岸边溢洪道设计概述72内容丰富

水工建筑物课件

水利水电工程系李守义2013年第七章岸边溢洪道7.1概述

7.2正槽溢洪道7.3侧槽溢洪道7.4非常泄洪设施本章的主要内容：7.1概述

土坝水利枢纽的三大件——土坝、溢洪道、隧洞。溢洪道——是水库的太平门,泄洪保坝是主要作用。本章重点讨论土石坝枢纽中的岸边溢洪道。

1、设计要求⑴过得去——能通过设计的泄流量（控制段）。⑵泄得下——主要指泄槽的设计要满足泄流要求。⑶冲不垮——主要指泄槽和下游消能工在高速水流作用下不发生破坏。

一、设计要求和优点2、优点⑴超泄能力大（表孔）。⑵闸门总作用力P小，操作检修方便，安全可靠。二、类型

1.正槽溢洪道——堰轴线与泄槽轴线接近正交，过堰水流的流向与泄槽的轴线方向一致。

2.侧槽溢洪道——堰设在侧槽一侧，过堰水流在侧槽内转向约90o后经泄槽泄下。适应于坝址处山头较高，岸坡陡峭时，无合适地形布置正槽溢洪道或开挖量过大。缺点是流态不如正槽溢洪道。

3井式溢洪道——在平面上进口为一环形溢流堰，水流过堰后，经竖井和隧洞泄出。当水位上升，喇叭口溢流堰顶淹没后，堰流即转变为孔流，所以井式溢洪道的超泄能力较小。当宣泄小流量，井内的水流连续性遭到破坏时，水流很不稳定，容易产生振动和空蚀。我国目前较少采用。

