第五章 溢洪道.ppt

1、返回,返回,第五章 岸边溢洪道 一、溢洪道是水利枢纽中的一项主要建筑物,它泄洪起着保护大坝安全的重要作用。 设河岸溢洪道的原因： 1）土坝本身不能泄水 2）河谷狭窄，厂坝争位 3）坝身泄水能力不足,另设泄洪道（如支墩坝等轻型坝）,溢洪道通常是开敞的，其宣泄能力与堰上水头的3/2次方成正比，故超泄能力大；其次，闸门承重水头压力较小，操作方便，工作安全可靠。,二、河岸溢洪道的型式及其位置的选择 （一）型式 （1）正槽式 （2）侧槽式 （3）竖井式 （4）虹吸式,（二）位置的选择 应全面考虑地形、地质、枢纽布置、施工、 运行条件，通过几个方案的技术经济比较来 确定。 1、地形：利用枢纽附近合适的马鞍

2、形垭口， 如无垭口可利用中缓的岸坡；在坡 陡情况下，选用侧槽式。,2、地质：力争布置在较坚固稳定的岩基上，如土基应布置在挖方上，还须进行地基处理，如岩基有断层，破碎带等应摸清情况，采取合理的加固措施，如风化层太厚或挖方过多会引起山坡坍塌，可考虑采用隧洞泄洪。,3、枢纽布置：溢洪道进口应位于水流顺畅处，且与土石坝应存有相当的距离；如太近，则须加设导墙（或加强临近坝坡的护坡），溢流堰前加引水渠应较短，以减少水头损失，提高泄水能力。,下游出口，应与土石坝的坝脚及其它建筑物保持一定的距离，太近则须增设合适的防护建筑物。,图例,4、施工条件：开挖方量是较大的，对出渣路线及堆料场都要合适地布置，有可能利用

3、开挖的土石方量来填筑土石坝，避免各建筑物施工相互干扰。,第二节 正槽溢洪道 正槽式溢洪道通常以下五部分组成，即进水段、控制段、泄槽、消能段和尾水渠。 溢流堰轴线和泄槽轴线正交。 优点：正向进水，结构简单，水流条件较好，泄洪能力大，工作安全可靠，施工管理维修方便，因而得到广泛采用。 缺点：当两岸地势高，且岸坡较陡时，开挖方量往往很大,图7-1 正槽溢洪道布置图,一、引水渠 作用：使水流平顺地由水库进入控制段。当控制段的位置紧靠水库时，进水段只是一个喇叭口；当控制段的位置不能紧靠水库时，则需要在控制段前开挖引水渠。 对引水渠的要求：水流平顺,水头损失小,增加泄水能力,减少工程量。,图7-2 溢洪道

4、的整体布置 单位：m,在布置和设计中应注意的几个问题： 1、引水渠在平面布置上尽量是直线(水流平 顺，可防止旋涡和横向水流）如受地形、 地质等条件限制，引水渠必须较弯，其转 弯半径不得小于46倍渠底宽，并力求在 控制段前有一直线段。 2、引水渠的过水断面一定要大于控制段的过 水断面。 3、引水渠断面常采用梯形断面，边坡视土壤 和岩石的性质而定（岩基接近矩形）。,图例,4、引水渠不宜过长，当受地形、地质条件限 制时,必须布置较强的引水渠，在泄流时, 应考虑该段水头损失的影响。(工程措施: 降低糙率) 5、当控制段的溢流堰为实用堰时，渠底应低 于堰顶，其值不小于0.5倍堰上水头稳定 和具有较大的流

