溢洪道水面线水力计算

1.基本资料1.1 水文规划资料根据调洪计算成果，后胡水库溢洪道消能防冲按30年一遇洪水标准设计，其相应下泄流量为204m3/s，50年设计洪水其相应下泄流量为234.5m3/s。

1000年洪水校核，其相应下泄流量为651.7m3/s。

1.2 溢洪道现状溢洪道位于大坝左岸，为开敞式，进口高程153.50m，下游河底高程136.00m，总落差17.50m，溢洪道总长457.4m，最大泄量651.7m3/s。

现状溢洪道一级明渠段右岸边坡进行了护砌，左岸边坡未防护，一级陡坡以下工程均未修建。

2. 设计标准本次设计溢洪道轴线结合工程现状布置进行布置，溢洪道总长度为396.581m，底宽28.0m。

溢洪道工程共分9个部分，具体设计如下。

1、进水渠段位于溢洪道桩号0+000～0+038.8之间，总长38.8m，底宽28.0m，底坡为-1/1000，底部不护砌。

进水渠段右岸边坡维持现状护坡不变，左岸采用M7.5浆砌石护坡，厚30cm，坡度为1：1。

2、控制段位于溢洪道桩号0+038.8～0+058.8之间，总长20m，底宽28.0m，底坡为平坡，采用M7.5浆砌石护底，厚30cm。

控制段右岸边坡维持现状护坡不变，左岸采用M7.5浆砌石护坡，厚30cm，坡度为1：1。

3、一级明渠段位于溢洪道桩号0+058.8～0+148之间，总长89.2m，底宽28.0m，底坡1/1000，底部在桩号0+138.8～0+148之间采用M7.5浆砌石护底，厚30cm，其余不护砌。

明渠段右岸边坡桩号0+058.8～0+076之间维持现状护坡不变；右岸桩号0+076～0+148采用M7.5浆砌石护坡，厚30cm，坡度为1:1。

明渠段左岸桩号0+058.8～0+148之间采用M7.5浆砌石护坡，厚30cm，坡度为1：1。

4、一级陡坡段位于溢洪道桩号0+148～0+198之间，长50m，底宽28m，为梯形断面，底坡1/5，落差7.85m。

溢洪道水面线水力计算溢洪道水面线水力计算是指在溢洪道工程设计中，对溢洪道水面的高程进行计算和确定的过程。

溢洪道水面线水力计算是设计溢洪道工程的基础任务之一，主要用于确定溢洪道的有效堤顶高度，以及判断溢洪流量和洪水对下游防洪安全的影响。

在进行溢洪道水面线的水力计算时，需要考虑以下几个方面的因素：1.水位变化规律：根据设计要求和地区实际情况，确定溢洪道水位变化规律，包括出口水位、最高水位和最低水位等。

