水土保持治沟骨干工程溢洪道设计.docx
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水土保持治沟骨干工程溢洪道设计
水土保持治沟骨干工程
溢洪道设计
主要内容：
1、调洪演算
2、溢洪道布置
3、水力设计
4、建筑物结构设计
5、设计实例
一、调洪演算
采用公式：
｛
qp＝Qp（1－
）
qp＝MBh1.5
式中：
qp—溢洪道最大下泄流量（m3/s）
Qp—设计洪峰流量（m3/s）
Wp—设计洪水总量（万m3）
Vt—调节库容（万m3）
M—溢洪道（宽顶堰）流量系数取1.5
B—溢洪道底宽（m）
H—溢洪道水深（m）
进行调洪，先假设一个滞洪水深，可从库容曲线上查得总库容，由此减去起调水位以下的库容（死库容），即得调节库容，再用上述公式可计算得溢洪道底宽。
列表如下：
调洪演算结果表
项目
水位H（m）
滞洪水深h（m）
V淤
V调
W总
Q泄
b
q′
设
计
情
况
校
核
情
况
通过粗调，可确定溢洪道的底宽，也可大致确定滞洪水深和溢洪道的下泄流量。
根据溢洪道宽B，及qp＝MBh1.5设不同h，求qp，并利用库容曲线，查出与h相应的H总和V总，然后在库容曲线上方绘制H—qp曲线。
H—qp曲线表
h溢
q溢
H总
V总
0
0.5
有了以上条件，就可以根据某一时段内进库水量与出库水量之差，求得该时段内库水量增减的变化过程，基本公式如下：
ΔV＝
Δt－
Δt＝
（S1＋S2）Δt＝SΔt
式中：
ΔV—Δt时段内库水量增减量（增为正）（m3/s）；
Δt—时段历时（s）；
Q1、Q2——时段始末进库流量（m3/s）；
q1、q2——时段始末溢洪道泄量（m3/s）；
S1、S2——为上、下时段蓄水率（m3/s）
S——为平均蓄水率
时段
时段历时
Δt
（s）
入库流量
Ｑ
（m3/s）
出库流量
q
（m3/s）
蓄水率
S
（m3/s）
平均
蓄水率
（m3/s）
库容
增减
（万m3）
时段末
库容
（万m3）
时段末
水位
（m）
0
1
2
3
说明：
1、表中①、、③栏由洪水过程线中抄来；
2、先假设④栏，则⑤=③-④，由此可以算出⑥，⑦=⑥×②，⑧=死库容+⑦，由⑧查库容曲线可得出⑨；
3、由⑨查H—qp曲线得出q，若与假设④一致，试算完，若不一致，则应重新假设④，重复上述计算，至相符为止。
4、试算当ΔV出现负值时，详调结束。
二、溢洪道布置
1、一般规定
●溢洪道布置包括进水渠，控制段，泄槽，消能防冲设施及出水渠。
●溢洪道的布置应根据地形，地质，工程特点，枢纽布置，坝型，施工及运用条件，经济指标等综合因素进行全面考虑。
●溢洪道布置应结合枢纽总体布置全面考虑，避免放水建筑物在布置上的相互干扰。
●溢洪道布置应合理选择泄洪消能布置和型式，出口水流应与下游河道平顺连接，避免下泄水流对坝址下游、河床和岸坡的严重淘刷，保证枢纽其它建筑物的正常运行。
●溢洪道的位置应选择有利的地形和地质条件布置在岸边或垭口，并宜避免开挖而形成高边坡。
●当两岸坝肩山势陡峻而布置上又需要较大的溢流前缘宽度时，可采用侧槽式或其他型式的进口。
●溢洪道进、出口的布置，应使水流顺畅。
●溢洪道轴线宜取直线。
如需转弯时，宜在进水渠或出水渠段内设置弯道。
●当溢洪道靠近坝肩布置时，其布置及泄流不得影响坝肩及岸坡的稳定。
2、进水渠
●进水渠的布置应遵循下列原则：
1）选择有利的地形，地质条件。
2）在选择轴线方向时，应使进水顺畅。
3）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倍堰前水深。
4）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）之间宜有长度不小于2倍堰上水头的直线段。
●进水渠进口布置应因地制宜，使水流平顺入渠，体型宜简单。
●当进口布置在坝肩时，靠坝一侧应设置顺应水流的曲面导水墙，靠山一侧可开挖或衬护成规则曲面。
●当进口布置在垭口面临水库时，宜布置成对称或基本对称的喇叭口型式。
●进水渠底宽顺水流方向收缩时，进水渠首，末端底宽之比宜在1.5~3之间，在与控制段连接处应与溢流前缘等宽。
底板宜为平底或不大的反坡。
