岸边溢洪道设计概述（72页内容丰富）

1、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 过得去能通过设计的泄流量（控制段）。 泄得下主要指泄槽的设计要满足泄流要求。 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 超泄能力大（表孔）。 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

2、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

3、灵敏地自动调节上游水位。 缺：结构复杂；管内检修不便；进口易堵塞；真空度较大时，易引起空蚀；超泄能力较小。7.2 正槽溢洪道一、组成与布置原则1.组成 引水渠溢洪道同水库的连接段。 控制段是水库下泄洪水的口门，控制泄流能力。 泄槽将过堰洪水安全地泄向下游。 消能段消散多余能量，使水流平缓进入尾水渠或直接注入下游河道。 尾水渠解决泄流的归河问题。2.布置原则 安全、经济、便于施工和管理。 地形线路要尽量的直、短，利用枢纽附近合适的马鞍形垭口，如无垭口可利用和中缓的岸坡；在坡陡情况下，选用侧槽式。 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

4、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。 枢纽布置溢洪道进口应位于水流顺畅处，与土石坝应有相当的距离；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。下游出口应距坝脚及其它建筑物保持一定距离（200m），太近则须增设合适的防护建筑物。 施工对出渣路线及堆料场都要合适地布置，有可能利用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。 管理运行方便、安全、可靠，解决好溢洪道与大坝之间的交通问题和通讯问题。一、引水渠 尽量不设引水渠，只设一个喇叭口；当地形上需设引水渠时，要求引水渠水流平顺,水头损

5、失小,增加泄水能力,减少工程量。应注意的几个问题： 1、引水渠上尽量直、短(水流平顺，可防止旋涡和横向水流）当受地形、地质等条件限制，引水渠必须较弯，其转弯半径R（46）B，弯道至溢流堰应有d（23）H直线长度，以便调整水流使之均匀平顺入堰。 2、v、i v应大于悬移质不淤流速，小于渠道的不冲流速，设计流速宜采用v=35m/s。（碧口岸边溢洪道，v= 5.8m/s） 引水渠底坡可做成：i=0或逆坡，不设正坡。 3、引水渠的过水断面一定要大于控制段的过水断面。 4、开挖和衬砌 岩基：接近矩形。新鲜岩石为1:0.11:0.3，风化岩1:0.51:1.0。可不衬砌。 土基：梯形。边坡根据土坡稳定要求

6、确定，一般1:1.51:2.5。要衬砌混凝土板、浆砌石护面。二、控制段（溢流堰） 作用：控制溢洪道的过水能力。 1.堰型 （1）宽顶堰结构简单，施工方便，m=0.320.385，Q小，适用中、小型工程。 实用堰m=0.470.49，Q大，Q相同，需要的溢流前缘较短，工程量相对较小，但施工较复杂。适用大、中型水库，特别是岸坡较陡时多用。 （3）驼峰堰是一种复合圆弧的低堰，是从工程实践中总结出来的一种堰型 。m=0.400.46。岳城水库溢洪道采用驼峰堰。 折线形堰为获得较长的溢流前沿，在平面上将溢流堰做成折线形，称折线形堰。堰体由若干个折线组成，形同迷宫，也称为迷宫堰。 体形设计要求：尽量增大流

7、量系数，但要控制泄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 2.实用堰 多采用非真空堰。 高堰：P1/Hd1.33， 低堰：0.3P1/Hd1.33，其流量系数m介于 重力坝和宽顶堰之间。 定型水头：Hd（0.650.85）Hmax。 上游堰高：P10.3Hd； 下游堰高：P20.6Hd。 反弧半径：R=（36）h（h为校核洪水位 闸门全开时反弧最低点的水深） 当反弧下游为平直段或消力池护坦时， R=（612）h。v大时宜选用较大值。 3.堰顶高程的确定（同重力坝） 不设闸门堰正常 设闸门堰设计 - Hd三、泄槽 水力特征：底坡陡，急流。由于流速高，故会产生明渠中高

