侧槽溢洪道课程设计
学校：广东水利电力职业技术学院
班级：12水工3班 姓名：罗茂贤 学号：120310328
指导老师：李存
2014-06-14
侧槽溢洪道课程设计
目录
一．设计基本资料： ............................................................................................................................... 2
二．侧槽的设计（尺寸及参数拟定） ................................................................................................ 2
1. 计算侧槽堰长L ................................................................................................................................. 2
(1) 工况一： .................................................................................................................................. 3 (2) 工况二： .................................................................................................................................. 3 2. 侧槽底纵坡i0 拟定 .......................................................................................................................... 4 3. 侧槽的横断面形式与尺寸 ................................................................................................................ 4 4. 侧槽各断面槽底高程计算 ................................................................................................................ 5
(1) 计算控制断面临界水深 hk ..................................................................................................... 5 (2) 计算侧槽末端水深 hl.............................................................................................................. 5 5. 侧槽水力计算（推算各断面水深及槽底高程） ............................................................................ 6
(1) 确定控制断面坎高 d .............................................................................................................. 6 (2) 计算侧槽各断面流量Qi .......................................................................................................... 6 (3) 侧槽水面曲线推算 .................................................................................................................. 8 (4) 侧槽各断面槽底高程的确定 ................................................................................................ 10
三．泄槽的设计 ...................................................................................................................................... 11
1. 泄槽的形式及参数拟定 .................................................................................................................. 11 2. 泄槽水面曲线的推算...................................................................................................................... 11
(1) 判断水面曲线的类型 ............................................................................................................ 11 (2) 用分段求和法计算水深，推算水面曲线 ............................................................................ 12 （3）泄槽陡坡段边墙高h墙 的确定 ......................................................................................... 13
四．消能防冲设计 .................................................................................................................................. 15