5、量系数。 6、引水渠的纵坡一般采用平坡（I0）或具 有不大的逆坡。,二.控制段（溢流堰段） 作用：控制溢洪道的过水能力。 （一）溢流堰的形式,按其断面形式与尺寸分：宽顶堰、实用堰、 坚壁堰 按其在平面布置形状分:直线、折线、曲线、 环形 按堰轴线与来水方向相对关系分：正交堰、 斜堰、侧堰,体形设计要求：尽量增大流量系数，径流时不产生空穴水流或诱发危险振动的负压。 常用的堰形：宽顶堰、实用堰 （1）宽顶堰 优点:结构简单，施工方便，堰矮、自重小、对承载力较差的土基适应力强。,（2）实用堰 特点：流量系数比宽顶堰大,在相同泄流量条件下，需要的泄流前缘较短,但施工复杂。 适用：1）岸坡较陡的大中型工

6、程常采用，以减少工程量。 2）地面高程低于设计堰顶高程的溢洪道，也常采用。,三、泄槽 泄槽的水利特征： 底坡陡，故为急流。由于流速高，故会产生明渠中高速水流的问题：冲击波、水流掺气、空蚀、压力脉动，应采取相应的措施,（一）、泄槽的平面布置及纵、横剖面 1. 平面布置 1）为了使水流平顺，减少冲击波的发生，沿水流平面宜尽量采用直线、等宽、对称布置。 2）泄槽长度大，受地质、地形条件限制，不能完全做成直线，需要转弯，转弯半径大于等于10b （b：陡槽直线段的平均宽度）。 3）为了减小泄槽末端的单宽流量，以利于消能防冲，有时在泄槽末端设扩散段。,图7-6 泄槽的平面布置,2、 纵断面 1）泄槽水流流

7、速高，一般设在挖方上 2）最好使用单一的陡坡（大于临界坡） 为适应地形、地质条件，减少开挖量，可以采用变坡，使坡度变化不宜太多，实践表明：在变坡处（特别是由陡变缓处）容易遭到动水压力的破坏，变坡处应做水流衔接设计。,图7-5 泄槽变坡处的竖曲线,3、横剖面 泄槽的横剖面形状与地质条件紧密相关岩基上多做成矩形或接近矩形的断面，但在节理发育和破碎带的岩基或土基上，有时也作成梯形。,（二）收缩段、扩散段和弯曲段设计 危害：冲击波的波动范围可能延伸很远，使水流沿横剖面分布不均匀，从而增加边墙高度，并给泄槽工作及出口消能带来不利的影响。,1、收缩段设计 合理的收缩段应当使引起的冲击波的高度最小，对收缩段

8、以下泄槽中的水流扰动最小。 收缩区的设计主要是确定： （1）收缩区的长度 （2）侧压的偏角,（1）收缩区的长度： （2）侧压偏角：,2扩散区设计 目的：减小出口单宽流量，便于消能 至今尚无成熟理论可供应用。下列经验仅供参考。 初步设计，根据急流边墙不发生分离的条件来确定扩散角,至今尚无成熟理论可供应用，下列经验仅供参考。,3弯曲段 通常采用圆弧曲线,弯曲半径应大于10倍槽宽弯曲区。同时集中的急流受到边墙转折的限制，形成冲击波。因此，弯曲区设计的主要。 问题在于： 使断面内流量分布均匀； 消除或抑制这种冲击波。 在CBD以下，不断发生波的反向、干涉与传播 角的确定：,已知、，弯曲取横断面内、外侧

9、水深， 可估算：,外侧水深取正值，内侧水深取负值。,弯曲区的水力设计方法 第一类：施加侧向力法：渠道超高法 弯曲导流墙法 原理：采取的工程措施，向弯曲区水流施加作用力，使它与水流所受的离心力相平衡，以达到消除干扰的目的。 第二类：干扰处理法：弯曲线区法 螺旋线过渡区 斜槛法 原理：即在曲线的起点和终点，引入与原来的干扰大小相等但相位相反，来消除原来扰动的影响。,一般设计急流弯道时要采取消除冲击波的措施，下面只介绍渠道超高法。 渠道超高法：在弯曲区的横剖面上，将外侧渠底抬高造成一个横向坡度。 原理：利用压力沿横向坡度产生的分力与弯曲区水体的离心力相平衡，使水流在横剖面上使之均匀。改善流态，减小冲

