侧槽溢洪道原理与设计计算

1、侧槽溢洪道 一、概一、概 述述 1 1、适用范围：适用范围： 当水利枢纽的拦河坝难以本当水利枢纽的拦河坝难以本身溢流，且两岸陡峭，布置正槽身溢流，且两岸陡峭，布置正槽溢洪道将导致巨大开挖量时，可溢洪道将导致巨大开挖量时，可采用侧槽式溢洪道。采用侧槽式溢洪道。 2 2、组成部分：组成部分： 侧槽溢洪道由溢流堰、侧槽侧槽溢洪道由溢流堰、侧槽和泄水道三个主要部分组成和泄水道三个主要部分组成。 图836 侧槽明流溢洪道典型布置 3、工作原理：工作原理：溢流堰轴线大致顺河岸等高线布置，水流过堰后进入溢流堰轴线大致顺河岸等高线布置，水流过堰后进入 与堰轴线平行的侧槽内，然后通过泄水道泄往下游。此泄水道与堰

2、轴线平行的侧槽内，然后通过泄水道泄往下游。此泄水道 可为类似于上节所述的明流陡坡泄槽以及相应的消能段，也可可为类似于上节所述的明流陡坡泄槽以及相应的消能段，也可 由斜井、泄水隧洞组成，如图由斜井、泄水隧洞组成，如图837。 图837 侧槽斜井溢洪道 4、工工 作作 特特 点：点： 与正槽溢洪道相比，侧槽溢洪道的溢流前缘可少与正槽溢洪道相比，侧槽溢洪道的溢流前缘可少 受地形限制，而向上游库岸延伸，由增加溢流前缘长度受地形限制，而向上游库岸延伸，由增加溢流前缘长度 而引起的开挖量增加较少，从而可以较长的溢流前缘换而引起的开挖量增加较少，从而可以较长的溢流前缘换 取较低的调洪水位，或者换取较高的堰顶

3、高程；取较低的调洪水位，或者换取较高的堰顶高程； 当无闸门控制时后者实即增加了兴利库容，对当无闸门控制时后者实即增加了兴利库容，对 中小型工程尤为有利；中小型工程尤为有利； 侧槽中水流流态复杂。侧槽中水流流态复杂。二、侧槽中的水流特性二、侧槽中的水流特性l 侧槽中水流是侧槽中水流是沿程变量的非均匀流沿程变量的非均匀流。进槽。进槽水流立即转弯近水流立即转弯近90度顺槽轴线流向下游，对不度顺槽轴线流向下游，对不同的侧槽断面流量不同，上游端流量小，向下同的侧槽断面流量不同，上游端流量小，向下游不断增大，直至侧堰结束时达到最大。游不断增大，直至侧堰结束时达到最大。 横断面上水面不水平。水流自侧堰跌入侧

4、横断面上水面不水平。水流自侧堰跌入侧槽后，在惯性作用下冲向侧堰对岸壁，并向上槽后，在惯性作用下冲向侧堰对岸壁，并向上翻腾，在重力作用下转向下游流去，在槽中形翻腾，在重力作用下转向下游流去，在槽中形成一个成一个横轴螺旋流横轴螺旋流。堰对岸水面较高，通常水。堰对岸水面较高，通常水力计算只求出平均水面线。力计算只求出平均水面线。 838 侧槽内复杂的流态二二 侧槽内水面曲线的计算侧槽内水面曲线的计算 设侧槽断面按一定规律沿程扩展，各断面流设侧槽断面按一定规律沿程扩展，各断面流量按一定规律沿程增加。取侧槽的一个微分段量按一定规律沿程增加。取侧槽的一个微分段考虑，其底坡为考虑，其底坡为 ，为更具普遍性计

5、算，自，为更具普遍性计算，自侧槽进入侧槽的流向与槽轴线不正交，正交于侧槽进入侧槽的流向与槽轴线不正交，正交于槽轴线的流速分量为槽轴线的流速分量为u u（与（与u u垂直的另一分量为垂直的另一分量为v v）。如设通过）。如设通过n nn n断面的流量为断面的流量为Q Q，水深为，水深为h h，过水断面为过水断面为 ，断面平均流速为，断面平均流速为V V，；而在，；而在n n1 1断面流量、水深、断面平均流速为断面流量、水深、断面平均流速为Q+dQQ+dQ、h hdhdh、V+dVV+dV；两断面在槽底相距；两断面在槽底相距dsds。由变量流。由变量流的动量定律可导出下列水面线微分方程：的动量定律