●基岩上的进水渠渠底可不衬护。
当水头损失较大或不满足不冲流速要求时，是否衬护，应通过经济比较确定。
●当岩性差时，应进行衬护。
●进水渠的直立式导墙的平面弧线曲率半径不宜小于2倍渠道底宽。
导墙顺水流方向的长度宜大于堰前水深的2倍，导墙墙顶高程应高于泄洪时最高库水位。
●紧靠土石坝坝体的进水渠，其导墙长度以挡住大坝坡脚为下限。
距控制段2倍堰前水深距离以内的导墙，其墙顶应高出泄洪时最高库水位；2倍堰前水深长度以远的导墙，可设置为下潜式，其墙顶应超出坝面适当高度。
3、控制段
控制堰的型式应根据地形，地质条件，水力条件，运用要求，通过技术经济综合比较选定。
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。
侧槽式溢洪道的侧堰可采用实用堰，堰顶可不设闸门。
侧槽断面宜采用窄深式梯形断面。
靠山一侧边坡可根据基岩特性确定，靠堰一侧边坡可取1∶0.5—1∶0.9。
当溢洪道紧靠坝肩时，控制段的顶部高程应与大坝坝顶高程协调一致。
4、泄 槽
在选择泄槽轴线时，宜采用直线。
当必须设置弯道时，弯道宜设置在流速较小，水流比较平稳，底坡较缓且无变化的部位。
泄槽在平面上设置弯道时，宜满足下列要求：
1） 横断面内流速分布均匀。
2） 冲击波对水流扰动影响小。
3） 在直线段和弯段之间，可设置缓和过渡段。
4） 为降低边墙高度和调整水流，宜在弯道及缓和过渡段渠底设置横向坡。
5） 矩形断面弯道的弯道半径宜采用6~10倍泄槽宽度。
泄量大，流速高的泄槽，弯道参数宜通过水工模型试验确定。
泄槽的纵坡，平面及横断面布置，应根据地形，地质条件及水力条件等进行经济技术比较确定。
1） 泄槽纵坡宜大于水流的临界坡。
当条件限制需要变坡时，纵坡变化不宜过多，且宜先缓后陡。
2） 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。
5、消能防冲设施
溢洪道消能防冲设施的型式应根据地形，地质条件，泄流条件，运行方式，下游水深及河床抗冲能力，消能防冲要求，下游水流衔接及对其他建筑物影响等因素，通过技术经济比较选定。
河岸式溢洪道可采用挑流消能或底流消能，亦可采用面流，戽流或其他消能型式。
挑流消能可用于岩石地基的高，中水头枢纽。
溢洪道挑流消能设施的平面型式可采用等宽式，扩散式，收缩式.挑流鼻坎可选用连续式，差动式和各种异型鼻坎等。
6、出水渠
当溢洪道下泄水流经消能后不能直接泄入河道而造成危害时，应设置出水渠。
选择出水渠线路应经济合理，其轴线方向应顺应下游河势。
出水渠宽度应使水流不过分集中，并应防止折冲水流对河岸有危害性的冲刷。
三、水力设计
对于骨干坝而言，溢洪道水力设计主要包括如下内容：
1泄流能力计算。
2水面线计算。
3消能防冲水力设计。
4弯道水力计算。
溢洪道的水力设计应满足下列要求：
1泄流能力必须满足设计和校核工况下所要求的泄量。
2体型合理，简单，水流平顺，稳定，并避免发生空蚀。
3下泄水流不得影响坝肩及岸坡的稳定。
（一）进水渠
进水渠水力设计应使渠内水流平顺，稳定，水面波动及横向水面比降小，并应避免回流和漩涡。
进水渠中的设计流速应大于悬移质不淤流速，小于渠道不冲流速，且水头损失较小。
渠道设计流速一般控制在3~5m/s。
渠道水面线可由引水渠首部到位于堰前3~5倍堰上水头处的控制断面之间建立能量方程，用试算法计算。
（二）泄槽
泄槽段的水力设计，应根据布置和最大流量计算诸水力要素，确定水流边壁的体型，尺寸及需要采取的工程措施。
泄槽段的水面线，应根据能量方程用分段求和法计算，计算中应正确确定起始计算断面及其水深。
计算公式：
E1＋iL＝E2＋hf
E1＋iL＝h1＋
E2＝h2＋
hf＝
对于大陡坡而言，陡坡起始水深近似为临界水深。
泄槽段底坡变化处，应采用曲线连接：
当底坡由缓变陡时，可采用抛物线连接，抛物线方程可按下式计算：
式中x，y—以缓坡泄槽段末端为原点的抛物线横，纵坐标，m；
θ—缓坡泄槽底坡坡角，（°）；
Ho—抛物线起始断面比能，m；
h—抛物线起始断面水深，m；
v—抛物线起始断面流速，m/s；
a—流速分布不均匀系数，取a＝1.0；
K—系数，对于落差较大的重要工程，取K＝1.5，对于落
