2.4 溢洪道设计和计算根据中华人民共和国行业标准《溢洪道设计规范》（SL253—2000）（该规范适用于大、中型水利水电工程中岩基上的1、2、3级河岸式溢洪道），对溢洪道进行计算和设计。

该工程中，河岸式溢洪道由进水渠、控制段、泄槽、消能防冲段及出水渠组成。

2.4.1 进水渠和控制段的设计2.4.1.1 溢洪道的水力计算由正常、设计、校核洪水位时所对应的下泄流量查坝址（厂址）水位流量关系曲线可得出相应的下游水位，并与上游水位相减得出上下游水头差，并以此列表。

表4、溢洪道水力计算成果表2.4.1.2控制段的设计控制段包括溢流堰及两侧连接建筑物。

堰型可选用开敞式或带胸墙孔口式的实用堰、宽顶堰、驼峰堰等型式。

开敞式溢流堰有较大的超泄能力，宜优先选用。

宽顶堰结构构简单，施工方便，但流量系数低故不选用。

实用堰需要的溢流前缘较短，工程量相对较小，但施工较复杂也不选用，而驼峰堰的堰体低，流量系数较大，设计与施工简便，对地基要求低，所以工程设计中采用驼峰堰，并且在两侧设置边墙。

2.4.1.3 控制段的计算采用的驼峰堰为低堰，且开敞式堰面，根据《溢洪道设计规范》（SL253—2000）中，对于1 1.33d P H <的低堰，堰面曲线定型设计水头max (0.650.85)d H H =，则选用中间值0.75，其中max H 为校核流量下的堰上水头（校核水位与堰顶水头之差）为12.42m ，最后得出设计水头d H 为9.315m 。

根据《溢洪道设计规范》中驼峰堰堰面曲线图（（A.1.5）驼峰堰剖面示意图）及表（（A.1.5）驼峰堰体型参数），选用a 型，得出了该工程中驼峰堰的剖面尺寸。

表5、驼峰堰的剖面尺寸示意图且得到堰底高程，即堰顶高程与上游堰高之差，为122m —2.24m=119.76m 。

2.4.1.4进水渠的设计图2 驼峰堰剖面示意图根据《溢洪道设计规范》（SL253—2000），进水渠的布置应依照下列原则：选择有利的地形、地质条件；在选择轴线方向时，应使进水顺畅；进水渠较长时，宜在控制段之前设置渐变段，其长度视流速等条件确定，不宜小于2倍堰前水；渠道需转弯时，轴线的转弯半径不宜小于4倍渠底宽度，弯道至控制堰（闸）之间且有长度不小于2倍堰上水头的直线段。

并且，进水渠的长度应尽量减少，以减少进水渠的水头损失，。

进水渠的横断面在岩基上接近矩形，边坡根据岩层条件确定，新鲜岩石采用1:0.11:0.3，风化岩石采用1:0.51:1.0，在设计基本资料中可知进水渠地质条件良好，则采用1：0.5作为边坡开挖坡度。

进水渠的水力计算先确定进水渠的底宽。

分为设计、校核洪水情况下的渠底宽度。

采用公式：q V A =⨯，其中()(0.5)A B mH H B H H =+=+，H 为溢流堰的堰前水深。

引水渠中的水流流速V 应大于悬移质不淤流速，小于渠道的不冲流速，根据《溢洪道设计规范》（SL253—2000）进水渠设计流速宜采用35m/s ，取 V=4m/s 。

采用梯形断面，底坡采用平底坡，边坡采用0.5m =。

计算结果列表如下：表6、溢洪道引水渠断面计算表均为60m 。

弯段半径采用4倍渠底宽度，即4460240R B m ==⨯=，控制堰前的直线段采用2.5倍堰前水头，则该长度为 2.5(133.65122)29.12L m =⨯-=，则取该段长为32m 。

2.4.1.5 控制段的水力计算根据《水工建筑物》课本中闸墩和工作桥的规定，弧形闸门闸墩的最小厚度为1.5 2.0m m ，如果是缝墩，要增加0.5 1.0m m 。

由于采用弧形闸门则设计闸墩厚度为3m ，又因共四孔每孔净宽12m ，则边墩厚度为60412333m -⨯-⨯=。

根据《溢洪道设计规范》（SL253—2000）中附录A （水力设计计算公式），开敞式WES 型实用堰的泄流能力的公式320s Q m εσ=，O H 为包括行近流速水头的堰上水头，B 为全部闸孔净宽，自由出流则1s σ=，且采用a 型驼峰堰，10.24P H ≤，则流量系数0.65710.3850.171()p m H =+，闸墩侧收缩系数[]0010.2(1)k H n nbεζζ=-+-，分别代入1 2.24P =，n=4，b=12m 可得0.65702.240.3850.171()m H =+，[]010.2348k H εζζ=-+。

同理，根据规范在中墩的形状设计中，由图（（A.2.1—1）中墩形状示意图），选定闸墩伸出堰长度0u L =，中墩形状选为尖圆形并且00.75s hH ≤，查表（（A.2.1—3）中墩形状系数），0ζ为0.25。

在边墩形状设计中，根据图（（A.2.1—2）边墩形状示意图）中，边墩形状选为流线形，边墩形状系数k ζ为0.4。

代入闸墩侧收缩系数中得出[]000.2310.20.430.2514848H H ε=-+⨯=-。

图3 闸墩形状示意图在设计洪水位时水力计算(下泄流量为3380m3/s,)由32sQ mεσ=及0.23148Hε=-及0.6572.240.3850.171()mH=+假设堰上水头进行试算。