这些水位变化规律是溢洪道水面线水力计算的基础，也是设计溢洪道参数的依据。

2.流量计算：通过水动力原理和流量公式，计算溢洪道的设计洪水流量。

洪水流量的计算需要考虑下游水位、流域面积、产流特征等因素。

常用的流量计算方法有三角洪水法、单峰洪水法和双峰洪水法等。

3.溢洪道断面选择：根据溢洪道的设计洪水流量和设计水位，在保持流量稳定的情况下选择合适的溢洪道断面，以满足设计要求。

根据溢洪道断面，可以计算出溢洪道的有效堤顶高度和水面线的高程。

4.水力计算：通过溢洪道的水力计算，确定溢洪道水面线的高程。

水力计算的主要内容包括流速计算、水深计算和堤顶高度计算。

其中，流速计算可以采用曼宁公式、剪应力公式等；水深计算一般根据不同的水位和槽坡来确定；堤顶高度计算需要考虑洪水流量、流速和水深等因素。

5.水面线确定：根据水力计算的结果，确定溢洪道水面线的高程。

水面线的高程应满足下游防洪安全的要求，并考虑水力平衡和溢洪道结构的要求。

水面线的确定一般采用一维水流模型计算，根据不同的水位和流量，得出水面线的高程曲线。

在进行溢洪道水面线水力计算时，需要使用一些计算软件和工具，如水力计算软件、一维水流模型等。

这些工具可以提供准确的计算结果，帮助工程师进行溢洪道水面线的设计和确定。

同时，还需要结合实际工程情况，考虑工程经济性、可行性和社会效益等因素，进行溢洪道水面线水力计算的优化设计。

一、泄槽水面线应根据能量方程，用分段求和法计算△l1-2=((h2cosθ+a2*v22/(2g))-(h1cosθ+a1*v12/(2g)))/(I-J)J=n2*v2/R4/3b Q13.732.15h2h1v2v1a2a1g0.430.845.4574782.793709 1.05 1.059.81R=0.576423v= 4.125593J=△l1-2= 3.696956式中：△l1-2--分段长度，m；0.838456h1、h2--分段始、末断面水深，m；v1、v2--分段始、末断面平均流速，m/s；a1、a2--流速分布不均匀系数，取1.05；θ--泄槽底坡角度，I---泄槽底坡，I=tgθ；J---分段内平均摩阻坡降；n---泄槽槽身糙率系数，v---分段平均流速R---分段平均水力半径。

1、泄槽上游接宽顶堰、缓坡明渠或过渡断时，h1=hk；2、泄槽上游接实用堰、陡坡明渠时，起始计算断面分别定在堰下收缩断面或泄槽首端以下3hk处，则：h1=q/(φ√2g(Ho-hkcosθ))q g Hoθφhk h1#DIV/0!式中：q---起始计算断面单宽流量，m3/(s*m)；Ho---起始计算断面渠底以上总水头，m；φ---起始计算断面流速系数，取0.95；θ---泄槽底坡坡角；二、泄槽断水流掺气水深的计算hb=(1+ζ*v/100)*hζv h hb式中：h、hb---泄槽计算断面的水深的掺气后水深；v---不掺气情况下泄槽计算断面流速；ζ---修正系数，取1~1.4m/s，流速大者取大值。

三、泄槽收缩段的计算1、波峰后的水深、流速。

h2=h1(√1+8Fr12sin2β-1)/2h1βv g Fr1h2#DIV/0!#DIV/0!v2=v1cosβ1/cos(β1-θ)v1β1θv2式中：β---冲击波波角θ---边墙偏转角Fr1---起始断面弗劳德数h1、h2---起始断面与波峰下游断面水深，m；v1、v2---起始断面与波峰下游断面流速，m/s；2、泄槽边墙收缩（扩散）角θ按经验公式：tgθ= √gh/(kv)g h k v tgθ9.813#DIV/0!式中：h---收（扩）断面首、末断面的平均水深v---收（扩）断面首、末断面的平均流速k---经验系数，可取k=3.03、弯道段最大横向水面差的计算Δh=Kv2b/(gr0)K v b r0gΔh#DIV/0!式中：Δh---弯道外侧水面与中心线水面的高差，m；b---弯道宽度，m；r0---弯道中心线曲率半径，m；K---超高系数，查P53《溢洪道设计规范》0.2442220.8656890.439754θI n R1R20.2442220.2491960.0330.7482444730.4046020.038638Q b v h224.615 5.350.9224.615 6.5626666670.7524.6157.5723076920.6524.6158.3423728810.5924.6159.1148148150.5424.6159.8440.524.61510.472340430.47。

