正槽溢洪道与侧槽溢洪道设计概述

水工建筑物课件

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：Hd＝（0.65～0.85）Hmax。上游堰高：P1≥0.3Hd；下游堰高：P2≥0.6Hd。反弧半径：R=（3～6）h（h为校核洪水位位闸门全开开时反弧最低低点的水深））当反弧下游为为平直段或消消力池护坦时时，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，其结结果是收缩段段以下的下泄泄水流被导向向与边墙平行行，扰动减至至最小。361根据动量原理理，偏转角θ和产生冲击波波后的水深h2之间的关系为为:2．扩散段362除了应当满足足上面提到的的两点外，还还必须保证水水流扩散时不不发生脱离边边墙的现象。。目前尚无成成熟理论可供供应用。解决决问题的最好好办法是通过过模型试验。。在初设时，，可根据急流流边墙不发生生分离的条件件来确定扩散散角。常采用圆弧曲曲线,弯曲半径R≥10b。（1）弯曲段的水水力学问题由于离心力的的作用，外侧侧水深大于内内侧水深，断断面内的流量量分布不均。。集中的急流流受到边墙转转折的限制，，形成冲击波波。①使断面内流流量分布均匀匀；②消除或抑制制这种冲击波波。3．弯曲段363弯曲段冲击波波的水力特性性。急流一进进入弯曲段，，就产生冲击击波，如图7–14所示。（2）水力设计方方法①施加侧向向力法：渠道道超高法、弯弯曲导流墙法法。原理：采取的的工程措施，，向弯曲区水水流施加作用用力，使它与与水流所受的的离心力相平平衡，以达到到消除干扰的的目的。②干扰处理理法：弯曲线线法、螺旋线线过渡区、斜斜槛法。原理：即在曲曲线的起点和和终点，引入入与原来的干干扰大小相等等但相位相反反，来消除原原来扰动的影影响。渠道超高法：：在弯曲区的横横剖面上，将将外侧渠底抬抬高造成一个个横向坡度。。原理：利用压压力沿横向坡坡度产生的分分力与弯曲区区水体的离心心力相平衡，，使水流在横横剖面上使之之均匀。改善善流态，减小小冲击波和保保持弯曲区水水面的稳定性性。C——系数，取决于于水流佛氏数、断面及及弯道几何形形状，对于急流、矩矩形断面和弯弯曲段为简单圆弧的的C＝2.0。为了保持泄槽槽中线的底部部高程不变，常常将内侧渠底底下降△Z/2，外侧抬高△△Z/2。（三）掺气减减蚀1、表面不平整整度⑴成因①施工期：施施工放样不准准，混凝土浇浇筑放样不准准确，混凝土土浇筑问题。。②运行期：：泥沙对表面面不均匀磨损损。⑵对平整度度的要求①施工：控制制施工质量；；对表面不平平整磨削处理理。②设计：我国国《溢洪道设计规规范》（SL253––2000）规定：不平平整允许高度度△，按流速速来定：如：：V＝20-30m/s——△△max=10mm。③抗空蚀措施施：掺气减蚀蚀、优化体形形、采用抗空空蚀材料等。。这个允许高度度△不能是高高差突变，必必须磨削成一一定的坡度，，这个坡度按按水流空化数数σ来进行磨削，，其要求见《溢洪道设计规规范》（SL253––2000）。2．掺气减蚀⑴机理尚未研究清楚楚。一般认为为：①掺气可使过过水边界上的的负压减小或或消除，有利利于制止空蚀蚀的发生。②若空穴中含含有一定数量量的空气，破破灭时破坏力力减弱。③空气泡的存存在，对空穴穴溃灭时的破破坏力有缓冲冲气垫作用。⑵《溢洪道设计规规范》（SL253––2000）规定水流掺气后，，不平整度控控制标准可适适当放宽；当v=35～42m/s，近壁掺气浓浓度为3％～4％时，垂直凸凸体△≯30mm；近壁掺气浓度度为1％～2％时，△≯15mm；对△＞15mm的，应将其迎迎水面削成斜斜坡。规范还规定，，在掺气槽保保护范围内，，近壁处的掺掺气浓度不得得低于3%～4%。⑶掺气装置置主要包括两个个部分：A、借助低挑坎坎，跌坎或掺掺气槽，在射射流下形成一一个掺气空间间；B、通气系统：：为掺气空间间补气。掺气装置主要要类型a、掺气槽；b、挑坎；c、跌坎；d、挑坎与掺气气槽联合；e、跌坎与掺气气槽联合；f、挑坎与掺气气槽联合。挑坎与掺气槽槽联合式的水水流流态通常常较跌坎式和和突扩式为好好。①挑坎：高度度通常0.5-0.85m，挑角5-7°，斜面坡度1/10（不宜过陡））。②跌坡：高度度通常0.6－2.75m。③泄槽较长可设多多道掺气装置。