且由于堰顶最大水头为max11.65H m=，则假设的堰上水头应小于该水头。

先设11.5H m=，求出相应的m,ζ,再反代入泄流能力Q中解出在设计洪水位下泄流量下对应的水头是否与假设相成立。

不等舍去，直到相等，最后试算得11.276H m=。

再求堰前水深及断面平均流速。

堰前水深2012Vh H Pg=+-，代入12.24P m=得213.15619.6Vh=-，连立流速公式23380600.5Q QVW bh mh h h===++，再进行试算。

先假设流速v（从4v=m/s开始），代入h中，再把h反代入流速公式中，看是否与假设相符，经过一系列试算假设得出断面平均流速为 4.01m/s，堰前水深12.696h m=。

在校核洪水位时水力计算(下泄流量为3720.5m3/s,)由32sQ mεσ=及0.23148Hε=-及0.6572.240.3850.171()mH=+假设堰上水头进行试算。

且由于堰顶最大水头为max12.42H m=，假设的堰上水头应小于该水头。

先假设12H m=，求出相应的m,ζ,再反代入泄流能力Q中解出在校核洪水位下泄流量下对应的水头是否与假设相成立。

不等舍去，直到相等，最后试算得12.1H m=。

再求堰前水深及断面平均流速。

堰前水深2012V h H P g=+-，代入 1 2.24P m =得214.3419.6V h =-，连立流速公式23720.5600.5Q Q V W bh mh h h===++，再进行试算。

先假设流速v （从4v =m/s 开始），代入h 中，再把h 反代入V 中，看是否与假设相符，经过一系列试算假设得出断面平均流速为 4.14m/s ，堰前水深13.465h m =。

2.4.2 泄槽的设计及水力计算泄槽的设计泄槽设计时要根据地形、地质、水流条件、与经济等因素合理确定其形式和尺寸。

泄槽是宣泄过堰洪水的，槽底布置在基岩上，断面必须为挖方地段，且要工程量最小，坡度不宜太陡，为适应地形条件、地质条件、泄槽分为直线段和收缩段，收缩段角度11.25o θ≤。

根据《溢洪道设计规范》中附录A （水力设计计算公式）中的A.3泄槽水力计算规范，泄槽边墙收缩段角度可按照经验公式1tg kFr θ==，其中k 为经验系数，即为3.0。

收缩段首、末断面的平均水深h 即为临界水深k h =其中，单宽下泄流量q==校核洪水位时的下泄流量/溢流堰总净宽=77.5m/s ，代入解得8.495k h m =。

最后由流速公式9.12kQV Bh ==m/s 以及平均弗劳德数0.9996r F ==代入θ的经验公式得18.411.25o o θ=>，符合条件。

根据拟建工程，收缩段角度选为11o θ=，首端底宽与控制堰同宽即为60m ，末端底宽定为40m ，断面为矩形，则收缩段长度为121604051.142211ob b L m tg tg θ--===，为安全考虑早定155L m =，底坡角度定为8度，即80.14o i tg ==。

直线段接收缩段，断面为矩形，宽b=40m ，长2200L m =，底坡与收缩段相同，均为0.14。

2.4.2.1泄槽的水力计算引水渠末端的水力计算根据公式k k Q q B =，k h =，k k k A B h =，2k k X h B =+，161k C R n =，2kk k Kgx i C B =，由《水力学》中对粗糙系数的规定，混凝土衬砌且表面状态良好时0.019n =。

可列表如下：可知渐变段0.14k i i =>，故属陡坡急流，槽内形成b Ⅱ型降水曲线，属明渠非均匀流计算。

2.4.2.2 收缩段水面线计算渐变段中首端断面水深为临界水深，末端断面即断面2，此时渠底宽度240B m =。

根据渐变段计算中1k h h =，1111,,,k k k k q q A A x x R R ====，k kQ q B =，k h =k k k A B h =，2k k X h B =+，161k C R n =，2k k k K gx i C B =并且2,2V E h g α=+通过假设末端断面2h 进行试算，列出溢洪道渐变段水面曲线计算表。

直至12f E iL E h +=+结束试算。

2.4.2.3 直线段的水面线计算该直线段断面为矩形，宽为40m ，长200m ，i=0.14m ，同理，由引水渠末端的水力计算公式，列表计算。

可知渐变段0.14k i i =>，故属陡坡急流，槽内形成b Ⅱ型降水曲线，属明渠非均匀流计算。

直线段末端水深（正常水深o h ）也采用试算法得出。

先假设o h ，依据宽度40m 依次推得000000,,,,,,A X R C K Q 直到0Q 与实际下泄流量相等即可。

最后经试算，可得泄槽直线段正常水深计算。

表11、泄槽直线段正常水深计算最后得出直线段末端正常水深0 2.51h m =，校核洪水位时为0 2.67h m =。

设计洪水位时的情况其水面线计算采用分段求和法，按水深进行分段，各个断面相差0.5m 左右。

在设计洪水位时，渐变段末端正常水深2 5.47h m =，直线段末端正常水深0 2.51h m =，且由22002,2,,2S s E v V E h X b h J L g i J C Rα∆=+=+=∆=-，最后累积L ∆一直到202.79L m ∑=，与设计的长L=200m 相近为止，并列出设计洪水位时泄槽直线段水面曲线计算表。

校核洪水位时的情况其水面线计算采用分段求和法，按水深进行分段，各个断面相差0.5m 左右。