1. 挑坎尺寸及参数拟定...................................................................................................................... 15 （1）鼻坎高程：......................................................................................................................... 15 （2）反弧半径R: ........................................................................................................................ 15 （3）挑射角度：......................................................................................................................... 15 2. 挑距离计算 ..................................................................................................................................... 15 3. 最大冲刷坑深度 T计算 ................................................................................................................. 17
（1）最大冲坑水垫厚度tk ......................................................................................................... 17
五、附图- 侧槽溢洪道的各种剖面图 .............................................................................................. 18
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侧槽溢洪道设计计算
一．设计基本资料：
某大（2）型水库，正常蓄水位为30m， 设计洪水位为32m， （相应泄流量为150 m3/s ），校核洪水位33.43m，（相应下泄流量为210m3/s）。 该地区最大风速的多年平均值为16.9m/s。坝肩山头较高，岸坡较陡。布置溢洪道泄槽处山坡坡度约为1:4，泄槽水平投影约65m，泄槽宽8m。该地区地震基本烈度为Ⅵ 度。地表全为风化粉砂岩，基岩为寒武系八村组粉砂泥岩强风化层。强风化层地基承载力标准值可取500 kPa。
二．侧槽的设计（尺寸及参数拟定）
1. 计算侧槽堰长L
用堰流公式
侧堰采用WES型实用堰，如图1所示，流量系数m=0.502 (查《水力学》P206页)
2
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堰顶高程P与正常蓄水位等高，即P=30 m ， (1) 工况一：
设计洪水位H设=32 m ,相应下泄流量Qmax=150 m3/s 堰顶水头
所以堰长
(2) 工况二：
校核洪水位H校 = 33.43 m ,相应下泄流量Qmax =150 m3/s 堰顶水头
所以堰长
经比较，堰长采用工况一 设计洪水位的，故堰宽L=23.85 m
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2. 侧槽底纵坡i0 拟定
侧槽槽底纵坡拟定 i0=0.1 （参考 课本P106 页）。
3. 侧槽的横断面形式与尺寸
泄槽宽为8 m ,所以侧槽末端断面底宽bl 取8m ,侧槽起始断面底宽
。
侧槽靠岸一侧边坡采用m1=0.5 , 靠溢流堰一侧取 m2=0.4 （形式见 图2）。
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4. 侧槽各断面槽底高程计算
为使水流平顺进入泄槽，需在侧槽末端设置水平调整段与泄槽连接，并在调整段末端设置控制断面。 (1) 计算控制断面临界水深 hk
调整段为梯形断面到矩形断面的渐变段，末端与泄槽断面一样为底宽为8m的矩形断面。 临界水深 hk =
(查《水力学》P154页)
α=1.0 ，单宽流量
（ α为动能修正系数，取
），
故
(2) 计算侧槽末端水深 hl
用控制断面的临界水深 hk = 3.297 m 计算侧槽末端水深 hl hl
=(1.2~1.5)hk
,
用
内
插
法
计
算
，
, 故 hl = 1.32 hk =1.32×3.297
= 4.352 (m)
调整段长度为 3hk = 3×3.297 = 9.891 (m)（参考课本P107页）。
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5. 侧槽水力计算（推算各断面水深及槽底高程）
采用设计洪水位 H设 =32 m ，相应下泄流量 Qmax = 150 L =23.85 m 。
(1) 确定控制断面坎高 d
,侧堰宽
{ vl=
,
;
, ζ取0.2 }。
故
断面不设升坎。
(2) 计算侧槽各断面流量Qi
以侧槽末端断面为1-1断面往上游将侧槽等分为四段，即等分为5个断面，推求各断面流量Qi ，如 图3所示：
，所以控制
, 故
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各断面的流量 ( 单宽流量 断面）的水平距离，计算结果列于 表1 中:
表 1 -计算侧槽各断面的流量Qi 断面序号 1 2 3 4 5 侧堰宽L（m) 23.85 23.85 23.85 23.85 23.85 Qmax 150 150 150 150 150 单宽流量q 6.289 6.289 6.289 6.289 6.289 与侧槽始端水平距离 Xi（m) 23.85 17.8875 11.925 5.9625 0
, Xi 为计算断面到侧槽始端（即5-5
为相邻两个计算断面的水平距离) 。
（m) 断面的流量Qi 5.9625 5.9625 5.9625 5.9625 5.9625 150 112.5 75 37.5 0 7
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(3) 侧槽水面曲线推算
侧槽水面曲线推算是从侧槽末端断面（即1-1断面）的水深hl 向上游推算的，相邻两个断面的水深关系如下式：
(公式在课本P108页，
为相邻两计算断面的水面差)
见 图3 -相邻两断面水力计算示意图：
根据：
①
②
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用试算的方法，先假设一个要推算的断面的水深 hi+1 ，由假设的水深计算该断面的面积 Ai 和断面流速 vi ，算出后代入②式计算得出一个
。
（注： Ri=Ai /Xi , Ri+1=Ai+1 /Xi+1 ,相邻两断面间流段的平均水力半径