4.虹吸溢洪道——与坝体结合在一起，利用虹吸作用，能在较小的H下得到较大的泄流量，水流出虹吸管后由泄槽泄下。优：管理方便，可自动泄水和停止泄水，能比较灵敏地自动调节上游水位。缺：①结构复杂；②管内检修不便；③进口易堵塞；④真空度较大时，易引起空蚀；⑤超泄能力较小。7.2正槽溢洪洪道一、组成成与布置置原则1.组成⑴引水水渠——溢洪道同同水库的的连接段段。⑵控制制段——是水库下下泄洪水水的口门门，控制制泄流能能力。⑶泄槽槽——将过堰洪洪水安全全地泄向向下游。。⑷消能能段——消散多余余能量，，使水流流平缓进进入尾水水渠或直直接注入入下游河河道。⑸尾水水渠——解决泄流流的归河河问题。。2.布置原则则安全、经经济、便便于施工工和管理理。⑴地形形——线路要尽尽量的直直、短，，利用枢枢纽附近近合适的的马鞍形形垭口，，如无垭垭口可利利用和中中缓的岸岸坡；在在坡陡情情况下，，选用侧侧槽式。。⑵地质质——力争布置置在较坚坚固稳定定的岩基基上，如如土基应应布置在在挖方上上，还须须进行地地基处理理，如岩岩基有断断层，破破碎带等等应摸清清情况，，采取合合理的加加固措施施，如风风化层太太厚或挖挖方过多多会引起起山坡坍坍塌，可可考虑采采用隧洞洞泄洪。。⑶枢纽纽布置——溢洪道进进口应位位于水流流顺畅处处，与土土石坝应应有相当当的距离离；如太太近，则则须加设设导墙（（或加强强临近坝坝坡的护护坡），，溢流堰堰前加引引水渠应应较短，，以减少少水头损损失，提提高泄水水能力。。下游出出口应距距坝脚及及其它建建筑物保保持一定定距离（（200m），太近近则须增增设合适适的防护护建筑物物。⑷施工工——对出渣路路线及堆堆料场都都要合适适地布置置，有可可能利用用开挖的的土石方方量来填填筑土石石坝，避避免各建建筑物施施工相互互干扰。。⑸管理理运行——方便、安安全、可可靠，解解决好溢溢洪道与与大坝之之间的交交通问题题和通讯讯问题。。一、引水水渠尽量不设设引水渠渠，只设设一个喇喇叭口；；当地形形上需设设引水渠渠时，要要求引水水渠水流流平顺,水头损失失小,增加泄水水能力,减少工程程量。应应注意的的几个问问题：1、引水渠渠上尽量量直、短短(水流平顺顺，可防防止旋涡涡和横向向水流））当受地地形、地地质等条条件限制制，引水水渠必须须较弯，，其转弯弯半径R＞（4～6）B，弯道至至溢流堰堰应有d＞（2～3）H直线长度度，以便便调整水水流使之之均匀平平顺入堰堰。2、v、iv应大于悬悬移质不不淤流速速，小于于渠道的的不冲流流速，设设计流速速宜采用用v=3～5m/s。（碧口口岸边溢溢洪道，，v=5.8m/s）引水渠底底坡可做做成：i=0或逆坡，，不设正正坡。3、引水渠渠的过水水断面一一定要大大于控制制段的过过水断面面。4、开挖和和衬砌岩基：接接近矩形形。新鲜鲜岩石为为1:0.1～1:0.3，风化岩岩1:0.5～1:1.0。可不衬衬砌。土基：梯梯形。边边坡根据据土坡稳稳定要求求确定，，一般1:1.5～1:2.5。要衬砌砌混凝土土板、浆浆砌石护护面。二、控制制段（溢溢流堰））作用：控控制溢洪洪道的过过水能力力。1.堰型（1）宽顶堰堰——结构简单单，施工工方便，，m=0.32～0.385，Q小，适用用中、小小型工程程。⑵实用用堰——m=0.47～0.49，Q大，Q相同，需需要的溢溢流前缘缘较短，，工程量量相对较较小，但但施工较较复杂。。适用大大、中型型水库，，特别是是岸坡较较陡时多多用。（3）驼峰堰堰——是一种复复合圆弧弧的低堰堰，是从从工程实实践中总总结出来来的一种种堰型。。m=0.40～0.46。岳城水水库溢洪洪道采用用驼峰堰堰。⑷折线线形堰——为获得较较长的溢溢流前沿沿，在平平面上将将溢流堰堰做成折折线形，，称折线线形堰。。堰体由由若干个个折线组组成，形形同迷宫宫，也称称为迷宫宫堰。体形设计计要求：：尽量增增大流量量系数，，但要控控制泄流流时不产产生空穴穴水流或或诱发危危险振动动的负压压。常用的堰堰形：宽宽顶堰、、实用堰堰2.实用堰多采用非非真空堰堰。高堰：P1/Hd＞1.33，低堰：0.3≤P1/Hd≤1.33，其流量量系数m介于重力坝和和宽顶堰堰之间。。定型水头头：Hd＝（0.65～0.85）Hmax。上游堰高高：P1≥0.3Hd；下游堰高高：P2≥0.6Hd。