6河岸溢洪道-河海大学

第六章河岸溢洪道 RIVERSIDESPILLWAY 第一节概述溢洪道是河川水利枢纽中必备的泄水建筑物 其作用是排泄规划中确定的水库不能容纳的多余洪水 以防洪水漫顶 危及挡水建筑物的安全 一 河岸溢洪道的适用场合在混凝土坝中溢洪道可以与挡水建筑物相结合 建于河床中 如溢流坝 滑雪道式溢洪道等 但不是所有的混凝土坝都具备修建坝身溢洪道如 1 轻型支墩坝 早期的薄拱坝 2 河谷过于狭窄 厂房与坝身溢洪道布置产生矛盾时 也不是所有坝型都适合修建坝身溢洪道 如土坝 堆石坝 因此河岸溢洪道适用于 1 轻型支墩坝 2 土石坝 3 河谷狭窄 4 泄量很大的水利枢纽 河床河岸同时布置 如第一 第二溢洪道 5 有天然垭口 在高程上合适 地质上抗冲能力强 如刘家峡水电站 是我国最高最早的重力坝 采用了河岸溢洪道 H 147m N 122 5万kW 刘家峡水电站 二 河岸溢洪道的工作方式与分类 1 工作方式有闸门 大多数情况下无闸门 中小型工程 多雨地区两者比较 堰顶高程不同 水位在堰顶以上 泄流能力不同 坝高不同 防洪库容相同 但位置不同 管理方式不同 溢流前缘长不同 2 分类由于地形条件和地质条件的不同 河岸溢洪道可有多种形式 按水流方向是否变化分为 正槽溢洪道 过堰水流方向与堰下泄槽纵轴线方向一致 此型式应用最广 p 314图8 3 侧槽溢洪道 水流过堰后急转弯近90 再经过泄槽或斜井 或隧洞下泄 p 343图8 36 增加前缘长度 开挖量增加不大时 但泄量增加 可通过加大L换取较低的设计洪水位 即用较高的堰顶高程来增加兴利库容 井式溢洪道 水流从平面上呈环形的溢流堰四周向心汇入 再经竖井和隧洞下泄 p 348图8 41 虹吸溢洪道 利用虹吸作用 使水流翻过堰顶的虹吸管 再经泄槽下泄 主要是希望在小水头时得到较大的泄量 p 354图8 47 按使用频率分正常溢洪道 上述四种溢洪道均为正常溢洪道 非常溢洪道 设在岸边 当来特大洪水时 自溃或炸毁泄洪 以确保大坝安全 第二节正槽溢洪道 一 正槽溢洪道的组成 功用及其布置1 组成及功用 引水渠溢流堰泄槽消能段尾水渠 2 布置 从地质上讲 坚硬的岩石 开挖困难 但可省去衬砌 软弱的岩石开挖容易 但衬砌 冲能防冲措施工程量大 从地形上讲 在坝址附近寻找马鞍形垭口以减少土石方开挖量 泄槽线路选在地形低洼处 从水流条件讲 a 水流通畅不影响其他建筑物 b 控制堰上游应开阔 使堰前水头损失小 c 泄槽在平面上最好不设弯段 以避免离心力和冲击波的影响 d 泄槽末端消能段应远离坝脚也不应影响通航建筑物和水电站尾水 从施工上讲 a 充分利用开采出来的石渣 b 爆破开挖不影响相邻建筑物 二 溢洪道各组成部分的设计1 引水渠的设计设计要求 A 进流平顺 水头损失小 渠内流速限制在1 5 3 0m s以下 B 沿水流方向的中心线尽量布置成直线或平缓的曲线 转弯时其丰径不小于4 6倍渠底宽度 C 渠底应平缓或设成不大的逆坡 渠底高程常低于堰顶 对实用堰 其差值应大于 1 3 1 5 水头 以争取较大的泄流能力 对宽顶堰 其差值不受限制渠底可与堰顶齐平 D 根据最大泄量拟定渠道断面 E 近堰一段过水断面应呈喇叭口型 自堰两边边墩起向上游逐渐加宽成为渐变过渡段 其长度取堰顶水头的5 6倍 衬砌厚度约需20 30cm 2 溢流堰 溢洪道的控制段 是控制溢洪道泄流能力的关键部位 一 堰型 要求 增大流量系数 不产生负压及空蚀 1 体型 标准WES 克 奥曲线 幂次曲线 2 低堰 为满足流量系数要求 3 的确定 常取较小的 使堰面曲线较瘦小 高水位时 出现适度负压 以增大流量系数 减小工程量 4 溢流堰顶部曲线长度 克 奥I型 WES型 5 直线段坡度缓于1 1 4 6 反弧半径 为校核洪水位时的堰上水头 7 堰的平面布置 堰轴直线布置 也可以泄槽轴线为对称轴 采用曲线布置 三不宜原则 3 驼峰堰 复合圆弧低堰 m高 可达0 42以上 设计施工简便 对地基要求低 适用于软弱地基 4 带胸墙的溢流孔口 减小门高 延长泄洪历时 二 溢流孔口的确定 同重力坝 3 泄槽 将过堰水流送往下游 要求 泄槽水位不能影响溢流堰自由泄流 槽中不能发生水跃 1 水流特点 a 陡坡i icr 急流Fr 1b 高速水流问题 脉动 掺气 振动 冲击波 空化空蚀 作用 输水 是长距离输水建筑物 2 平面布置及纵横剖面 总原则 