; 流段的平均流速
均水力坡降将计算等到的
）
代入①式右边计算，若等式 左边=右边，则本次假设
, 槽底糙率取 n=0.015 , 流段平
的水深 hi+1 即为该断面的水深；若等式两边不等，则重新假设一个hi+1 ，重复上述试算过程，直到等式两边相等为止。
下面以计算断面1-1与2-2断面为例，用上述的计算方法试算2-2断面的水深 h2 。已知1-1断面的水深 h1= hl =4.532 m ，假设2-2断面的水深 h2 = 4.1015 m , 经计算，②式中将
代
入
①
式 , 右
边
计
算
，
得
出
，结
果与假设的水深 h2相等，故2-2断面的水深h2 =4.1015 m 。
其他相邻两断面的断面水深同样用①、②式以假设上游断面水深hi+1 来
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试算，所有断面的水深 hi 试算结果列于“表2”的第2列中 :
表2 - 侧槽计算断面水深 试算结果汇总 断面序号 1 2 3 4 5 左边 假设水深h(i+1) 4.3520 4.1015 4.0790 4.2309 4.1617 断面流量Qi 150 112.5 75 37.5 0 底宽bi 8 6 4 2 0 断面面积Ai 43.339 32.179 23.803 16.517 7.794 湿周X 水力半径Ri 18.479 2.345 15.876 13.822 12.188 10.021 2.027 1.722 1.355 0.778 谢才系数C 76.843 74.997 72.988 70.131 63.931
续： 表2 - 侧槽计算断面水深 试算结果汇总 流速vi 3.4611 3.4961 3.1508 2.2704 0.0000 (m/s) 3.4786 3.3235 2.7106 1.1352 (m) Xi（m) 计算右边 hi+ 4.1015 4.0790 4.2309 4.1617 - （m) 2.1861 1.8745 1.5387 1.0665 0.000960 0.000931 0.000266 23.85 11.925 5.9625 0 0.5963 0.5963 0.5963 0.5963 0.3457 0.5737 0.7481 0.5270 0.001075 17.8875
(4) 侧槽各断面槽底高程的确定
侧槽起始断面为5-5断面，由“表2”的试算结果知其水深 h5 =4.1617 m ; 堰顶水头
,故侧堰始端最高点水位
定为 H1=0.5H0 + P =0.5×2+30=31（m） 。
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所以侧槽始端（5-5断面）的槽底高程 H始 = H1–h5 = 31-4.1617=26.8383
（m）。
其他断面的槽底高程按槽底纵坡 i0 =0.1 确定，结果列于“表3”中,
表3 - 侧槽底面高程计算 断面序号 5 4 3 2 1 槽底纵坡 i0 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 断面水深 hi（m) 4.1617 4.2309 4.079 4.1015 4.352 (m) 5.9625 5.9625 5.9625 5.9625 5.9625 槽底高程 Hi底（m) 26.8383 26.2421 25.6458 25.0496 24.4533
三．泄槽的设计
1. 泄槽的形式及参数拟定
泄槽采用底宽为8m 的矩形断面，坡降为1:4 (泄槽的断面形式及尺寸见图 5 和图 6 )。
泄槽的水平投影长D=65 m ； 泄槽斜长
，由
， 。
；
泄槽竖直高度
2. 泄槽水面曲线的推算
(1) 判断水面曲线的类型
试算正常水深 h0 ,试算结果见 “表4” ;
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表4 - 泄槽陡坡段 正常水深ho 试算 断面ho （m） 序号 1 0.7 2 3 0.75 0.759 底宽b(m) 8 8 8 A（m2) 5.6 6 6.072 X (m) 9.4 9.5 9.518 谢才系数Q C 0.5957 61.153 132.162 R (m) 0.6316 0.6379 61.751 61.855 147.225 149.992 单宽流量q 18.750 18.750 18.750 临界水深hk 3.2969 3.2969 3.2969 根据 表4 的试算结果可知，当h0 =0.759 m 时，流量 , 单
宽流量
, 临界水深 hk =3.297 m , 所以h0 ＜ hk ,
判定水面为陡坡 b2 降水型曲线。
(2) 用分段求和法计算水深，推算水面曲线
取起始断面水深 h=hk =3.297m 开始向泄槽下游推算，L泄=67m ,
分为10个断面，用这些断面的水深推算相邻两断面间的流长
，最后的总流长
根据公式计算下列参数：
断面面积 A=bh , 断面流速
, 湿周 X=b+2h , 水力半径
水力比降 b=8 m ,
,
, 断面比能 , 谢才系数
, , , 其中
需等于L泄=67m 。
, 流段长度
, 坡度 i = 0.25 。
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假设不同的水深进行试算，得其断面水深及两断面间的流长 试算过程及结果见 “表5”。
，
注意：当断面平均流速
水深的基础上设计边墙高。
（3）泄槽陡坡段边墙高h墙 的确定
时，需考虑掺气水深 , 在掺气
h墙 =ha +A ( A为安全加高，取A=1m ) 所以墙高度计算按 h墙 =ha +1.5 计算 计算结果见“表5” ；
表5 - 泄槽水面曲线及边墙高度 推算 断面假设h（m) 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3.2969 3.2 3.1 2.95 2.7 2.4 2.05 1.6 1.021 1.0207 流段编号 1~2 2~3 3~4 4~5 5~6 6~7 7~8 8~9 9~10 底宽 b 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 A (m2) X (m) R (m) C v (m/s) 26.376 14.594 1.807 73.578 5.6871 25.600 14.400 1.778 73.376 5.8594 24.800 14.200 1.746 73.159 6.0484 23.600 13.900 1.698 72.816 6.3559 21.600 13.400 1.612 72.188 6.9444 19.200 12.800 1.500 71.328 7.8125 16.400 12.100 1.355 70.132 9.1463 1.6485 1.7499 1.8646 2.0590 2.4580 3.1109 4.2638 12.800 11.200 1.143 68.167 11.7188 6.9994 8.168 10.042 0.813 64.411 18.3643 17.1891 8.166 10.041 0.813 64.408 18.3697 17.1992