反弧半径径：R=（3～6）h（h为校核洪洪水位闸闸门全全开时反反弧最低低点的水水深）当反弧下下游为平平直段或或消力池池护坦时时，R=（6～12）h。v大时宜选用较较大值。3.堰顶高程的确确定（同重力力坝）⑴不设闸门门——▽堰＝▽正常⑵设闸门——▽堰＝▽设计-Hd三、泄槽水力特征：底底坡陡，急流流。由于流速速高，故会产产生明渠中高高速水流的问问题：冲击波波、水流掺气气、空蚀、压压力脉动，应应采取相应的的措施。（一）泄槽的的平面布置及及纵、横剖面面1、平面（1）为使水流平平顺，减少冲冲击波，平面面宜尽量采用用直线、等宽宽、对称布置置。（2）泄槽长，受受地质、地形形条件限制，，不能完全做做成直线，需需要转弯，R≥10b（b：陡槽直线段段的平均宽度度）。（3）为了减小泄泄槽末端的单单宽流量，以以利于消能防防冲，有时在在泄槽末端设设扩散段。2、纵断面（1）v大，一般设在在挖方上。（2）i＞ik最好一坡到底底。常用i=1％～5％，有时可达达10％～15％，在坚硬的的岩基上有用用到1：1的。（3）当坡度由陡陡变缓时，i1＞i2，需用反弧连连接，R＝（3～6）h（变坡处的断断面水深），，v大者宜取大值值。（4）当坡度由缓缓变陡时，i1＜i2，应采用射流流抛物线来连连接。3、横剖面岩基:矩形或接近矩矩形；土基或节理发发育和破碎带带的岩基上：：梯形（1：1～1：2）。刘家峡右岸溢溢洪道，泄槽槽纵坡由6个坡段组成，，变坡5次，1969年断续过水总总时数324h，v=30m/s，Q=2350m3/s，泄槽破坏比较较严重的有3处，都发生在在泄槽底坡由由陡变缓处，，底板被掀走走，地基被冲冲刷，最深达达13m。（二）收缩段段、扩散段和和弯曲段在急流中，由由于边墙改变变方向，水流流受到扰动，，就会引起冲冲击波。危害：冲击波波的波动范围围可能延伸很很远，使水流流沿横剖面分分布不均匀，，从而增加边边墙高度，并并给泄槽工作作及出口消能能带来不利的的影响。1、收缩段合理的收缩段段应使引起的的冲击波的高高度最小，对对收缩段以下下泄槽中的水水流扰动最小小。根据冲击击波理论：冲冲击波的最大大波高决定于于侧墙偏转角角θ，偏转角大，，最大波高也也增大，而与与边墙偏转曲曲率无关。确定：(1）收缩段的长长度L，（2）侧压的偏角角θ。在图7–11（a）所示的直线线边墙收缩段段中，由于边边墙向内偏转转θ角，急流受边边墙阻碍，迫迫使水流从收收缩边墙起点点和，开始沿边墙墙转向，发生生水面局部壅壅高的正扰动动，壅高的扰扰动线在B点交汇后传播播至和再发生反射。。在收缩段末末端和因边墙向外偏偏转，水流失失去依托而发发生水面局部部跌落的负扰扰动，其扰动动线也向下游游传播，如图图中虚线所示示。由于这些作用用叠加的结果果，将使下游游流态更为复复杂。如果能能使、分别与、重合，如图7–11（b）所示，即正正扰动的反射射和负扰动的的反射同时在在同一点发生生，两者互相相抵消，其结结果是收缩段以下的下泄水水流被导向与与边墙平行，，扰动减至最最小。361根据动量原原理，偏转转角θ和产生冲击击波后的水水深h2之间的关系系为:2．扩散段362除了应当满满足上面提提到的两点点外，还必必须保证水水流扩散时时不发生脱脱离边墙的的现象。目目前尚无成成熟理论可可供应用。。解决问题题的最好办办法是通过过模型试验验。在初设设时，可根根据急流边边墙不发生生分离的条条件来确定定扩散角。常采用圆弧弧曲线,弯曲半径R≥10b。（1）弯曲段的的水力学问问题由于离心力力的作用，，外侧水深深大于内侧侧水深，断断面内的流流量分布不不均。集中中的急流受受到边墙转转折的限制制，形成冲冲击波。①使断面内内流量分布布均匀；②消除或抑抑制这种冲冲击波。3．弯曲段363弯曲段冲击击波的水力力特性。急急流一进入入弯曲段，，就产生冲冲击波，如如图7–14所示。（2）水力设计计方法①施加侧侧向力法：：渠道超高高法、弯曲曲导流墙法法。原理：采取取的工程措措施，向弯弯曲区水流流施加作用用力，使它它与水流所所受的离心心力相平衡衡，以达到到消除干扰扰的目的。。②干扰处处理法：弯弯曲线法、、螺旋线过过渡区、斜斜槛法。原理：即在在曲线的起起点和终点点，引入与与原来的干干扰大小相相等但相位位相反，来来消除原来来扰动的影影响。