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第七章 溢洪道设计
根据地形条件，设置岸边开敞式溢洪道。溢洪道有进水渠，控制段，泄槽，出口消能段组成。溢洪道的布置和形式选择应该根据水库水文，坝址地形地质水流条件，枢纽布置，施工，管理条件以及造价等因素决定。 7.1进水渠
由于坝顶高程高于溢流堰堰顶高程，进水渠位于坝肩，垂直于坝轴线，引水渠要求水流平顺均匀，渠底高程要低于溢流堰高程。溢流堰顶高程由资料给出，是汛前水位1994.7米。根据地形取引水渠底高程为1990米。进水渠导水墙由溢流堰两侧的边墙向上游延伸而成。根据资料，导水墙高度要高过校核水位，为了考虑风浪等因素，取导水墙顶高程于大坝顶高程一致。长度取大于进水口水深的两倍。所以长度取距离大坝轴线25米，边墙厚度取2米。渠底底板用混凝土浇筑，厚度取0.5米。
7.2控制段
根据QA水库相关资料，溢流堰采用实用堰，开敞式堰面曲线按公式计算
(n?1)xn=kHdy （7.1）
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
（0.75～0.95）Hmax；对于P1<1.33Hd的低堰，则取Hd=（0.65～Hd=
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7-1
k----当P1/Hd>1.0 ,见表7-1；当P1/Hd≤1.0时，取k=2.0～2.2. 表7-1 堰面曲线参数 上游面坡厚（Δy/Δx) 3:0 3:1 3:2 3:3 k n R1 a R2 0.2Hd b 0.282Hd 0.237Hd 0.214Hd — 2.000 1.8500 0.50Hd 0.175Hd 1.936 1.939 1.873 1.8630 0.68Hd 0.139Hd 0.21Hd 1.8100 0.48Hd 0.115Hd 0.22Hd 1.7760 0.45Hd 0.119Hd — 该溢流堰上游面为铅直，查规范得n为1.85，k取2。又根据资料得，此溢流堰采用
Hmax
无闸门控制下泄流量，因而正常蓄水位即为其堰顶高程1994.7m。
为校核流量下的堰上水头，故Hmax=1998.58-1994.7=3.88m.上游堰高
P1=1994.7-1932=62.7m，知P1≥1.33Hd，故Hd=0.85Hmax=3.3m. P2≥0.5Hd，此处取为P2=0.6Hd=1.98m。
综上，该堰面曲线公式为y,=0.34x0.85.原点上游采用三圆弧曲线，查相关规范可知其三个半径：R1=0.5Hd=1.65m、R2=0.2Hd=0.66、R3=0.04Hd=0.132m。 根据资料，溢流堰与反弧连接设计一段直线，直线后接反弧段，最后反弧段连接泄槽。直线段的坡度设为为0.8。堰面下游三圆弧段与直线段的切点坐标为x=4.7,y=3.2.
溢流堰与泄槽间采用反弧曲线连接，反弧半径r=（0.25～0.5）（Hd+Zmax）(查水力学第八章堰流及堰孔出流)。其中上下游水位差Zmax =1998.58-1934.0=64.58m. r=（0.25～0.5）（Hd+Zmax）=（0.25～0.5）（3.3+64.58）=16.97～33.94m
取 r=20m
反弧曲线的上端与直线段CD相切于D点，下端与河床相切于点E点。D点、E点及反弧曲线圆心F。详见溢流堰剖面图。
7.3 泄槽形式及水力设计
泄槽包括泄槽的形式及水面曲线设计； 7.3.1、槽的形式及水面曲线设计
泄槽设计为矩形槽,根据资料,设计泄槽纵坡坡度要大与临界坡度ik.
q2ik?2khkckRk （7.2）
hk?3?q2g （7.3）
11Ck?Rk6 （7.4）
n 其中 q ----泄槽的单宽流量(m3/s); ?----动能修正系数,可以近似取1; g ----重力加速度9.81m/s2;
R----相应临界水深是的水力半径(m);【矩形断面Rk=bh/(b+2h)】
k n----糙率.
由于溢洪道布置在坝肩,开挖较大,所以岩质较好,采用混凝土浇筑衬砌泄槽边墙,边墙以上采用混凝土喷浆防护边坡,高边坡稳定采用锚杆锚索防护。
最大下泄流量取校核洪水位时369.37m3/s，Q=369.37m3/s，泄槽总宽b=20m，则单宽流量q=Q/b=18.5m3/s。故临界水深hk=3.27m。此临界水深下的Rk=2.46m。而谢齐系数Ck=68.3，代入（7.2）式，得临界坡度ik=0.003。纵坡坡度i要大于临界坡度ik，故取坡度i=0.005。
泄槽水面曲线计算:水面曲线计算按逐段试算法. ?S?EsEsd?Esu?i?ji?j?