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续：表5 - 泄槽水面曲线及边墙高度 推算 断面比能Es 水力坡降J 平均 i - ∑ 掺气水深 ha（m） 3.2969 3.2000 3.1000 2.9500 2.7000 2.5875 2.2375 1.7875 1.2085 1.2082 1.5 边墙加高(m) 边墙高 (m) 4.797 4.700 4.600 4.450 4.200 4.088 3.738 3.288 2.709 2.708 4.9454 0.003306 0.003446 0.246554 4.9499 0.003587 0.003750 0.246250 4.9646 0.003914 0.004201 0.245799 5.0090 0.004488 0.005114 0.244886 5.1580 0.005741 0.006869 0.243131 5.5109 0.007998 0.010273 0.239727 6.3138 0.012549 0.019204 0.230796 8.5994 0.025860 0.062900 0.187100 18.2101 0.099940 0.099985 0.150015 18.2199 0.100030 0.0044 0.0180 0.0180 0.0147 0.0598 0.0778 0.0444 0.1808 0.2586 0.1490 0.6083 0.8668 0.3529 1.4515 2.3183 0.8029 3.3493 5.6677 2.2857 9.9034 15.5710 9.6106 51.3661 66.9372 0.0098 0.0654 67.0025 由 表5 计算的结果，泄槽边墙高度均做为距槽底4.8 m高。 泄槽的横断面形式：如“图 5 – 泄槽6-6横断面”所示：
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四．消能防冲设计
本溢洪道所处地质条件一般，为节省消能防冲设施的工程投资，在泄槽末端采用挑流式消能。
溢洪道挑流鼻坎的形式采用连续式 （参考《水力学》P233页），挑流坎由连续面板与齿墙组成，挑流坎齿墙的结构形式用重力式（参考课本P101页）。
1. 挑坎尺寸及参数拟定
（1）鼻坎高程：
下游河床高程为0 m , 挑坎顶部距下游河床4m ，即H坎 =4 m。
（2）反弧半径R:
R一般取（8~10）hc , 故取R=9hc ( hc 为反弧段最低点水深 )。
（3）挑射角度：
挑射角 θ=30°（较适当的挑射角为θ=15°～30°，当θ＜45° 时，θ
越大，空中挑距越大）
2. 挑距离计算
水舌挑距L 按下式计算：
坎顶水面流速v1 按鼻坎处平均流速v 的1.1倍计，即
（ H0 为水库水位至坎顶的落差）
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h1 ----- 坎顶垂直方向水深， ( h 为坎顶平均水深 )；
h2 ----- 坎顶至河床面高差， 如冲坑已经形成，可算至坑底； φ ----- 堰面流速系数，可按经验公式计算 【注： K为流能比， ③ ；
, q为单宽流量，式③用于K=0.004~0.15
范围内，当K＞0.15时，取φ=0.95 ；（参考《水力学》P232页）】 。 (以故
，
;
,
=32-4=28 m , 所
,
取坎顶平均水深h 近似等于泄槽末端断面（10-10断面）的水深h10 =1.0207m
计
算
,
所
以
h=h10=1.0207m
，故
坎顶至河床面高差h2 =4 m 。)
所以水舌挑距 :
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侧槽溢洪道课程设计
3. 最大冲刷坑深度 T计算
（1）最大冲坑水垫厚度tk 按下式估算：
式中 tk ----- 水垫厚度，自水面算至坑底； q ----- 单宽流量， H ----- 上下游水位差 ； K ----- 冲坑系数，取k=1.6 。 （ 单宽流量
，下游水位取为河床高程0 m , 所以
； k=1.6 。）
；
最大冲坑水垫厚度tk求得后，根据河床水深可求得最大冲刷坑深度 T ，T=
tk =16.478 m 。
计算过程及结果见 “表6”。
表6 - 计算挑距与冲坑 槽底宽b（m） 8 8 8 8 8 挑射角θ 20 25 30 40 45 水深h=h10 H设 1.0207 1.0207 1.0207 1.0207 1.0207 32 32 32 32 32 H坎 4 4 4 4 4 高差H0 28 28 28 28 28 单宽流能比 K 流速系数φ 流速 q 18.75 0.0404045 0.8989205 23.1762 18.75 0.0404045 18.75 0.0404045 18.75 0.0404045 18.75 0.0404045 0.8989205 23.1762 0.8989205 23.1762 0.8989205 23.1762 0.8989205 23.1762 17
侧槽溢洪道课程设计
续： 表6 - 计算挑距与冲坑 垂直水深h1 0.959 0.925 0.884 0.782 0.722 挑距L 上下游水(m) 位差H 45.691 50.684 54.745 59.120 59.127 32 32 32 32 32 冲坑系数 k 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 水垫厚度 tk 16.478 16.478 16.478 16.478 16.478 冲坑深度 T sin θ 0.342 0.423 0.5 0.643 0.707 cos θ 0.94 0.906 0.866 0.766 0.707 高差h2 4 4 4 4 4 16.478 16.478 16.478 16.478 16.478 2.77 3.08 3.32 3.59 3.59
挑流消能安全与否可根据水舌挑距L 与最大冲坑深度 T 的比值L / T 来判断。一般认为：基岩倾角较陡时，要求L / T＞2.5 ；基岩倾角较缓时，要求L / T＞5.0 。
由 “表6” 的计算结果可知当挑射角θ=30° 时，L / T = 54.745 / 16.478 = 3.32 ＞2.5 , 所以满足挑流消能安全要求 。
侧槽溢洪道的纵剖面、泄槽的纵断面、横断面和挑流鼻坎的形式见“图 6 – 侧槽溢洪道-纵剖面图”。
五、附图- 侧槽溢洪道的各种剖面图
侧槽溢洪道的各种剖面及其他图片见CAD图纸ce-01 “侧槽溢洪道各种剖面图-汇总” 。
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