岸邊溢洪道設(shè)計概述（72頁內(nèi)容豐富）

1、水工建筑物課件 水利水電工程系李守義2013年第七章 岸邊溢洪道7.1 概述 7.2 正槽溢洪道7.3 側(cè)槽溢洪道7.4 非常泄洪設(shè)施本章的主要內(nèi)容：7.1 概述 土壩水利樞紐的三大件土壩、溢洪道、隧洞。溢洪道是水庫的太平門,泄洪保壩是主要作用。本章重點(diǎn)討論土石壩樞紐中的岸邊溢洪道。 1、設(shè)計要求 過得去能通過設(shè)計的泄流量（控制段）。 泄得下主要指泄槽的設(shè)計要滿足泄流要求。 沖不垮主要指泄槽和下游消能工在高速水流作用下不發(fā)生破壞。 一、設(shè)計要求和優(yōu)點(diǎn) 2、優(yōu)點(diǎn) 超泄能力大（表孔）。 閘門總作用力P小，操作檢修方便，安全可靠。 二、類型 1. 正槽溢洪道堰軸線與泄槽軸線接近正交，過堰水流的流向與

2、泄槽的軸線方向一致。 2. 側(cè)槽溢洪道堰設(shè)在側(cè)槽一側(cè)，過堰水流在側(cè)槽內(nèi)轉(zhuǎn)向約90o后經(jīng)泄槽泄下。適應(yīng)于壩址處山頭較高，岸坡陡峭時，無合適地形布置正槽溢洪道或開挖量過大。缺點(diǎn)是流態(tài)不如正槽溢洪道。 3 井式溢洪道在平面上進(jìn)口為一環(huán)形溢流堰，水流過堰后，經(jīng)豎井和隧洞泄出。 當(dāng)水位上升，喇叭口溢流堰頂淹沒后，堰流即轉(zhuǎn)變?yōu)榭琢?，所以井式溢洪道的超泄能力較小。當(dāng)宣泄小流量，井內(nèi)的水流連續(xù)性遭到破壞時，水流很不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生振動和空蝕。 我國目前較少采用。 4. 虹吸溢洪道與壩體結(jié)合在一起，利用虹吸作用，能在較小的H下得到較大的泄流量，水流出虹吸管后由泄槽泄下。 優(yōu)：管理方便，可自動泄水和停止泄水，能比較

3、靈敏地自動調(diào)節(jié)上游水位。 缺：結(jié)構(gòu)復(fù)雜；管內(nèi)檢修不便；進(jìn)口易堵塞；真空度較大時，易引起空蝕；超泄能力較小。7.2 正槽溢洪道一、組成與布置原則1.組成 引水渠溢洪道同水庫的連接段。 控制段是水庫下泄洪水的口門，控制泄流能力。 泄槽將過堰洪水安全地泄向下游。 消能段消散多余能量，使水流平緩進(jìn)入尾水渠或直接注入下游河道。 尾水渠解決泄流的歸河問題。2.布置原則 安全、經(jīng)濟(jì)、便于施工和管理。 地形線路要盡量的直、短，利用樞紐附近合適的馬鞍形埡口，如無埡口可利用和中緩的岸坡；在坡陡情況下，選用側(cè)槽式。 地質(zhì)力爭布置在較堅固穩(wěn)定的巖基上，如土基應(yīng)布置在挖方上，還須進(jìn)行地基處理，如巖基有斷層，破碎帶等應(yīng)摸

4、清情況，采取合理的加固措施，如風(fēng)化層太厚或挖方過多會引起山坡坍塌，可考慮采用隧洞泄洪。 樞紐布置溢洪道進(jìn)口應(yīng)位于水流順暢處，與土石壩應(yīng)有相當(dāng)?shù)木嚯x；如太近，則須加設(shè)導(dǎo)墻（或加強(qiáng)臨近壩坡的護(hù)坡），溢流堰前加引水渠應(yīng)較短，以減少水頭損失，提高泄水能力。下游出口應(yīng)距壩腳及其它建筑物保持一定距離（200m），太近則須增設(shè)合適的防護(hù)建筑物。 施工對出渣路線及堆料場都要合適地布置，有可能利用開挖的土石方量來填筑土石壩，避免各建筑物施工相互干擾。 管理運(yùn)行方便、安全、可靠，解決好溢洪道與大壩之間的交通問題和通訊問題。一、引水渠 盡量不設(shè)引水渠，只設(shè)一個喇叭口；當(dāng)?shù)匦紊闲柙O(shè)引水渠時，要求引水渠水流平順,水頭損