差较小者，取K＝1.1~1.3。
当底坡由陡变缓时，可采用圆弧连接，圆弧半径R可采用3~6倍变坡处的断面水深h，流速大者宜取用大值。
泄槽段边墙高度，应根据计入波动及掺气后的水面线，再加上0.5~1.5m的超高。
对于收缩（扩散）段，弯道段等水力条件比较复杂的部位，宜取大值。
（三）消能防冲
●底流消能
底流消能防冲的水力设计，应满足下列要求：
1保证消力池内形成低淹没度稳定水跃，并应避免产生两侧回流。
2消力池宜采用等宽的矩形断面。
3护坦上是否设置辅助消能工，应结合运用条件综合分析确定。
当跃前断面平均流速超过16~18m/s时，池内不宜设置趾墩，消力墩等辅助消能工。
底流消能的水力设计，应对各级流量进行计算，确定池底高程，池长及尾坎布置等。
消力池两侧边墙高度，可根据跃后水深加适当超高确定。
对于不设辅助消能工的消力池水力计算，按水利部《规范》公式进行计算。
消力池跃后水深计算：
h2′＝
（
－1）
消力池长度计算：
Lk＝（3~5）h2′
消力池深度的确定：
d＝1.1h2′－hs
式中hs—为紧接消力池出口的下游沟道水深，可根据下游沟道断面（一般近似按梯形断面考虑）利用明渠均匀流公式试算得出，土基糙率系数取0.04。
●挑流消能
挑流消能水力设计，应对各级流量进行系列计算。
挑流水舌抛距，按下式计算：
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缘挑距，m；
θ—挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角，（°）；
h1—挑流鼻坎末端法向水深，m；
h2—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；
v1—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。
关于鼻坎平均流速v，可按下列两种方法计算：
1、按流速公式计算。
适用范围，S＜18q2/3：
式中v—鼻坎末端断面平均流速，m/s；
Zo—鼻坎末端断面水面以上的水头，m；
φ—流速系数；
hf—泄槽沿程损失水头，m；
hj—泄槽各项局部损失水头之和，m，可取hj/Z0为0.05；
S—泄槽流程长度，m；
q—泄槽单宽流量，m3/（s.m）
2、按推算水面线方法计算
鼻坎末端水深可近似采用泄槽末端断面水深，按推算泄槽段水面线方法求出；单宽流量除以该水深，可得鼻坎断面平均流速。
冲刷坑最大水垫深度按下式计算：
式中T—自下游水面至坑底最大水垫深度，m；
q—鼻坎末端断面单宽流量，m3/（s.m）；
Z—上，下游水位差，m；
k—综合冲刷系数，0.8~1.8
安全挑距，水舌入水宽度，允许最大冲坑深度的确定，应以不影响鼻坎基础，两岸岸坡的稳定及保证相邻建筑物的安全为原则。
冲刷坑上游坡度，应根据地质情况确定，宜在1:
3~1:
6之间选用。
同时，还应考虑贴壁流和跌流的冲刷及其防护措施。
挑流鼻坎段反弧半径R可采用反弧最低点最大水深h的6~12倍。
对于泄槽底坡较陡，反弧段内流速及单宽流量较大者，反弧半径宜取大值。
挑流鼻坎挑角，应经比较选定，可采用15°~35°。
当采用差动式鼻坎时，应合理选择反弧半径，高低坎宽度比，高程差及挑角差。
亦可视需要采用通气孔等减蚀措施。
四、建筑物结构设计
•进水渠底需要衬护时，可采用混凝土护面，浆砌块石或干砌块石等
•进水渠底板衬护厚度可按构造要求确定，混凝土衬砌厚度可取为30cm，浆砌块石衬砌厚度可取为40cm。
•控制堰（闸）的结构型式，可采用分离式或整体式。
分离式适用于岩性比较均匀的地基，整体式适用于地基均匀性较差的情况。
•分离式底板，必要时应设置垂直水流向的纵缝，缝的位置和间距应根据地基，结构，气候和施工等条件确定。
•分离式底板的横缝（顺水流向），根据应力传递要求可选用铅直式，台阶式，倾斜式或键槽式。
•控制段范围内的结构缝，均应设置止水设施。
•泄槽底板的厚度，应考虑溢洪道的规模及其与坝的相对位置，沿线的工程地质和水文地质条件，水力特性，气候条件，水流中挟沙情况等因素，并根据类似工程经验进行类比确定。
泄槽底板的厚度不应小于0.3m。