10、击波和保持弯曲区水面的稳定性。,弯道上的泄槽,（三）掺气减蚀 空蚀破坏是泥沙建筑物设计中一个重要问题 1、表面不平整度 表面不平整度是引起空蚀的基本原因，另一原因是高速水流在不平整区脱壁形成低压区，表面不平整度产生原因：施工放样不准，混凝土浇筑放样不准，混凝土浇筑问题，泥沙对表面磨损，应更深入研究空蚀问题。 空化：产生空穴的现在叫空化。 产生空化的原因： 水流内部含有许许多多的尚未的微小气 泡-气核（内因） 负压存在（低于大气压）（外因）,高速水流水流脱壁，形成低压，带走气核 在高压区破灭。 空蚀：是空穴破灭,对固体表面的破坏作用。 必须指出：有空穴不一定有空蚀，只有空穴发展到一定程度,并由于

11、边界长时期的作用，使固体表面失去其应有的强度而遭破坏。 试验表明：标准大气压下，V15m/s就可能发生空蚀，空蚀强度与水流流速的5-7次方成正比，不平整度愈大，引起初生空穴的流速愈小，这说明流速愈高，对不平整度的要求愈严格。,防止空蚀对平整度的要求： 施工方面：控制施工质量 对表面不平整进行磨削处理 设计方面：我国溢洪道设计规范规定： 不平整允许高度，按流速来定： 如：V20-30m/smax=10mm 这个允许高度不能是高差突变，而是高低点之间磨削减一定的坡度，这个坡度按水流空化数来进行磨削，其要求见有关表。,当降到某一数值时开始发生空化，这个空化数叫做初生空化数或叫做临界空化数用i表。 初

12、生空化数的大小随边界条件面异，对于某种边界轮廓，其初生空化数是一个固定值，通常或用减压模型试验来确定。初生空化数i越大（形状不好，对水流条件而言），越易发生空化。i越小（体型好）越难发生。 说明：初生空化数越低越好，这样实际水流的空化数越低（即流速越高，局部压力越低),只有低于i才会发生空化。,在高速水流作用下的过水表面，应按不平整度精心施工，尤其是易发生空蚀的变坡处及弧起点、紧邻反弧终点的下排水平段，发现不平整度不符合应进行磨削。 仅靠控制不平整度来预防空蚀，在工程施工中困，表面积大突体多，混凝土强度高，工作量大，费用昂贵，而且工艺也存在困难。0.2时，不平整度难于达到要求，应考虑其它措施：

13、如掺气减蚀、抗空蚀护面等。,2掺气减蚀 掺气装置，主要包括两部分： 借助于低挑坎，跌坎或掺气槽，在射流下难形成一个掺气空间。 通气系统：为掺气空间补气。 与泄流表面的不平整度本质不同：,掺气减蚀的机制： 掺气可使过水边界上的负压减小或消除，有利于制止空蚀的发生。 若空穴中含有一定数量的空气，破灭时破坏力减弱。 空气泡的存在，对空穴溃灭时的破坏力有缓冲气垫作用。 效果： 试验表明： 好处：既不必作不平整度处理，也不需采用抗空蚀护面，大大减少投资。,跌坡：高度通常0.62.75m 泄槽较长可设多道掺气装置。 第一个掺气装置，设在空蚀破坏危险区的开端。 目前对掺气装置保护的长度还没有明确的标准。,设

14、计： 挑坎：高度通常0.1-0.8m，挑角5-7，斜面坡度1/10）（不宜过陡）,（四）泄槽边墙高度的确定 计算水深掺气后增加的水深安全超高（一般取0.1-1.5m） （五）泄槽的衬砌 泄槽的构造特点主要取决于地基性质和水流条件。,1、目的：为了保护地基不受冲刷、岩石不受风化以及防止高速水流钻入岩石缝隙掀 起，泄槽通常均做衬砌。,2、对衬砌的要求： 1）衬砌材料应能抵抗冲刷，因泄槽流速高； 2）衬砌表面应光滑平整，以免引起负压和空 蚀； 3）衬砌接缝处就作好止水，防止高速水流钻 入泄槽底板，将底板掀起； 4）衬砌底板下应作好排水，以减小地下水形 成的扬压力； 5）在各种力作用下能保持稳定，平时