6、可导出下列水面线微分方程： （8 82828）其中其中C C为谢才系数，为谢才系数，R R为水力半径，为水力半径，B B为槽底宽。为槽底宽。 0i32232222012gBQdsdQgQVusgQRCQidsdh图839 侧槽沿程变量流微分段 此式即非棱柱体侧槽中沿程变量流的基本方程式。此式即非棱柱体侧槽中沿程变量流的基本方程式。 令令dQ0，就成为恒定渐变非均匀流的微分方程式。，就成为恒定渐变非均匀流的微分方程式。 对于通常侧槽，水流方向基本上垂直于槽轴线，这时对于通常侧槽，水流方向基本上垂直于槽轴线，这时v0，于是有：，于是有：32232222012gBQdsdQgQsgQRCQidsdh

7、（829）对于棱柱体侧槽 ，则有0s322222012gBQdsdQgQRCQidsdh（830） 令式（令式（829）中）中 则可得则可得 ，即当，即当 满足式（满足式（831）的条件，则在）的条件，则在非棱柱体侧槽中（且在非棱柱体侧槽中（且在v0的情况下）就能得大致等深的水流。的情况下）就能得大致等深的水流。 方程式（方程式（829）（）（830）都是假定）都是假定h仅随仅随s而变化，对于同一横断面则而变化，对于同一横断面则认为水深无变化。而实际上侧堰对岸一侧水深高于侧堰水深，所以方程中认为水深无变化。而实际上侧堰对岸一侧水深高于侧堰水深，所以方程中h应理应理解成横断面平均水深。试验观测表

8、明，横断面最大水深可能比这个平均水深大解成横断面平均水深。试验观测表明，横断面最大水深可能比这个平均水深大（520）. 为更简便计算侧槽水面曲线，如图为更简便计算侧槽水面曲线，如图840所示侧槽，忽略沿程摩阻所示侧槽，忽略沿程摩阻损失，由动量定律得公式为：损失，由动量定律得公式为： 022322220dsdQgQsgQRCQi（831）0dsdhdsdQsQi和,01221211QQVVQQvvgQy（832）图840 侧槽水面曲线计算简图式中y为相邻两断面、的水面高差, Q=Q2 Q1， VV2V1三三 侧槽设计步骤侧槽设计步骤1、根据调洪演算及方案优选，首先、根据调洪演算及方案优选，首先定

9、出侧堰堰顶高程和过堰单宽流量定出侧堰堰顶高程和过堰单宽流量，选定，选定侧槽长度侧槽长度。2、为节省开挖量，侧槽多选用、为节省开挖量，侧槽多选用深窄梯形断面深窄梯形断面。在满足水流要求和变坡稳定条件下，侧堰。在满足水流要求和变坡稳定条件下，侧堰 侧的边坡一般可用侧的边坡一般可用1：0.5，对岸边坡则可用，对岸边坡则可用1：0.31：0.5。3、选定侧槽底宽选定侧槽底宽。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。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 底宽比约为底宽比约为1:11:4；4、选定槽底纵坡选定槽底纵坡i0。槽底高程应保证溢流堰为自由溢流，侧槽中

10、水流应为缓流流态，底。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，坡坡度为缓坡，1:0.011:0.055、选定经济的槽末水深选定经济的槽末水深hl。为减少侧槽开挖量，宜取。为减少侧槽开挖量，宜取hL （1.21.5)hk,这里这里 hk为槽为槽 末流量末流量QL相应的临界水深。相应的临界水深。6、为避免槽内紊乱波动水流直接进入泄槽（或斜井），保证下游较好的水力条件，、为避免槽内紊乱波动水流直接进入泄槽（或斜井），保证下游较好的水力条件， 侧槽结束后还应侧槽结束后还应设置适当的调整段和控制断面设置适当的调整段和控制断面（图（图840）。）。7、以侧槽末端断面为起算