渠道超高法法：在弯曲区的的横剖面上上，将外侧侧渠底抬高高造成一个个横向坡度度。原理：利用用压力沿横横向坡度产产生的分力力与弯曲区区水体的离离心力相平平衡，使水水流在横剖剖面上使之之均匀。改改善流态，，减小冲击击波和保持持弯曲区水水面的稳定定性。C——系数，取决决于水流佛佛氏数、断面面及弯道几几何形状，，对于急流、、矩形断面面和弯曲段段为简单圆弧弧的C＝2.0。为了保持泄泄槽中线的的底部高程不变，，常将内侧侧渠底下降降△Z/2，外侧抬高高△Z/2。（三）掺气气减蚀1、表面不平平整度⑴成因①施工期：：施工放样样不准，混凝土浇筑放样不不准确，混凝土浇筑问题。。②运行期期：泥沙对对表面不均均匀磨损。⑵对平整整度的要求求①施工：控控制施工质质量；对表表面不平整整磨削处理理。②设计：我我国《溢洪道设计计规范》（SL253–2000）规规定定：：不不平平整整允允许许高高度度△△，，按按流流速速来来定定：：如如：：V＝20-30m/s————△△max=10mm。③抗抗空空蚀蚀措措施施：：掺掺气气减减蚀蚀、、优优化化体体形形、、采采用用抗抗空空蚀蚀材材料料等等。。这个个允允许许高高度度△△不不能能是是高高差差突突变变，，必必须须磨磨削削成成一一定定的的坡坡度度，，这这个个坡坡度度按按水水流流空空化化数数σ来进进行行磨磨削削，，其其要要求求见见《溢洪洪道道设设计计规规范范》（SL253––2000）。。2．掺掺气气减减蚀蚀⑴机机理理尚未未研研究究清清楚楚。。一一般般认认为为：：①掺掺气气可可使使过过水水边边界界上上的的负负压压减减小小或或消消除除，，有有利利于于制制止止空空蚀蚀的的发发生生。。②若若空空穴穴中中含含有有一一定定数数量量的的空空气气，，破破灭灭时时破破坏坏力力减减弱弱。。③空空气气泡泡的的存存在在，，对对空空穴穴溃溃灭灭时时的的破破坏坏力力有有缓缓冲冲气气垫垫作作用用。⑵《溢洪道设设计规范范》（SL253–2000）规定水流掺气气后，不不平整度度控制标标准可适适当放宽宽；当v=35～42m/s，近壁掺掺气浓度度为3％～4％时，垂垂直凸体体△≯30mm；近壁掺气气浓度为为1％～2％时，△△≯15mm；对△＞15mm的，应将将其迎水水面削成成斜坡。。规范还规规定，在在掺气槽槽保护范范围内，，近壁处处的掺气气浓度不不得低于于3%～4%。⑶掺气气装置主要包括括两个部部分：A、借助低低挑坎，，跌坎或或掺气槽槽，在射射流下形形成一个个掺气空空间；B、通气系系统：为为掺气空空间补气气。掺气装置置主要类类型a、掺气槽槽；b、挑坎；；c、跌坎；；d、挑坎与与掺气槽槽联合；；e、跌坎与与掺气槽槽联合；；f、挑坎与与掺气槽槽联合。。挑坎与掺掺气槽联联合式的的水流流流态通常常较跌坎坎式和突突扩式为为好。①挑坎：：高度通通常0.5-0.85m，挑角5-7°°，斜面坡坡度1/10（不宜过过陡）。。②跌坡：：高度通通常0.6－2.75m。③泄槽较较长可设设多道掺掺气装置置。图7–16掺气装置置的主要要类型（a）掺气槽槽式；（（b）挑坎式式；（c）跌坎式式；（d）挑、跌跌联合式式；（e）挑坎、、掺气槽槽联合式式；（f）跌坎、、掺气槽槽联合式式（四）泄泄槽边墙墙高度H墙＝h掺气＋△A(0.5～1.5m）⑷掺气装装置位置置与数目目第一个掺掺气装置置设在空空蚀破坏坏危险区区的开端端，第二个设设在近壁壁水流空空气含量量下降到到3％～4％处，其其后以此此类推。。保护长度度：反弧弧段，70～100m；直线段段，100～150m。例如：福福兹杜阿阿里亚河河口溢洪洪道，泄泄槽长350m，设三道道掺气装装置，间间距分别别为72m和90m。（五）泄泄槽的衬衬砌衬砌的目目的：⑴保护护槽底不不受冲刷刷、岩石石不受风风化；⑵防止止高速水水流钻入入岩石裂裂隙，将将岩石掀掀起。对衬砌的的要求：：（1）衬砌材材料应能能抵抗冲冲刷，因因泄槽流流速高；；（2）衬砌表表面应光光滑平整整，以免免引起负负压和空空蚀；（3）衬砌接接缝处就就作好止止水，防防止高速速水流钻钻入泄槽槽底板，，将底板板掀起；；（4）衬砌底底板下应应作好排排水，以以减小地地下水形形成的扬扬压力；；（5）在各种种力作用用下能保保持稳定定，平时时溢洪道道不过水水，故衬衬砌还要要承受温温度变化化和风化化剥蚀的的作用；；（6）寒冷地地区,衬砌材料料要有一一定的抗抗冻要求求。