【摘要】狮子山5#弃渣场为滇中引水工程大理Ⅱ段的一座弃渣场，为保证弃渣场的排洪安全拟在弃渣场左侧新建1条排洪沟。排洪沟流量为13.6m3/s，进出口高差达59m。狮子山5#弃渣场排洪沟分为进口段、缓坡段、陡坡段、消力池段，文章将对排洪沟的不同分段进行相关水力计算，根据水力计算结果确定排洪沟的结构尺寸。本计算方法适用于排洪流量相对较大，进出口高差大的弃渣场排洪沟水力计算，本计算方法可为其它类似的沟道型弃渣场排洪沟设计提供一些参考。
【关键词】滇中地区；滇中引水工程；沟道型弃渣场；排洪沟；水力计算
一、弃渣场概况
狮子山5#弃渣场为沟道型弃渣场，占地面积9.70hm2，容量约73.43万m3，堆渣最大高度68m。弃渣场等级为3级，防洪工程级别为3级。工程拟在弃渣场左侧布置排洪沟，排洪沟全场541.886m，排洪沟设计洪水标准为P=2%，校核洪水标准为P=1%[1]。弃渣场设计洪峰流量为11.5m3/s，校核洪峰流量为13.6m3/s。为保证弃渣场的排洪安全，工程拟采用校核标准洪水对排洪沟进行水力分析计算。
二、排洪沟水力计算
1.排洪沟布置
排洪沟分为进口段、缓坡段、陡坡段和消力池段，排洪沟纵断面图见附图1。
进口段里程为P0+000.000～P0+012.616，坡降为1:56。缓坡段共设2段，缓坡段1的里程为P0+012.616～P0+335.098，坡降为1:500；缓坡段2的里程为P0+442.898～P0+472.898，坡降为1:500。陡坡共4设段，陡坡段1的里程为P0+335.098～P0+380.098，坡降为1:2.5，陡坡段2的里程为P0+406.098～P0+428.498，坡降为1:1.5，陡坡段3的里程为P0+472.898～P0+502.898，坡降为1:3.0，陡坡段4的里程为P0+502.898～P0+529.487，坡降为1:1.5。消力池共布置3段，消力池1的里程为P0+380.098～P0+406.098，消力池2的里程为P0+428.498～P0+442.898，消力池3的里程为P0+529.487～P0+541.886。
附图1 排洪沟纵断面图
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2.进口段水力计算
进口段水力计算目的是保证上游冲沟洪水可以安全汇入排洪沟内。考虑到上游冲沟地形多变，水流条件复杂，工程考虑采用宽顶堰自由溢流的流量公式计算排洪沟进口段过流能力[2]。
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经计算计入行进流速的堰上水头为1.62m，故排洪沟进口段采用2m×5m的断面尺寸可满足排泄校核洪水的要求。
3.临界底坡判别
排洪沟排水流量为13.6m3/s，排洪沟底宽取2.5m，临界底坡按下式计算确定[2]：
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经计算排洪沟底宽为2.5m时，通过校核洪水时，临界水深为1.45m，临界底坡坡比为1:211。
4.缓坡段水力计算
排洪沟P0+012.616～P0+335.098段和P0+442.898～P0+472.898段，坡降为1:500，均小于临界坡降，排洪沟过流能力按明渠均匀流计算公式计算[2]。排洪沟采用矩形断面，衬砌材料为C25钢筋砼，排洪沟底宽度为2.5m。
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经计算在拟定坡降和底宽条件下，排洪沟计算水深为2.14m，流速为2.55m/s。排洪沟缓坡段1和缓坡段2采用2.5m×2.5m的断面尺寸可满足排泄校核洪水的要求。
5.陡坡段边墙高度确定
陡坡段1坡降为1:2.5，陡坡段2坡降为1:2.5、陡坡段3坡降为1:1.5、陡坡段4坡降为1:3.0，4段陡坡坡降均大于临界底坡1:211，4段陡坡的正常水深均小于临界水深。故4段陡坡的边墙取临界水深加0.2m，故边墙高度取1.65m，陡坡底宽均取2.5m。
6.陡坡段水力计算
（1）陡坡段设台阶消能水力计算
陡坡1段台阶高0.4m；陡坡2段台阶高0.667m；陡坡3段台阶高0.556m；陡坡4段台阶高0.667m。以各断面的渠底为基准点，陡坡段起始断面和末端断面的能量按下列各式计算[3]。
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各陡坡段进、出口断面的总水头计算成果见附表1：
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（2）陡坡段出口水力计算
从布置上看出陡坡段1、陡坡段2、陡坡段4末端均和下游缓坡连接，水流从陡坡至缓坡，连接位置有水跃发生的可能。按下式计算收缩断面的弗劳德数[2]，判断连接处是否有水跃发生。
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陡坡段4 P0+428.498 4.67 0.59 9.21 3.83
从附表2可知，陡坡段1出口断面的弗劳德数均大于4.89，该断面后将会发生稳定水跃。陡坡段2和陡坡段3出口断面弗劳德数分别为3.36和3.83，两个断面后均会发生颤动水跃。故以上3个陡坡断面出口均需要修建消力池。
（3）消力池水力计算
陡坡段1、陡坡段2、陡坡段4末端需要修建消力池，消力池按底流消能的公式计算[4]，计算结果见附表3。
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由计算可确定各消力池尺寸：消力池1长15m，宽2.5m，消力池深1.1m，边墙总高度3.5m；消力池2长12m，宽2.5m，消力池深0.6m，边墙总高度2.9m；消力池3长13m，宽2.5m，消力池深0.8m，边墙总高度3.1m。
三.结语：
排洪沟进口段采用宽顶堰过流公式计算进口段断面尺寸，流量系数取0.32，取值为宽顶堰中的小值，可保证上游来水能汇入排洪沟。排洪沟缓坡段按明渠均匀流公式计算排洪沟过流能力，并拟定断面尺寸和底坡。排洪沟陡坡段坡底布设台阶进行消能，排洪沟边墙高度按临界水深加0.2m确定。通过计算排洪沟陡坡段1、陡坡段2、陡坡段4，3个出口断面的弗劳德数可判断3个出口位置均需要布置消力池。消力池采用下挖式消力池，消力池采用底流消能公式进行计算。
文章将狮子山5#弃渣场排洪沟分为进口段、缓坡段、陡坡段、消力池段4个部分进行计算。进口段和缓坡段水力计算的主要目标是保证排洪沟过流能力。陡坡段和消力池段主要计算台阶消能效率，水跃长度，拟定合理的台阶和消力池尺寸。狮子山5#弃渣场为沟道型弃渣场，弃渣场排洪沟流量为13.6m3/s，排洪沟进出口高差达59m，此类排洪沟在沟道型弃渣场中较为典型。狮子山5#弃渣场排洪沟计算方法可为其它类似沟道型弃渣场排洪沟设计提供一些参考。
参考文献:
[1]中华人民共和国住房及城乡建设部 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.水土保持工程设计规范[Z].2015-08-01.
[2]李炜.水力计算手册[M].北京：中国水力水电出版社.2006.
[3]索丽生 刘宁.水工设计手册（第2版）第9卷 灌排、供水[M].北京：中国水力水电出版社.2014：294.
[4]中华人民共和国住房及城乡建设部 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.灌溉与排水工程设计规范[Z].2018-11-01.