝。

衬砌纵横缝下必须设置排水沟，且相互连通，渗水由横向排水沟集中到纵向排水沟内排向下游,管周围填满1～2cm 的卵砾石。

7.6 溢洪道消能设计
从河岸溢洪道下泄的水流流速高、能量大，必须进行有效的消能，以避免冲刷下游河床和坝脚，危急工程安全。

消能方式常用挑流和底流两种。

在土基或破碎软弱岩基上的溢洪道，一般采用底流消能。

但对泄流较小的，也可考虑采用挑流消能。

本设计，考虑采用挑流消能。

消能计算的目的是主要确定挑流射程和冲坑深度，并且确定冲刷坑是否危急主体建筑物的安全。

挑流消能反弧半径R 一般为（6～10）h ，h 为挑流鼻坎反弧最低点水深，近似取6.2m ，R 取6h ≈38m 挑角为40度。

鼻坎顶高程=1797m 。

挑距：
2111sin cos cos L v v g θθ⎡=+⎣
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缘挑距，m ；
θ——挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角，(°)；
h 1——挑流鼻坎末端法向水深，5m ；
h 2——鼻坎坎顶至下游河床高程差，m ，如计算冲刷坑最深点距鼻坎的距离，该值可采用坎顶至冲坑最深点高程差；
v 1——鼻坎坎顶水面流速，m/s ，可按鼻坎处平均流速v 的1.1 倍计。

V1=1.1x28.1=38.3m/s;L=147.2m.
冲坑最大深度为
0.50.25t Kq H = 式（7-22）
坎顶单宽流量
q=Q/b =7136/33=216.24m/s
H=1862.45-1795=67.45m 1
0.50.250.252
1.1216.2467.4546.35t Kq H m ==⨯⨯= 为了保证泄水建筑物不允许受冲坑影响，挑流消能设计应满足以下要求：
2/4~5L t H -> (7-23)
式中： H2——下游水深
2/()147.2/46.3511 4.24L t H -=-=> 满足要求。

8.1地基处理的主要要求
地基处理的主要要求是：①控制渗流，减小渗流比降，避免管涌等有害的渗流变形，控制渗流量；②保持坝身和坝基的静力和动力稳定，不产生过大的有害变形，不发生明显的不均匀沉降，竣工后，坝基和坝体的总沉降量一般不宜大于坝高的1%；③在保证坝安全运行的条件下节省投资。

8.2地基的处理
在坝趾处河床砂卵石覆盖层平均厚度5—7米，出露岩性为大红峪组石英砂岩与板状粉细砂岩互层，岩石坚硬、构造简单、渗透性小。

右岸已查明的小段层有6-7条，软弱夹层有13条；左岸山坡平缓，覆盖着31m厚的山麓堆积物，有断层一条。

河床坝基岩石构造较为发育，开挖揭露出断层40余条，其中相对较大的有10多条。

因此，在坝趾处开挖7m将河床砂卵石覆盖层清除并使河床平整并设置齿槽，对于较小的断层用用化学材料灌浆或做混凝土塞，对于较大的断层进行开挖回填混凝土处理。

8.3岸坡的处理
土坝的岸坡应清理为缓变的坡面，开挖边坡不宜太陡。

岩石岸坡不宜陡于1：0.5～1:0.75。

土坝岸坡不陡于1：1.5砂砾石坝壳部位的岸坡以维持自身岸坡稳定为原则。

8.3帷幕灌浆
帷幕深度是根据相对不透水层的位置确定的。

按《碾压式土石坝设计规范》（SL274－2001）要求，相对不透水层是按羽容值确定的。

对1 级坝相对不透水层为3～5 Lu，但考虑到黑河工程为供水工程，应尽量减少水库渗漏量，故相对不透水层按3 Lu 控制。

根据灌浆试验和规范要求确定在坝基设两排帷幕孔，排距 2 m，孔距2. 5 m。

帷幕的厚度为排距再加0.6～0.7倍的孔距，设计为3. 6 m，全长645m，帷幕深度标准控制为单位吸水率≤3 Lu，初步确定灌浆孔深为42～68m。

由于坝基1770.07m高程以下有一厚达20～30m的相对隔水层，因此帷幕下限不超过440m，左右岸坡帷幕应与地下水位衔接，左岸地下水位埋深70m 左右，右岸地下水位埋深近80m。

左岸坝肩为单排帷幕，帷幕长60m，向左接古河道防渗灌浆灌浆。

右岸坝肩为单排帷幕，帷幕长163m。