a 直线 等宽 对称布置 但工程中常采用收缩段 以减小工程量 扩散段 减小单宽流量 弯曲段 解决洪水归河问题 挖方工程 深窄断面填方工程 宽浅断面 达到经济目的 c 横断面 岩基上为矩形 土基上为梯形 但边坡不宜太缓 以防水流外溢 一般取1 1 1 2 底宽由泄流量确定 边墙高由掺气水深确定 b 纵断面 陡坡 由陡至缓 以反弧连接 由缓至陡 采用射流抛物曲线连接 4 收缩段 扩散段 弯曲段的设计 1 收缩段 b 设计内容及目的 确定收缩角 收缩段长度 使冲击波的影响最小 c 收缩角的确定 冲击波的最大波高取决于收缩角的大小 因此泄槽的收缩段多采用直线收缩 而不是流线型的曲线体型 a 水力现象 产生冲击波 使水流断面分布不均 局部水深加大 几何关系 局部水流连续条件 1 水跃基本方程 2 3 整体水流连续条件 4 计算步骤 验算 验算出口 要求 初选 由 2 3 计算得和 将所求得的当作 当作 经过同样计算 可得和 由式 1 得 进而得到和 2 扩散段 负向冲击波 要求 消能方便 减小出口单宽流量 不发生水流脱离边墙的现象 扩散角的确定 的取值 水平槽底取小值 即扩散角可大些斜坡槽底取大值 即扩散角可小些 3 弯曲段 受离心力作用 外侧水深大 流速与单宽流量分布不均 要求 使断面内流量分布均匀 抑制冲击波 设计方法 施加侧向力法 如渠底超高法 干扰处理法 如螺旋线过渡段法 渠底超高法 又 空化空蚀的原因 三 空化空蚀及其减蚀措施 空化 压力降低至蒸汽压力后 出现蒸汽气穴 初始空化 空蚀 气核膨胀遇高压溃灭 撞击固壁使固壁发生破坏 即发生空蚀 衡量水流发生空化可能性的指标 空化开始时的空化数称为初生空化数 实际水流空化数的计算 产生空化的条件 为未受扰动处水的流速 实际水流空化数大于初生空化数 则不发生空化 反之 压力越低 流速越高则越容易出现空蚀破坏 减蚀方法 选用好的体型 采用高强度的抗蚀材料 提高抗滑平整度 掺气减蚀 四 泄槽的衬砌 防冲 防渗 防风化 承载 混凝土及砌石结构 分缝但缝内必须做止水 衬砌底部设排水设备 有时衬砌要以钢筋锚固 四 出口消能段 挑流消能 采用新型挑流消能工 扭曲挑坎 斜切挑坎 差动挑坎 窄缝式挑坎等 适用于 岩基 底流消能 适用于土基 其特点 是强迫水流扩散 促进紊动 增大入水面积 减小单位面积河床上的冲击荷载 五 尾水渠 要求 短 平 直 底坡与下游尾水河道一致 使出口水流与尾水平顺连接 且不影响其它建筑物的安全 8 3其它形式的溢洪道 在坝址处山高坡陡 采用正槽式溢洪道将使挖方量增加很多时 可采用侧槽式溢洪道 2 特点 堰轴线 泄槽轴线可与山坡等高线平行布置 开挖量小 但侧槽中水流流态复杂 1 组成 溢流堰 侧槽 调整段 泄槽 出口消能段 尾水渠 一 侧槽式溢洪道 3 侧槽的设计 槽底高程应保证溢流堰为自由溢流 侧槽中水流应为缓流流态 底坡坡度为缓坡 1 0 01 1 0 05 泄流量沿侧槽轴线均匀增加 所以侧槽断面积应沿程增大 始末断面底宽比约为1 1 1 4 槽断面应为深窄型梯形断面 堰一侧边坡为1 0 5 山坡一侧边坡为1 0 3 1 0 5 调整段是侧槽后的平底梯形断面的渠道 作用是稳定水流 长度应大于2hk hk为临界水深 4 调整段的设计 调整段与泄槽间利用断面的局部收缩或槽底小坎构成一控制断面 使侧槽水流壅高后入泄槽 二 井式溢洪道 组成 溢流喇叭口 渐变段 弯曲段 泄水隧洞 出口消能段及尾水渠 特点 小流量 堰流 井内水流的连续性易遭破坏 水流不稳 容易出现振动和空蚀破坏 大流量 井口淹没出流 孔流 超泄能力较小 进口断面形式 实用堰 流量系数大 适用于大流量情况 平顶堰 施工方便 安装闸门方便 小流量时用得较多 堰 堰顶应设闸墩或导流墙 以使进口水流应平顺 对称 防止出现立轴漩涡 溢流堰进口体型应采用流线型设计 如可用自由射流曲线体型 设计 渐变段 使水流平顺地与竖井连接 避免水流与井壁脱离 水流为自由跌流 压力为大气压 竖井段 起稳定水流作用 该段流态为有压流 水流克服水头损失后 得到隧洞进口动能 弯段 为防止有害负压的出现 弯段常设通气孔 通气孔面积可为竖井面积的 10 15 三 虹吸式溢洪道 组成 喇叭型进水口 遮檐 虹吸管 通气孔 挑流坎 泄槽 出口消能段及尾水渠 工作原理 遮檐顶与虹吸管的堰顶均与正常高水位平齐 当上游水位高于正常高水位 开始泄流 利用挑流坎封