15、溢洪道不过水，故衬砌还要承受温度变化和风化剥蚀的作用； 6）寒冷地区,衬砌材料要有一定的抗冻要求。,3、作用在泄槽底板上的力： 底板自重、水流的拖拽力、扬压力、水压力 4、构造： 影响泄槽衬砌的因素很多，而且不易精确计 算，因此衬砌设计应根据地基、气蚀、施工 条件采取相应的构造措施。 1）岩基上的衬砌 采用： 石灰浆砌石水泥浆勾缝，适用V10m/s， 小型水库溢洪道；,石灰浆砌条石或块石衬缝,适用V15m/s，中小型水库溢洪道； 为了达到既提高衬砌的耐冲能力又节省造价的目的，可采用底层砌块石，面层条石或浇混凝土护面。 混凝土衬砌 适用：大中型工程。 厚度20-10cm，衬砌因纵横缝分开，由于基

16、岩的约束力较大，因而分缝不宜太大，一般为10-15m，为了防止裂缝扩展，靠近衬砌的表面沿纵横向均需配置温度钢筋，钢筋不穿过温度收缩缝，含钢率约0.1%。,接缝型式：,横缝（要求高） A、搭接式 B、链槽式 施工时注意：接缝处衬砌表面的平整，防止下游块面板高于上游块面板，接缝中还必须做好止水 纵缝（要求低） 平接式，也要做好缝中止水衬砌的纵横缝下均均需作好排水，排水设施相互连通。,泄槽两侧边槽： A、岩石良好：采用调色板构造相同的形式，横缝与底板一致，厚度30cm，且用钢筋锚 B、岩石较弱：边墙做成重力式挡土墙边墙北面应做好排水，并与底板排水相连边墙顶部应设马道，便于交通在岩基上层注意将表面风化

17、破碎的岩石挖掉。衬砌压力或向上脉动压力可能较大的情况，有时采用钢筋锚固于新鲜岩石上。,2）土基上的泄槽衬砌 通常采用混凝土衬砌，由于土基可能发生较大的沉降，而且不能采用锚筋，所以衬砌的厚度一般要比岩基上的要大，以满足稳定和强度要求。 衬砌的横缝必须采用搭接的形式，并要求保证接缝处的平整，有时还在下块上游做成齿墙，嵌入地基，以防滑动，由于土基衬混凝土板的约束力比岩基小，因此可采用较大的分块尺寸，以增大衬砌的整体性和稳定性。 衬砌需双向配筋（温度筋），各向含钢率约0.1%；在土基上或很差的岩基上，必须在衬砌底板之下设置层面排水,以免底板承受渗透压力。,四、出口消能段及尾水渠 溢洪道出口的消能方式与

18、溢流重力坝基本相 同，见“重力坝”一章,随着高坝建设的增多， 挑流消能工新形式不断出现，如：扭曲挑坎 斜挑坎、窄缝式挑坎等。 挑流消能：适用于较好的岩基，泄槽挑流冲 刷坑不影响建筑物的安全。 底流消能：适用于地质较差情况。,扇形扩散挑坎 单位：m,溢洪道挑流坎布置图 单位：m,扩散消力池,挑坎所受的荷载：水流离心力、水重、扬压力、脉动压力、混凝土自重等。 为了保证坎的稳定，常在挑坎的末端做一道深齿墙，齿墙深度应气氛冲坑的形状、尺寸而定，其底部高程一般应低于冲刷坑可能影响的高程。 还要考虑到泄量很小时，水流挑射不远或者挑不出去，而齿墙下跌的情况，为此无论土基还是凹面岩基，一般都要设置混凝土护坦以