Q2 j?2
K K?ACR Esd:下游断面比能; Esu:上游断面比能;
j:平均水力坡度; R:平均水力半径; :平均谢才系数.
C起始坡度为0.05的泄槽的水面曲线.由于地形要求,要进行一次变坡.由缓坡变陡坡.泄槽纵向坡度有缓坡变陡坡的连接曲线可以采用抛物线形式连接.抛物线方程按公式计算：见资料[3]。
x2y?xtan??k(4H0cos2?)
x,y:抛物线的横纵坐标,以上段泄槽末端衔接点为原点o;?为上段的
坡角;
k:系数,对于重要工程落差大的,可以取k=1.5,对于落差小的可以取
k=1.1-1.3;
H0:抛物线起始断面的比能;其中H0按照公式计算 H0?h??v22g
h:抛物线起始断面的水深;
v:抛物线起始断面的平均流速,米每秒;
?:动能修正系数,可以近似取1.0。
计算得抛物线起始点的高程为433.1米.水深为1.11米.流速为13.15米每秒.泄槽陡坡的坡度估算:经过计算,考虑综合因素,初步取挑坎高程为409米.计算结果陡坡坡度为0.568,取0.57.泄槽陡坡水面曲线计算如附表2。 经过计算最后泄槽末端接挑坎的地方,速度为21.74米每秒.
5.4 消能防冲段设计
由于地形要求,采用挑流消能.鼻坎采用连续坎,根据资料[3],鼻坎高程高出下游水位不小于2米,校核水位时相应下游最高水位,经过查找计算得出是406.1米,所以取鼻坎高程为409米.经过分析,采用连续坎,可以减少雾化,适用于下游岩基均匀,尾水比较深的情况.由于下游布置厂房,要求雾化小的比较好,所以选择连续坎是很有利的.
5.4.1、溢洪道沿程水头损失和局部水头损失
沿程水头损失按资料[10],公式 v?cRJ；
lv2 hf??4R2g；
??0.3161;
Re411 c?R6；
n Re:雷若数,明渠河道取500; R:取平均值;
L:沿程长度,经过估算取183米;
经过计算得λ=0.067;R=1.059;谢才系数c=67.31;水力坡降J=0.031; 速度v=12.196米每秒.沿程水头损失hf=21.966米.局部水头损失,由于流速较大,沿程水头损失较大,溢流堰与泄槽有个反弧段和连接段会产生局部水头损失,由缓坡变化到陡坡会产生一点局部水头损失,但是都不是很大,由于资料短缺,取沿程水头损失的百分之五,所以计算得损失1米.所以溢洪道水头损失总的为22.966米.取23米. 5.4.2、水舌设计
水舌长度按公式计算：见资料[3]。
v2L?cos?(sin??sin2??2g(h1?h2)/v12)
g L: 自挑坎顶算起的挑流水舌外缘与下游水面的水平距离，米； L~:冲坑最深点到挑坎坎顶的水平距离，米；
V1：坎顶水面流速，米每秒，按挑坎处断面平均流速v的1.1倍计算； θ：挑坎角度；
h1：坎顶铅直方向的水深，h1按照公式计算
h1?h； cos?h为坎顶法向平均水深。H2坎顶到下游水面的高差。当计算l?时可算
到坑底；
g：重力加速度； T：冲坑深度。 下游冲刷坑深度按公式计算：
t?kq0.25H0.25
T: 自下游水面到坑底的最大水垫深度，米，当t< h2时，t采用h2； Q：坎顶单宽流量，立方米每秒米； H：上下游水位差；
k：冲刷系数。取k为1.1。
水头损失估算法设计消能段：由校核的情况下总水头是39.71米，损失水头23米，估算得鼻坎处平均速度为v=18.1米每秒。经过计算得h2=2.5米；坎顶水面流速v=19.91米每秒。所以法向水深为h=0.73米。根据资料[7]，取挑角θ=20度，则坎顶铅直方向水深h1=0.777米。水舌长度为33米。挑坎的反弧半径一般取（8-10）h，h为坎顶水深。取半径为10倍h，所以半径为7.3米，取7米。h=42.21米，坎顶单宽流量q=20米每秒，冲坑深度t=12.54米。河床比降为千分之八。挑坎位于坝轴线下游约150米处。坝轴线河床高程为400米，挑坎处河床高程为398.8，取399米。计算得冲坑深度为4.84米。
利用水面曲线求消能段参数：由水面曲线求出泄槽末端的流速为21.74米每秒。考虑鼻坎处流速稍微大一点，取鼻坎处流速为22米每秒，可以求出坎顶水面流速为24.2米每秒，坎顶横断面积为10.9平方米，坎顶法向平均水深为0.6米，坎顶铅直方向水深为0.64米。