作用在泄泄槽底板板上的力力底板自重重、水流流拖拽力力、扬压压力、水水压力。。1.岩基上的的衬砌（1）衬砌形形式①石灰灰浆砌石石水泥浆浆勾缝，，适用V＜10m/s，小型水水库工程程；②石灰灰浆砌条条石或块块石衬缝缝,适用V＜15m/s，中小型型水库溢溢洪道。。也有承受受V＝20m/s的情况。。δ＝30—60cm③混凝凝土衬砌砌，适用用：大、、中型工工程。厚厚度≥30cm。（2）砼衬砌砌的分缝缝和连接接缝型：横横缝、纵纵缝；间距：10—15m；温度筋：：μ＝0.1％。①横缝（（要求高高）A、搭接式式B、链槽式式施工时注注意：接接缝处衬衬砌表面面的平整整，防止止下游块块面板高高于上游游块面板板，接缝缝中还必必须做好好止水。。②纵缝（（要求低低）平接式，，也要做做好缝中中止水衬衬砌的纵纵横缝下下均需作作好排水水，排水水设施相相互连通通。（3）泄槽两侧侧边墙A、岩石良良好：采采用底板板构造相相同的形形式，横横缝与底底板一致致，厚度度≥30cm，且用钢钢筋和锚锚筋B、岩石较较弱：边边墙做成成重力式式挡土墙墙边墙北北面应做做好排水水，并与与底板排排水相连连边墙顶顶部应设设马道，，便于交交通在岩岩基上层层注意将将表面风风化破碎碎的岩石石挖掉。。衬砌压压力或向向上脉动动压力可可能较大大的情况况，有时时采用钢钢筋锚固固于新鲜鲜岩石上上。2土基上的的泄槽衬衬砌横缝：采采用搭接接的形式式，并要要求保证证接缝处处的平整整，有时时还在下下块上游游做成齿齿墙，嵌嵌入地基基，以防防滑动。。纵缝：也也做成搭搭接的型型式：衬衬砌：砼砼，厚度度0.3～0.5m（0.7～1m）。衬砌需双双向配筋筋（温度度筋），，各向含含钢率约约0.1%,在土基上上或很差差的岩基基上，必必须在衬衬砌底板板之下设设置层面面排水,以免底板板承受渗渗透压力力。图7–21土基上泄槽底板的构造（a）横缝；（b）纵缝1-止水；2-横向排水管；3-灰浆座垫；4-齿墙；5-透水垫层；6-纵向排水管四、出口口消能段段及尾水水渠溢洪道出出口的消消能方式式与溢流流重力坝坝基本相相同。1.消能工的的形式⑴挑流流消能新形式：：扭曲挑挑坎斜挑挑坎、窄窄缝式挑挑坎等。。挑流消消能适用用于较好好的岩基基，泄槽槽挑流冲冲刷坑不不影响建建筑物的的安全。。深齿墙：：为了保保证挑坎坎的稳定定，常在在挑坎的的末端做做一道深深齿墙，，其底部部高程应应低于冲冲刷坑可可能影响响的高程程。护坦：考考虑到泄泄量很小小时，水水流挑射射不远或或者挑不不出去，，沿齿墙墙下跌的的情况，，无论土土基还是是凹面岩岩基，一一般都要要设置砼砼护坦以以保护齿齿墙墙脚脚。⑵底流流消能：：适用于于地质较较差情况况。2.尾水渠在有的情情况下，，若流经经泄槽的的急流经经过消能能之后，，不能直直接进入入原河道道时，需需布置一一段尾水水渠。7.3侧槽溢洪洪道一、侧槽槽溢洪道道的特点点1.布置：适适用于水水头较高高，岸坡坡较陡，，岩石坚坚固而泄泄量较小小的情况况，一般般不宜修修建在土土基上。。2.组成:由溢流堰堰、侧槽槽、泄槽槽、出口口消能组组成，与与正槽式式不同的的只是侧侧槽。3.水力：侧侧向进水水、纵向向泄流（（水流转转90°弯）在坝坝长范围围内，侧侧槽流量量沿程递递增（沿沿程流量量变流量量）水流流自溢流流坝进入入侧槽后后，先自自下部冲冲向对面面的槽壁壁，再向向上翻腾腾，产生生旋浪，，同时在在重力作作用下逐逐步转向向，通过过泄水槽槽，向下下游宣泄泄，侧槽槽水流形形成一种种不完全全规则的的顺横轴轴螺旋流流流态。。二、侧槽槽设计设计的主主要任务务：保证证泄洪安安全，流流态良好好，施工工方便。。设计原则则：①假定定泄流量量沿侧槽槽均匀增增加；②由于过过堰水流流转向约约90°，大部分分能量消消耗于侧侧槽内水水体间的的旋滚撞撞击，认认为侧槽槽中水流流的顺槽槽速度完完全取决决于侧槽槽的水面面坡降，，故槽底底应有一一定的坡坡度；③为了使使流稳定均均匀，水流流应处于缓缓流状态；④侧槽中中的水面高高程要保证证溢流坝为为自由出流流，因为淹淹没出游不不但使流量量降低，影影响溢流坝坝的泄流能能力，而且且据试验可可知，若淹淹没到程度度后，侧槽槽出口的流流量分布极极不均