5、失小,增加泄水能力,減少工程量。應(yīng)注意的幾個問題： 1、引水渠上盡量直、短(水流平順，可防止旋渦和橫向水流）當(dāng)受地形、地質(zhì)等條件限制，引水渠必須較彎，其轉(zhuǎn)彎半徑R（46）B，彎道至溢流堰應(yīng)有d（23）H直線長度，以便調(diào)整水流使之均勻平順入堰。 2、v、i v應(yīng)大于懸移質(zhì)不淤流速，小于渠道的不沖流速，設(shè)計流速宜采用v=35m/s。（碧口岸邊溢洪道，v= 5.8m/s） 引水渠底坡可做成：i=0或逆坡，不設(shè)正坡。 3、引水渠的過水?dāng)嗝嬉欢ㄒ笥诳刂贫蔚倪^水?dāng)嗝妗?4、開挖和襯砌 巖基：接近矩形。新鮮巖石為1:0.11:0.3，風(fēng)化巖1:0.51:1.0。可不襯砌。 土基：梯形。邊坡根據(jù)土坡穩(wěn)定要求

6、確定，一般1:1.51:2.5。要襯砌混凝土板、漿砌石護(hù)面。二、控制段（溢流堰） 作用：控制溢洪道的過水能力。 1.堰型 （1）寬頂堰結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，m=0.320.385，Q小，適用中、小型工程。 實用堰m=0.470.49，Q大，Q相同，需要的溢流前緣較短，工程量相對較小，但施工較復(fù)雜。適用大、中型水庫，特別是岸坡較陡時多用。 （3）駝峰堰是一種復(fù)合圓弧的低堰，是從工程實踐中總結(jié)出來的一種堰型 。m=0.400.46。岳城水庫溢洪道采用駝峰堰。 折線形堰為獲得較長的溢流前沿，在平面上將溢流堰做成折線形，稱折線形堰。堰體由若干個折線組成，形同迷宮，也稱為迷宮堰。 體形設(shè)計要求：盡量增大流

7、量系數(shù)，但要控制泄流時不產(chǎn)生空穴水流或誘發(fā)危險振動的負(fù)壓。 常用的堰形：寬頂堰、實用堰 2.實用堰 多采用非真空堰。 高堰：P1/Hd1.33， 低堰：0.3P1/Hd1.33，其流量系數(shù)m介于 重力壩和寬頂堰之間。 定型水頭：Hd（0.650.85）Hmax。 上游堰高：P10.3Hd； 下游堰高：P20.6Hd。 反弧半徑：R=（36）h（h為校核洪水位 閘門全開時反弧最低點(diǎn)的水深） 當(dāng)反弧下游為平直段或消力池護(hù)坦時， R=（612）h。v大時宜選用較大值。 3.堰頂高程的確定（同重力壩） 不設(shè)閘門堰正常 設(shè)閘門堰設(shè)計 - Hd三、泄槽 水力特征：底坡陡，急流。由于流速高，故會產(chǎn)生明渠中高

8、速水流的問題：沖擊波、水流摻氣、空蝕、壓力脈動，應(yīng)采取相應(yīng)的措施。 （一）泄槽的平面布置及縱、橫剖面 1、平面 （1）為使水流平順，減少沖擊波，平面宜盡量采用直線、等寬、對稱布置。 （2）泄槽長，受地質(zhì)、地形條件限制，不能完全做成直線，需要轉(zhuǎn)彎， R10b（b：陡槽直線段的平均寬度）。 （3）為了減小泄槽末端的單寬流量，以利于消能防沖，有時在泄槽末端設(shè)擴(kuò)散段。 2、縱斷面 （1）v大，一般設(shè)在挖方上。 （2）iik 最好一坡到底。常用i=15，有時可達(dá)1015，在堅硬的巖基上有用到1：1的。 （3）當(dāng)坡度由陡變緩時，i1i2，需用反弧連接， R（36）h（變坡處的斷面水深），v大者宜取大值。