11、断面，选用适当的水面曲线差分方程，逐段向上游、以侧槽末端断面为起算断面，选用适当的水面曲线差分方程，逐段向上游推算水面推算水面 高差和相应水深。高差和相应水深。8、选定起始断面的水面高程选定起始断面的水面高程。为使溢流堰为非淹没出流，起始断面水面超过堰顶的高。为使溢流堰为非淹没出流，起始断面水面超过堰顶的高 度度hb应不超过应不超过0.5H，其中，其中H为堰顶溢流水头。为堰顶溢流水头。9、自起始断面既定的水面高程，引用第、自起始断面既定的水面高程，引用第7步计算成果向下游步计算成果向下游推算各断面水面高程和堰推算各断面水面高程和堰 底高程，从而得到侧槽的全部形态底高程，从而得到侧槽的全部形态第

12、四节第四节 其他型式的溢洪道其他型式的溢洪道一、井式溢洪道一、井式溢洪道 1、组组 成成：溢流喇叭口、渐变段、弯曲段、泄水隧洞、出口消能段及尾水渠。溢流喇叭口、渐变段、弯曲段、泄水隧洞、出口消能段及尾水渠。 2、工作原理：、工作原理：井式溢洪道工作时水流从四周经环形堰径跌入喇叭口，并在一定井式溢洪道工作时水流从四周经环形堰径跌入喇叭口，并在一定深度处水舌相互汇交，逐渐成有压流，再经深度处水舌相互汇交，逐渐成有压流，再经隧洞泄往下游进入喇叭口的流量决定于堰隧洞泄往下游进入喇叭口的流量决定于堰顶水头、堰的型式和周长；流量能否顺利顶水头、堰的型式和周长；流量能否顺利泄出隧洞取决于隧洞的断面尺寸以及竖

13、井泄出隧洞取决于隧洞的断面尺寸以及竖井内形成的压力水头。进水为自由堰流，出内形成的压力水头。进水为自由堰流，出水为有压管流，所以井式溢洪道适应的水水为有压管流，所以井式溢洪道适应的水头达头达100200m。 图841 井式溢洪道图842 竖井喇叭口比较l3、工作特点：、工作特点：l 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；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；l 大流量井口淹没出流，孔流，超泄能力较小；大流量井口淹没出流，孔流，超泄能力较小；l4、进口断面形式：、进口断面形式：l 实用堰：流量系数大，适用于大流量情况。实用堰：流

14、量系数大，适用于大流量情况。l 平顶堰：施工方便，安装闸门方便，小流量时用得较多。平顶堰：施工方便，安装闸门方便，小流量时用得较多。l5、设、设 计：计：l 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；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。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。l 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。力为大气压。l 竖井段：起稳定水流

15、作用。该段流态为有压流，水流克服水头损失后，得到隧洞竖井段：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。进口动能。 二、虹吸溢洪道二、虹吸溢洪道 l1、组、组 成成：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：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l 尾水渠。尾水渠。l 2、工作特点：、工作特点：利用虹吸作用，在较小的堰顶水头下得到较大的泄流量，启闭灵活、利用虹吸作用，在较小的堰顶水头下得到较大的泄流量，启闭灵活、 l 运行方便。运行方便。 l 但结构复杂，检修不便，进口易被污物或冰块等堵塞；且超泄能力但结构复杂，检修不便

16、，进口易被污物或冰块等堵塞；且超泄能力l 低，负压过大时，易产生空化空蚀。大型工程应用不多。低，负压过大时，易产生空化空蚀。大型工程应用不多。l 3、工作原理：、工作原理：l 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，利用挑流坎封闭虹吸管，水流带走空气，形成虹吸。通入空气，则虹吸始泄流，利用挑流坎封闭虹吸管，水流带走空气，形成虹吸。通入空气，则虹吸l作用被破坏，泄流停止。作用被破坏，泄流停止。l 图847 河岸虹吸溢洪道首部1遮檐；2通气孔；3挑流坎；4弯曲段；5排污孔 虹吸溢洪道的前端有一位虹吸溢洪道的前端有一位于正常库水位以下的进口，其于正常库水位以下的进口，其顶盖成为遮檐，与顶盖成为遮檐，与 遮檐共同形遮檐共同形成虹吸管道的下部结构即为溢成虹吸管道的下部结构即为溢流堰。遮檐在泄洪时淹入水下流堰。遮檐在泄洪时淹入水下的深度应使进水时不致于挟入的深度应使进水时不致于挟入空气和漂浮物。溢流堰顶高程空气和漂浮物。溢流堰顶高程与正常高水