上游总水头E 0：流量底宽流速系数上游总水头收缩断面水深断面流速Q b φE 0h c v4.9 1.50.90310.92222860.2513.066667基本公式：跃前水深跃前流速弗劳德数跃后水深消力池长h 1v 1Fr 1h 2L(5.5<Fr1<9)0.2513.0666678.3437312 2.8276016117.78545113基本公式：跃前底宽跃后底宽跃前水深跃前流速弗劳德数跃后水深消力池长b 1b 2h 1v 1F r1h 2L k560.2513.06666678.343731196 2.581235314.228361基本公式：水跃淹没度流速系数流量消力池宽度收缩断面水深下游水深跃后水深σφQ bh 1h t h 21.050.95 4.91.50.25 1.22.82760162、等宽距断面消力池的水利计算3、溅扩式矩形断面消力池计算4、等宽矩形下挖式消力池计算底流水跃消能水力计算1、计算收缩断面水深：流速系数φ取值见表或者根据经验公式计算E 为以下游河床面为基准面的上游总水头22202c c h g q h E φ+=()18122112-+=Fr h h 111/gh v Fr =()2121121812b b Fr h h -+=Zh h d t ∆--=2σ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=∆2222222112h h gb Q Z t σϕLL k 8.0=LL k 8.0=出口水面跌落池深池长△Z dL k 0.356803792 1.412177914.228361LL k 8.0。

1 溢洪道水力计算溢洪道水力计算共分以下几段：进口段、陡坡段、消能防冲段、海漫段水面线推求以及消力池段消能防冲计算等。

根据调洪演算结果，溢洪道20年一遇洪水流量Q=213.61m 3/s ，50年一遇设计洪水流量Q =249.08m 3/s ，500年一遇校核洪水流量Q =390.72m 3/s 。

溢洪道底流消能洪水设计标准按20年一遇。

1.1 计算依据（1）《溢洪道设计规范》SL253—20**。

1.2 溢洪道水面线推求1.2.1 计算方法及计算公式采用明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算方法，计算公式为：Ji E E s susd --=∆式中：△s ——上、下断面间长度（m ）;i ——渠底比降;J ——上、下断面间平均水力坡度; E sd 、E su ——上、下游断面的断面比能。

1.2.2 水面线推求溢洪道水面线推求采用新疆水利厅编制的《D-7 明渠恒定非均匀渐变流水面曲线计算程序》进行计算。

本程序计算时需输入起算已知断面水位及各流段的基本数据。

由明渠水流分析知，溢洪道明渠段末端即陡坡段始端将发生临界水深，把该断面作为控制断面来推求上下游水面曲线。

1.2.2.1 程序计算原理采用人工渠槽断面单位能量沿程变化的微分方程进行推求，公式如下：Jf i ds dEs-= 其差分格式为：Jf i s Es-=∆∆即：()s Jf i E E ∆⋅-+=12式中：RC vJf gv h E g v h E ⋅=+=+=222111222222αα()()()121212212121R R R C C C v v v +=+=+=其中：h 1为已知，h 2为欲求之水深 为此，将差分方程改为下列函数表达式()()()s Jf i E E h E ∆⋅-+-=212为求h 2设试算水深h 下限与h 上限，用二分法求解()下限上限h h h +=212()()()()()()h F F 2~1212~11G s J i h E E D s J i h E E h f f =∆⋅-+-==∆⋅-+-=上限上限上限若D 、G 同号，令h 上限= h 2；D=G若D 、G 异号，令h 上限= h 下限；h 上限= h 2；D=G 继续二分，直到∣h 1-h 2∣≤允许误差为止1.2.2.2 临界水深计算临界水深计算公式如下：kk B Ag Q 32=α 式中：Q ——计算流量（m 3/s ）；A k ——临界水深时的过水断面面积(m 2)；B k ——临界水深时的水面宽度(m)；G ——重力加速度，g=9.8m/s 2。

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：320=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：1n 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。