•泄槽底板可采取防渗，排水，止水，锚固等必要的工程措施。
•泄槽底板应设置结构缝，其位置应满足结构布置要求。
分块尺寸应考虑气候特点，地基约束情况，混凝土施工（特别是温控）条件，比照类似工程经验确定，其纵，横缝间距可采用10~15m。
•泄槽底板的纵，横缝一般可采用平缝。
当地基不均匀性明显时，横缝宜采用半搭接缝，全搭接缝或键槽缝。
•溢洪道泄槽底板的纵，横缝（包括与相邻建筑物的分缝），宜设止水。
•溢洪道进水渠，控制段，泄槽，挑流鼻坎及消力池的两侧挡土或不挡土的导墙，边墙或贴坡式边墙（以下统称为边墙），宜设置结构缝与底板分开。
根据实际情况，控制段，泄槽，挑流鼻坎，消力池的边墙也可与底板连成整体。
•边墙结构缝间距可取10~15m，有防渗要求时，缝中应设置止水。
•重力式边墙顶宽应不小于0.5m。
可利用渠槽底板的一部分作为前墙趾。
在挖方渠道中可采用衡重式边墙。
•进水渠边坡设置贴坡式边墙或护坡时，可根据水流及地质条件分别采用喷水泥砂浆，喷混凝土，干砌块石，浆砌块石和混凝土衬砌等型式，其厚度按结构要求确定。
•泄槽和鼻坎段的贴坡式边墙，可采用混凝土衬砌，其厚度不宜大于相应部位底板的厚度，最小厚度应满足施工要求。
•消力池贴坡式边墙的厚度宜按计算并结合工程经验类比确定。
明渠的最小允许流速为0.4m/s，暗沟（管）的最小允许流速为0.75m/s。
在水深0.4m~1.0m时按表1选定，在此水深范围外的允许值，按照表2进行修正。
表1明渠的最大允许流速
明渠类别
允许最大流速
明渠类别
允许最大流速
亚砂土
0.8
粘土
1.2
亚粘土
1.0
草皮护坡
1.6
干砌片石
2.0
水泥混凝土
4.0
浆砌片石
3.0
表2最大允许流速的水深修正系数
水深h（m）
H＜0.40
0.40＜h≤1.00
1.00＜h＜2.00
H≥2.00
修正系数
0.85
1.00
1.25
1.40
五、设计实例
某骨干坝控制集雨面积为3.21km2，区域属黄土丘陵沟壑区，年侵蚀模数为8600t/km2。
设计枢纽组成为“三大件”，设计洪水标准按20年一遇设计，200年一遇校核，设计淤积年限20年。
据当地水文气象资料，计算得暴雨洪水及年来沙量如下：
坝
名
控制面积
（km2）
暴雨（mm）
洪峰（m3/s）
洪量（万m3）
年来沙量
（万m3）
H10%
H5%
H0.5%
Q10%
Q5%
Q0.5%
W10%
W5%
W0.5%
东山沟
3.21
105
129.6
210.6
38.84
47.94
77.91
8.03
13.06
34.67
2.045
根据设计淤积年限算得淤积库容为40.9万m3。
当地沟底高程为1340m，由库容曲线查得淤积高程为1358.90m。
1计洪水过程线的计算
1.1洪水总历时，采用下式：
T＝12
式中：
T——设计洪水总历时（h）；
Wp——设计洪水总量（万m3）
Qp——设计洪峰流量（m3/s）
由此算得：
设计情况洪水历时：
T1＝3.27h，
校核情况洪水历时：
T2＝5.34h，
1.2洪水过程线计算
采用公式：
纵座标Qi＝Y×Qp横座标Ti＝x×T
按晋Q834－85《规范》表3─3X、Y比例计算洪水过程线如下表：
设计洪水过程线：
分段
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Ti
0
0.16
0.33
0.49
0.65
0.82
0.98
1.31
1.64
1.96
2.29
2.62
2.94
3.27
Qi
0
0.48
3.84
12.94
32.60
47.94
37.40
17.74
8.63
4.31
1.92
0.96
0.48
0
校核洪水过程线：
分段
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Ti
0
0.27
0.53
0.80
1.07
1.33
1.60
2.14
2.67
3.20
3.74
4.27
4.81
5.34
Qi
0
0.78
6.23
21.03
52.98
77.91
60.77
28.83
14.02
7.01
3.12
1.56
0.78
0
2调洪演算
根据该坝的应运要求确定溢洪道底高程为设计淤积高程，即1358.90m。