8、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 （1）为使水流平顺，减少冲击波，平面宜尽量采用直线、等宽、对称布置。 （2）泄槽长，受地质、地形条件限制，不能完全做成直线，需要转弯， R10b（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。 2、纵断面 （1）v大，一般设在挖方上。 （2）iik 最好一坡到底。常用i=15，有时可达1015，在坚硬的岩基上有用到1：1的。 （3）当坡度由陡变缓时，i1i2，需用反弧连接， R（36）h（变坡处的断面水深），v大者宜取大值。

9、（4）当坡度由缓变陡时，i1i2，应采用射流抛物线来连接。 3、横剖面 岩基:矩形或接近矩形； 土基或节理发育和破碎带的岩基上： 梯形（1：11：2）。 刘家峡右岸溢洪道，泄槽纵坡由6个坡段组成，变坡5次，1969年断续过水总时数324h，v=30m/s， Q =2350m3/s，泄槽破坏比较严重的有3处，都发生在泄槽底坡由陡变缓处，底板被掀走，地基被冲刷，最深达13m。（二）收缩段、扩散段和弯曲段 在急流中，由于边墙改变方向，水流受到扰动，就会引起冲击波。 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 合理

10、的收缩段应使引起的冲击波的高度最小，对收缩段以下泄槽中的水流扰动最小。根据冲击波理论：冲击波的最大波高决定于侧墙偏转角，偏转角大，最大波高也增大，而与边墙偏转曲率无关。 确定：(1）收缩段的长度L， （2）侧压的偏角。 在图711（a）所示的直线边墙收缩段中，由于边墙向内偏转角，急流受边墙阻碍，迫使水流从收缩边墙起点 和 ，开始沿边墙转向，发生水面局部壅高的正扰动，壅高的扰动线在B点交汇后传播至 和 再发生反射。在收缩段末端 和 因边墙向外偏转，水流失去依托而发生水面局部跌落的负扰动，其扰动线也向下游传播，如图中虚线所示。 由于这些作用叠加的结果，将使下游流态更为复杂。如果能使 、 分别与 、

11、 重合，如图711（b）所示，即正扰动的反射和负扰动的反射同时在同一点发生，两者互相抵消，其结果是收缩段以下的下泄水流被导向与边墙平行，扰动减至最小。361 根据动量原理，偏转角和产生冲击波后的水深h2之间的关系为: 2扩散段 362 除了应当满足上面提到的两点外，还必须保证水流扩散时不发生脱离边墙的现象。目前尚无成熟理论可供应用。解决问题的最好办法是通过模型试验。在初设时，可根据急流边墙不发生分离的条件来确定扩散角 。 常采用圆弧曲线,弯曲半径R10b。 （1）弯曲段的水力学问题 由于离心力的作用，外侧水深大于内侧水深，断面内的流量分布不均。集中的急流受到边墙转折的限制，形成冲击波。 使断面

12、内流量分布均匀； 消除或抑制这种冲击波。 3弯曲段 363 弯曲段冲击波的水力特性。急流一进入弯曲段，就产生冲击波，如图714所示。 （2）水力设计方法 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。 干扰处理法：弯曲线法、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。 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

13、冲击波和保持弯曲区水面的稳定性。 C系数，取决于水流佛氏数、断面及弯道几何形状，对于急流、矩形断面和弯曲段为简单圆弧的C2.0。 为了保持泄槽中线的底部高程不变，常将内侧渠底下降Z/2 ，外侧抬高Z /2。 （三）掺气减蚀 1、表面不平整度 成因 施工期：施工放样不准，混凝土浇筑放样不准确，混凝土浇筑问题。 运行期：泥沙对表面不均匀磨损。 对平整度的要求 施工：控制施工质量；对表面不平整磨削处理。 设计：我国溢洪道设计规范（SL2532000）规定：不平整允许高度，按流速来定：如：V20-30m/smax=10mm。 抗空蚀措施：掺气减蚀、优化体形、采用抗空蚀材料等。 这个允许高度不能是高差突