一、设计依据：二、基本资料：第一段泄槽的角度 2.2906°糙率：0.015闸孔数3闸孔宽10.00闸墩厚1.50堰顶高程929.00m Q=196(m 3/s)校核洪水位931.35m Q=102(m 3/s)设计水位930.52m Q=87.3(m 3/s)30年一遇水位930.37m2.35m 1.52m下游水位：设计902.65m 校核904.04m 30年一遇水位902.4m 30年一遇水位到堰顶高差 1.37m 三、计算内容：1、溢洪道泄流能力计算：溢流堰采用驼峰堰面曲线：H max —校核水位下的堰上水头 2.35m H d —堰面曲线定型设计水头（取0.75H max )H d =1.76m流量系数的计算为：m=0.385+0.224(P 1/H 0)0.934m=0.448下泄流量的计算按《规范》A.2.3公式进行计算：3、水文资料2、《溢洪道设计规范》1、《水力学》30年一遇水位下的流量：设计水位到堰顶高差：P1/H0=0.255<0.34校核水位下的流量：设计水位下的流量：校核水位到堰顶高差：泄流量的计算：2/302Hg B m Q e =式中：Q—B—30mb—10.00mn—3H 0—计入行近流速水头的堰上总水头，(m)2.35mg—重力加速度，（m/s 2)； g=9.81m—堰流量系数；m=0.448ε—ε=0.975ζ0—ζ0=0.45ζK —ζK =0.7Q=208.858m 3/s2、泄槽段临界水深及临界底坡计算：临界水深及临界底坡的计算公式为：式中：校核设计α—α= 1.05 1.05q—q= 6.533 3.400x k —x k =36.31935.147R—R= 1.508 1.008C k —C k =71.38866.755b k —b k =3333校核设计闸孔数目；闸墩侧收缩系数，由下式计算得：流量，m 3/s溢流堰总净宽，(m)，定义：B=nb 单孔宽度，(m)中墩形状系数，由《规范》表A.2.1-3查得：边墩形状系数，由《规范》图A.2.1-2查得：临界谢才系数临界水深对应水面宽（m ）流速不均匀系数泄槽单宽流量（m 3/sm ）临界湿周（m ）水力半径（m ）根据以上参数计算得：由上计算得：2/302Hg B m Q e =nbH k n 0])1([2.010z z e -+-=32gq k h a =kK kbC gx k i 2a =h k = 1.659h k =1.074i k =0.0020176i k =0.0022330式中：校核设计30年一遇q—q=5.939 3.091 2.645H 0—H 0=2.952.121.97θ—θ= 2.2906oφ—φ=0.95校核设计30年一遇h 1=1.0150.5950.523泄槽起始断面水深：h 1=1.0150.5950.5234、泄槽段水面线的推算：3、泄槽段起始水深h 1计算：水面曲线的推算见附表一：起始计算断面渠底以上总水头，（m ）；假定一个初始值h 1(m)起始计算断面定在堰下收缩断面处：断面水深计算公式为：泄槽水面线根据能量方程，采用分段求和法进行计算，计算公式如下：计算结果如下：起始计算断面流速系数；泄槽底坡坡角；起始计算断面单宽流量，m 3/(s.m)；)cos (2110q fh H g qh -=Ji h h gv gv l -+-+-=D )cos ()cos (212211122222a a q q 3/422R v n J =21i i v v v +-=21ii R R R +-=5、泄槽由缓变陡时抛物线的推求：泄槽在（泄0+037.156)段由缓变陡,采用抛物线连接，方程为：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，θ= 2.2961004°H 0—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 ；α—流速分布不均匀系数，取α=1.0K—系数，K=1.3以设计水位来推求抛物线：h=0.446m v=14.591m/s所以：H 0=11.308m1/K(4H 0cos 2θ)=0.03864598y=0.04x+0.03865x2求切点得：后接陡坡坡度为K=0.4所以y=0.4x+b 求切点得：由（1）、（2）式得：x= 4.657y=1.025挑流水舌外缘挑距按下式计算：6、挑流消能计算：])cos (2sin cos cos sin [212211211h h g v v v L +++=q q q q q )cos 4(202q q H K x xtg y +=gvh H 202a +=)2(4.0®=¢y )1(0773.004.0®+=¢x y冲刷坑最大水垫深度计算公式为：式中：L—挑流鼻坎末端至挑流水舌外缘的距离（m ）；θ—θ=20h 1—设计校核30年一遇h 1=0.3660.6130.327h 2—h 2=2.3mv 1—鼻坎坎顶水面流速，（m/s ），可按鼻坎处平均流速v 的1.1倍设计校核30年一遇v 1=20.42223.4519.599T—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，m 3/(s.m)；设计校核30年一遇q= 6.813.0675.820设计校核30年一遇Z—Z=27.8727.3127.97k—k=1.4由上可得：设计校核30年一遇L=33.29042.70030.987T=8.38811.5697.767根据《规范》A.3.2的计算公式：7、泄槽段水流掺气水深可按下式计算：综合冲刷系数，由《规范》表A.4.2可得挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑胸：上、下游水位差，（m ）；鼻坎坎顶至下游河床高程差挑流鼻坎末端法向水深（m ）；])cos (2sin cos cos sin [212211211h h g v v v L g+++=q q q q q 4/12/1Z kq T =hh vb )1(100z +=式中：h 、h b —v —ζ—ζ=1.4s/m由上计算可知，h b 最大值为1.308m,所以考虑泄槽边墙的超高，所以泄槽的边墙高度取2.5m 。