19、保护齿墙墙脚。 挑坎的两侧也应设置齿墙插入两岸岩石，以保安全。 为了防止挑流水舌的下面形成真空，在边墙上设置通气孔。 为排除反弧段上积水，设排水孔。,第三节 其它形式的溢流道 一、侧槽溢洪道 （一）侧槽溢洪道的特点：,形式布置特点:侧槽溢洪道由溢流坝、侧槽、 泄水道、出口消能等组成与正槽式不同的 只是侧槽。,三、其他型式的溢洪道 （一）侧槽溢洪道,水力特点：侧向进水、纵向泄流（水流转 90弯） 在坝长范围内，侧槽流量沿程递增（沿程流量变流量）水流自溢流坝进入侧槽后，先自下部冲向对面的槽壁，再向上翻腾，产生旋浪，同时在重力作用下逐步转向，通过泄水槽，向下游宣泄，侧槽水流形成一种不完全规则的顺横轴

20、螺旋流流态。 地质布置特点：适用于水头较高，岸坡较陡，岩石坚固而泄量较小的情况，一般不宜修建在土基上。,（二）侧槽设计 设计的主要任务：保证泄洪安全，流态良好，施 工方便。 针对其水力特点，设计时应注意： 泄流量沿侧槽均匀增加； 由于溢流能量大部分消耗于水体间的旋流撞击，有助于顺轴方向的流动。因此侧槽中水流速度必须依靠水面有足够的坡度来维持，故槽底应有一定的坡度；,为了使流稳定均匀，水流应处于缓流状态； 侧槽中的水面高程要保证溢流坝为自由出流，因为淹没出游不但使流量降低，影响溢流坝的泄流能力，而且据试验可知，若淹没到程度后，侧槽出口的流量分布极不均匀，易在泄水道中产生折冲水流。 在进行水力计算

21、之前,先选定侧槽的有关参数。,1、断面形式 一般在工程实践中，侧槽多做成窄而深的梯形断面，其原因： 窄深断面比宽浅断面节省开挖量； 窄深断面容易使侧向进流与槽内水流混合，水面平稳。,2、底宽 适应流量沿程不断增加的特点，底宽应沿程逐渐加宽。,式中：侧槽起始断面底宽，其最小数值应满足开挖设备和开挖工作的方便 末端断面底宽，一般选用与泄槽相同的数值 3、底板 侧槽不宜设计为急流，因而侧槽的纵坡应较 平缓，一般采用0.01-0.05。,4、槽末断面水深,为了减少侧槽的开挖量，应使侧槽末断面水 深he尽是接近经济水深，根据理论分析，建 议采用he=（1.21.5）hk。 hk为该断面的临界水深，若b0

22、/bt的比值小 时，用大值，反之用小值。,5、起始断面淹没度 由于侧槽内水面为一降落曲线，淹没的影响首先发生在侧槽的起始断面。根据国内外一些试验资料分析表明，当起始断面附近溢流坝达到程度的淹没，沿不致对整个溢流坝的泄流量有较大的影响时，可以认为对整个溢流坝来说是无淹没的。 侧槽起始断面的槽底高程可适当提高，而允许该处有的淹没度。根据试验次数分析认为，一般侧槽起始断面坝顶的临界淹没度可取0.5左右。,6、控制断面 在侧槽下游或在调整段后设控制断面，以稳 定水流，避免侧槽内的波动，水流直接进入 泄槽,保证泄槽和消能设备有较好的水力条件 构成：用缩窄槽宽的收缩段 用槽底的宽坝来构成 作用：适当壅高的侧槽末端水位，避免槽内的波动 水流直接进入泄槽，并使水流在控制断面形成临界流。,(三）侧槽的水力计算 目的：有赖于溢流坝、侧槽和泄水道三者