9、（4）當(dāng)坡度由緩變陡時，i1i2，應(yīng)采用射流拋物線來連接。 3、橫剖面 巖基:矩形或接近矩形； 土基或節(jié)理發(fā)育和破碎帶的巖基上： 梯形（1：11：2）。 劉家峽右岸溢洪道，泄槽縱坡由6個坡段組成，變坡5次，1969年斷續(xù)過水總時數(shù)324h，v=30m/s， Q =2350m3/s，泄槽破壞比較嚴(yán)重的有3處，都發(fā)生在泄槽底坡由陡變緩處，底板被掀走，地基被沖刷，最深達(dá)13m。（二）收縮段、擴(kuò)散段和彎曲段 在急流中，由于邊墻改變方向，水流受到擾動，就會引起沖擊波。 危害：沖擊波的波動范圍可能延伸很遠(yuǎn)，使水流沿橫剖面分布不均勻，從而增加邊墻高度，并給泄槽工作及出口消能帶來不利的影響。 1、收縮段 合理

10、的收縮段應(yīng)使引起的沖擊波的高度最小，對收縮段以下泄槽中的水流擾動最小。根據(jù)沖擊波理論：沖擊波的最大波高決定于側(cè)墻偏轉(zhuǎn)角，偏轉(zhuǎn)角大，最大波高也增大，而與邊墻偏轉(zhuǎn)曲率無關(guān)。 確定：(1）收縮段的長度L， （2）側(cè)壓的偏角。 在圖711（a）所示的直線邊墻收縮段中，由于邊墻向內(nèi)偏轉(zhuǎn)角，急流受邊墻阻礙，迫使水流從收縮邊墻起點(diǎn) 和 ，開始沿邊墻轉(zhuǎn)向，發(fā)生水面局部壅高的正擾動，壅高的擾動線在B點(diǎn)交匯后傳播至 和 再發(fā)生反射。在收縮段末端 和 因邊墻向外偏轉(zhuǎn)，水流失去依托而發(fā)生水面局部跌落的負(fù)擾動，其擾動線也向下游傳播，如圖中虛線所示。 由于這些作用疊加的結(jié)果，將使下游流態(tài)更為復(fù)雜。如果能使 、 分別與 、

11、 重合，如圖711（b）所示，即正擾動的反射和負(fù)擾動的反射同時在同一點(diǎn)發(fā)生，兩者互相抵消，其結(jié)果是收縮段以下的下泄水流被導(dǎo)向與邊墻平行，擾動減至最小。361 根據(jù)動量原理，偏轉(zhuǎn)角和產(chǎn)生沖擊波后的水深h2之間的關(guān)系為: 2擴(kuò)散段 362 除了應(yīng)當(dāng)滿足上面提到的兩點(diǎn)外，還必須保證水流擴(kuò)散時不發(fā)生脫離邊墻的現(xiàn)象。目前尚無成熟理論可供應(yīng)用。解決問題的最好辦法是通過模型試驗。在初設(shè)時，可根據(jù)急流邊墻不發(fā)生分離的條件來確定擴(kuò)散角 。 常采用圓弧曲線,彎曲半徑R10b。 （1）彎曲段的水力學(xué)問題 由于離心力的作用，外側(cè)水深大于內(nèi)側(cè)水深，斷面內(nèi)的流量分布不均。集中的急流受到邊墻轉(zhuǎn)折的限制，形成沖擊波。 使斷面

12、內(nèi)流量分布均勻； 消除或抑制這種沖擊波。 3彎曲段 363 彎曲段沖擊波的水力特性。急流一進(jìn)入彎曲段，就產(chǎn)生沖擊波，如圖714所示。 （2）水力設(shè)計方法 施加側(cè)向力法：渠道超高法、彎曲導(dǎo)流墻法。 原理：采取的工程措施，向彎曲區(qū)水流施加作用力，使它與水流所受的離心力相平衡，以達(dá)到消除干擾的目的。 干擾處理法：彎曲線法、螺旋線過渡區(qū)、斜檻法。 原理：即在曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，引入與原來的干擾大小相等但相位相反，來消除原來擾動的影響。 渠道超高法： 在彎曲區(qū)的橫剖面上，將外側(cè)渠底抬高造成一個橫向坡度。 原理：利用壓力沿橫向坡度產(chǎn)生的分力與彎曲區(qū)水體的離心力相平衡，使水流在橫剖面上使之均勻。改善流態(tài)，減小