设计洪水Q5%＝47.94m3/s，W5%＝13.06万m3，
校核洪水Q0.5%＝77.91m3/s，W0.5%＝34.67万m3
采用公式：
｛
qp＝Qp（1－
）
qp＝MBh1.5
式中：
qp—溢洪道最大下泄流量（m3/s）
Qp—设计洪峰流量（m3/s）
Wp—设计洪水总量（万m3）
Vt—调节库容（万m3）
M—溢洪道（宽顶堰）流量系数取1.5
B—溢洪道底宽（m）
H—溢洪道水深（m）
粗调结果列表如下：
调洪演算结果表
项目
水位H（m）
滞洪水深h（m）
V淤
V调
W总
Q泄
b
q′
设
计
情
况
1360.40
1.500
40.90
9.41
50.31
13.40
4.86
2.76
1360.42
1.520
40.90
9.54
50.44
12.93
4.60
2.81
1360.37
1.570
40.90
9.88
50.78
11.68
3.96
2.95
1360.50
1.600
40.90
10.08
50.98
10.94
3.61
3.04
校
核
情
况
1361.40
2.500
40.90
16.36
57.26
41.14
6.94
5.93
1361.70
2.800
40.90
18.56
59.46
36.19
5.15
7.03
1362.00
3.100
40.90
20.42
61.32
32.01
3.91
8.19
1362.00
3.100
40.90
20.79
61.69
31.18
3.81
8.19
经过粗调，选用溢洪道底宽B＝4m。
设计情况：
Q泄＝11.68m3/s，
h滞＝1.57m，H设＝20.37m，Vt＝9.88万m3，W总＝63.78万m3。
校核情况：
Q泄＝32.01m3/s，h滞＝3.1m，H校＝22.0m，Vt＝20.42万m3，W总＝61.32万m3。
根据溢洪道宽B＝4m，及qp＝MBh1.5＝1.5×4×h1.5＝6h1.5
设不同h，求qp，并利用库容曲线，查出与h相应的H总和V总，然后在库容曲线上方绘制H—qp曲线，见库容曲线图。
H—qp曲线表
h溢
q溢
H总
V总
0
0
1358.9
40.90
0.5
1.41
1359.4
43.85
1
4.00
1359.9
47.64
1.5
7.35
1360.4
51.45
2
11.31
1360.9
55.29
2.5
15.81
1361.4
59.12
3
20.78
1361.9
62.95
3.5
26.19
1362.4
66.78
4
32.00
1362.9
70.61
有了以上条件，就可以根据某一时段内进库水量与出库水量之差，求得该时段内库水量增减的变化过程，基本公式如下：
ΔV＝
Δt－
Δt＝
（S1＋S2）Δt＝SΔt
式中：
ΔV—Δt时段内库水量增减量（增为正）（m3/s）；
Δt—时段历时（s）；
Q1、Q2——时段始末进库流量（m3/s）；
q1、q2——时段始末溢洪道泄量（m3/s）；
S1、S2——为上、下时段蓄水率（m3/s）
S——为平均蓄水率
详调结果如下：
设计情况洪水调节计算表
时段
时段历时
Δt
（s）
入库流量
Ｑ
（m3/s）
出库流量
q
（m3/s）
蓄水率
S
（m3/s）
平均
蓄水率
（m3/s）
库容
增减
（万m3）
时段末
库容
（万m3）
时段末
水位
（m）
0
40.90
1358.90
1
588.61
0.48
0
0.48
0.240
0.014
40.912
1358.91
2
588.61
3.84
0.06
3.78
2.127
0.125
41.037
1358.92
3
588.61
12.94
0.27
12.67
8.23
0.484
41.52
1359.01
4
588.61
32.60
0.86
31.74
22.21
1.307
42.83
1359.22
5
588.61
47.94
2.22
45.72
38.73
2.280
45.11
1359.60
6
588.61
37.40
4.39
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