14、变，必须磨削成一定的坡度，这个坡度按水流空化数来进行磨削，其要求见溢洪道设计规范（SL2532000）。 2掺气减蚀 机理 尚未研究清楚。一般认为： 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。 溢洪道设计规范（SL2532000）规定 水流掺气后，不平整度控制标准可适当放宽； 当v=3542m/s，近壁掺气浓度为34时，垂直凸体30mm； 近壁掺气浓度为12时，15mm； 对15mm的，应将其迎水面削成斜坡。 规范还规定，在掺气槽保护范围内，近壁处的掺气浓度不得低于3%4%。 掺

15、气装置 主要包括两个部分： A、借助低挑坎，跌坎或掺气槽，在射流下形成一个掺气空间；B、通气系统：为掺气空间补气。掺气装置主要类型 a、掺气槽； b、挑坎； c、跌坎； d、挑坎与掺气槽联合； e、跌坎与掺气槽联合； f、挑坎与掺气槽联合。 挑坎与掺气槽联合式的水流流态通常较跌坎式和突扩式为好。 挑坎：高度通常0.5-0.85m，挑角5-7，斜面坡度1/10（不宜过陡）。 跌坡：高度通常0.62.75m。 泄槽较长可设多道掺气装置。图716 掺气装置的主要类型（a）掺气槽式；（b）挑坎式；（c）跌坎式；（d）挑、跌联合式；（e）挑坎、掺气槽联合式；（f）跌坎、掺气槽联合式（四）泄槽边墙高度 H

16、墙h掺气A(0.51.5m） 掺气装置位置与数目 第一个掺气装置设在空蚀破坏危险区的开端， 第二个设在近壁水流空气含量下降到34处，其后以此类推。 保护长度：反弧段，70100m；直线段，100150m 。 例如：福兹杜阿里亚河口溢洪道，泄槽长350m，设三道掺气装置，间距分别为72m和90m。 （五）泄槽的衬砌 衬砌的目的： 保护槽底不受冲刷、岩石不受风化； 防止高速水流钻入岩石裂隙，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

17、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。 作用在泄槽底板上的力 底板自重、水流拖拽力、扬压力、水压力。 1.岩基上的衬砌 （1）衬砌形式 石灰浆砌石水泥浆勾缝，适用V10m/s，小型水库工程； 石灰浆砌条石或块石衬缝,适用V15m/s，中小型水库溢洪道。 也有承受V20m/s的情况。3060cm 混凝土衬砌，适用：大、中型工程。厚度30cm。 （2）砼衬砌的分缝和连接 缝型：横缝、纵缝； 间距：1015m； 温度筋：0.1。 横缝（要求高） A、搭接式 B、链槽式

18、 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需作好排水，排水设施相互连通。 （3）泄槽两侧边墙 A、岩石良好：采用底板构造相同的形式，横缝与底板一致，厚度30cm，且用钢筋和锚筋 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 横缝：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

19、。 纵缝：也做成搭接的型式：衬砌：砼，厚度0.30.5m（0.71m）。 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。 图721 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、出口消能段及尾水渠 溢洪道出口的消能方式与溢流重力坝基本相同。 1.消能工的形式 挑流消能 新形式：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。 深齿墙：为了保证挑坎的稳定，常在挑坎的末端做一道深齿墙，其底部高程应

20、低于冲刷坑可能影响的高程。 护坦：考虑到泄量很小时，水流挑射不远或者挑不出去，沿齿墙下跌的情况，无论土基还是凹面岩基，一般都要设置砼护坦以保护齿墙墙脚。 底流消能：适用于地质较差情况。 2.尾水渠 在有的情况下，若流经泄槽的急流经过消能之后，不能直接进入原河道时，需布置一段尾水渠。7.3 侧槽溢洪道一、侧槽溢洪道的特点 1.布置：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。 2.组成:由溢流堰、侧槽、泄槽、出口消能组成，与正槽式不同的只是侧槽。 3.水力：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

21、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螺旋流流态。 二、侧槽设计 设计的主要任务：保证泄洪安全，流态良好，施工方便。 设计原则： 假定泄流量沿侧槽均匀增加； 由于过堰水流转向约90，大部分能量消耗于侧槽内水体间的旋滚撞击，认为侧槽中水流的顺槽速度完全取决于侧槽的水面坡降，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。 侧槽多做成窄而深的梯形断面： 窄深断面比宽浅断面节省开挖量； 窄深断面