溢洪道⽔⾯线计算（分段求和法）3/s2.2 求临界⽔深（h k ）的计算：计算公式h =（αq 2/g）1/32 ⽔⾯线的定性分析2.1 正常⽔深（h 0）的计算：计算公式5/30.520.52/31.2 陡槽资料：(由设计确定)。

《⽔库溢洪道⽤分段求和法计算⽔⾯线》（棱柱体）1、基本资料1.1 洪⽔资料：(洪⽔资料由调洪演算成果所得).3.3 计算⽔⾯线3.3.1 控制⽔深3.3.2 分段并确定各段的计算⽔深全长⽔位差（⊿h）⽔流从缓流过渡到急流必须要经过临界⽔深hk，该临界⽔深即为控制⽔深。

3 计算⽔⾯线3.1 计算⽅法分段求和法3.2 基本公式((h i +v 2/2g)-(h i+1+v 2i+1/2g))/⊿L=i-J2.4 ⽔的流态及⽔⾯线定性2.3 求临界坡降i k 计算公式i =gX /αC 2BV均=（V 1+V 2）/2；R均=（R 1+R 2）/2；C均=（C 1+C 2）/2平均⽔⼒坡度（J 1-2）：（J 1-2）=V 均2/C 均2R 均3.6 计算两断⾯间的距离（L 1）：L 1=⊿E s1-2/(i-J 1-2)3.7 按上述各式列表计算:表式及计算见《棱柱体⽔⾯线计算表》3.5 计算平均⽔⼒坡度（J 1-2）：断⾯的⽔⼒要素：X 1=b+2h 1(1+m)0.5R 1=ω1/X 1C 1=R 11/6/n同理，可求得X 2、R 2、C 2、 ……直到所列断⾯。

V 1=Q/ω1V 12/2g E s1=h 1+V 12/2g同理，可求得h 2、ω2、V 2、E s2 ……直到所列断⾯。

两断⾯的⽐能差（⊿E s1-2）：⊿E s1-2=E s1-E s2分段计算，定各断⾯计算⽔深（h）3.4 计算两断⾯的⽐能差（⊿E s1-2）：1～1断⾯：由已知的:h 1分别求出:ω1=(b+mh 1)h 1[V]<10α—5 计算边墙⾼度（H）：计算公式：ha=h(1+αV/100)系数，α=1.0～1.3计算公式：H=ha+⊿分段求和法棱柱体⽔⾯线计算表3.8 计算成果：陡槽末端⽔深（h c 不须考虑掺⽓对⽔深的影响。