图7–16掺气装置的主要类类型（a）掺气槽式；（b）挑坎式；（c）跌坎式；（d）挑、跌联合式；；（e）挑坎、掺气槽联联合式；（f）跌坎、掺气槽联联合式（四）泄槽边墙高高度H墙＝h掺气＋△A(0.5～1.5m）⑷掺气装置位置与与数目第一个掺气装置设设在空蚀破坏危险险区的开端，第二个设在近壁水水流空气含量下降降到3％～4％处，其后以此类类推。保护长度：反弧段段，70～100m；直线段，100～150m。例如：福兹杜阿里里亚河口溢洪道，，泄槽长350m，设三道掺气装置置，间距分别为72m和90m。（五）泄槽的衬砌砌衬砌的目的：⑴保护槽底不受受冲刷、岩石不受受风化；⑵防止高速水流流钻入岩石裂隙，，将岩石掀起。对衬砌的要求：（1）衬砌材料应能抵抵抗冲刷，因泄槽槽流速高；（2）衬砌表面应光滑滑平整，以免引起起负压和空蚀；（3）衬砌接缝处就作作好止水，防止高高速水流钻入泄槽槽底板，将底板掀掀起；（4）衬砌底板下应作作好排水，以减小小地下水形成的扬扬压力；（5）在各种力作用下下能保持稳定，平平时溢洪道不过水水，故衬砌还要承承受温度变化和风风化剥蚀的作用；；（6）寒冷地区,衬砌材料要有一定定的抗冻要求。作用在泄槽底板上上的力底板自重、水流拖拖拽力、扬压力、、水压力。1.岩基上的衬砌（1）衬砌形式①石灰浆砌石水水泥浆勾缝，适用用V＜10m/s，小型水库工程；；②石灰浆砌条石石或块石衬缝,适用V＜15m/s，中小型水库溢洪洪道。也有承受V＝20m/s的情况。δ＝30—60cm③混凝土衬砌，，适用：大、中型型工程。厚度≥30cm。（2）砼衬砌的分缝和和连接缝型：横缝、纵缝缝；间距：10—15m；温度筋：μ＝0.1％。①横缝（要求高））A、搭接式B、链槽式施工时注意：接缝缝处衬砌表面的平平整，防止下游块块面板高于上游块块面板，接缝中还还必须做好止水。。②纵缝（要求低））平接式，也要做好好缝中止水衬砌的的纵横缝下均需作作好排水，排水设设施相互连通。（3）泄槽两侧边墙A、岩石良好：采用用底板构造相同的的形式，横缝与底底板一致，厚度≥≥30cm，且用钢筋和锚筋筋B、岩石较弱：边墙墙做成重力式挡土土墙边墙北面应做做好排水，并与底底板排水相连边墙墙顶部应设马道，，便于交通在岩基基上层注意将表面面风化破碎的岩石石挖掉。衬砌压力力或向上脉动压力力可能较大的情况况，有时采用钢筋筋锚固于新鲜岩石石上。2土基上的泄槽衬砌砌横缝：采用搭接的的形式，并要求保保证接缝处的平整整，有时还在下块块上游做成齿墙，，嵌入地基，以防防滑动。纵缝：也做成搭接接的型式：衬砌：：砼，厚度0.3～0.5m（0.7～1m）。衬砌需双向配筋（（温度筋），各向向含钢率约0.1%,在土基上或很差的的岩基上，必须在在衬砌底板之下设设置层面排水,以免底板承受渗透透压力。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、出口消能段及及尾水渠溢洪道出口的消能能方式与溢流重力力坝基本相同。1.消能工的形式⑴挑流消能新形式：扭曲挑坎坎斜挑坎、窄缝式式挑坎等。挑流消消能适用于较好的的岩基，泄槽挑流流冲刷坑不影响建建筑物的安全。深齿墙：为了保证证挑坎的稳定，常常在挑坎的末端做做一道深齿墙，其其底部高程应低于于冲刷坑可能影响响的高程。护坦：考虑到泄量量很小时，水流挑挑射不远或者挑不不出去，沿齿墙下下跌的情况，无论论土基还是凹面岩岩基，一般都要设设置砼护坦以保护护齿墙墙脚。⑵底流消能：适适用于地质较差情情况。2.尾水渠在有的情况下，若若流经泄槽的急流流经过消能之后，，不能直接进入原原河道时，需布置置一段尾水渠。7.3侧槽溢洪道一、侧槽溢洪道的的特点1.布置：适用于水头头较高，岸坡较陡陡，岩石坚固而泄泄量较小的情况，，一般不宜修建在在土基上。2.组成:由溢流堰、侧槽、、泄槽、出口消能能组成，与正槽式式不同的只是侧槽槽。3.水力：侧向进水、、纵向泄流（水流流转90°弯）在坝长范围内内，侧槽流量沿程程递增（沿程流量量变流量）水流自自溢流坝进入侧槽槽后，先自下部冲冲向对面的槽壁，，再向上翻腾，产产生旋浪，同时在在重力作用下逐步步转向，通过泄水水槽，向下游宣泄泄，侧槽水流形成成一种不完全规则则的顺横轴螺旋流流流态。二、侧槽设计设计的主要任务：：保证泄洪安全，，流态良好，施工工方便。设计原则：①假定泄流量沿沿侧槽均匀增加；；②由于过堰水流转转向约90°，大部分能量消耗耗于侧槽内水体间间的旋滚撞击，认认为侧槽中水流的的顺槽速度完全取取决于侧槽的水面面坡降，故槽底应应有一定的坡度；；③为了使流稳定定均匀，水流应处处于缓流状态；④侧槽中的水面面高程要保证溢流流坝为自由出流，，因为淹没出游不不但使流量降低，，影响溢流坝的泄泄