13、沖擊波和保持彎曲區(qū)水面的穩(wěn)定性。 C系數(shù)，取決于水流佛氏數(shù)、斷面及彎道幾何形狀，對于急流、矩形斷面和彎曲段為簡單圓弧的C2.0。 為了保持泄槽中線的底部高程不變，常將內(nèi)側(cè)渠底下降Z/2 ，外側(cè)抬高Z /2。 （三）摻氣減蝕 1、表面不平整度 成因 施工期：施工放樣不準(zhǔn)，混凝土澆筑放樣不準(zhǔn)確，混凝土澆筑問題。 運(yùn)行期：泥沙對表面不均勻磨損。 對平整度的要求 施工：控制施工質(zhì)量；對表面不平整磨削處理。 設(shè)計：我國溢洪道設(shè)計規(guī)范（SL2532000）規(guī)定：不平整允許高度，按流速來定：如：V20-30m/smax=10mm。 抗空蝕措施：摻氣減蝕、優(yōu)化體形、采用抗空蝕材料等。 這個允許高度不能是高差突

14、變，必須磨削成一定的坡度，這個坡度按水流空化數(shù)來進(jìn)行磨削，其要求見溢洪道設(shè)計規(guī)范（SL2532000）。 2摻氣減蝕 機(jī)理 尚未研究清楚。一般認(rèn)為： 摻氣可使過水邊界上的負(fù)壓減小或消除，有利于制止空蝕的發(fā)生。 若空穴中含有一定數(shù)量的空氣，破滅時破壞力減弱。 空氣泡的存在，對空穴潰滅時的破壞力有緩沖氣墊作用。 溢洪道設(shè)計規(guī)范（SL2532000）規(guī)定 水流摻氣后，不平整度控制標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)放寬； 當(dāng)v=3542m/s，近壁摻氣濃度為34時，垂直凸體30mm； 近壁摻氣濃度為12時，15mm； 對15mm的，應(yīng)將其迎水面削成斜坡。 規(guī)范還規(guī)定，在摻氣槽保護(hù)范圍內(nèi)，近壁處的摻氣濃度不得低于3%4%。 摻

15、氣裝置 主要包括兩個部分： A、借助低挑坎，跌坎或摻氣槽，在射流下形成一個摻氣空間；B、通氣系統(tǒng)：為摻氣空間補(bǔ)氣。摻氣裝置主要類型 a、摻氣槽； b、挑坎； c、跌坎； d、挑坎與摻氣槽聯(lián)合； e、跌坎與摻氣槽聯(lián)合； f、挑坎與摻氣槽聯(lián)合。 挑坎與摻氣槽聯(lián)合式的水流流態(tài)通常較跌坎式和突擴(kuò)式為好。 挑坎：高度通常0.5-0.85m，挑角5-7，斜面坡度1/10（不宜過陡）。 跌坡：高度通常0.62.75m。 泄槽較長可設(shè)多道摻氣裝置。圖716 摻氣裝置的主要類型（a）摻氣槽式；（b）挑坎式；（c）跌坎式；（d）挑、跌聯(lián)合式；（e）挑坎、摻氣槽聯(lián)合式；（f）跌坎、摻氣槽聯(lián)合式（四）泄槽邊墻高度 H

16、墻h摻氣A(0.51.5m） 摻氣裝置位置與數(shù)目 第一個摻氣裝置設(shè)在空蝕破壞危險區(qū)的開端， 第二個設(shè)在近壁水流空氣含量下降到34處，其后以此類推。 保護(hù)長度：反弧段，70100m；直線段，100150m 。 例如：福茲杜阿里亞河口溢洪道，泄槽長350m，設(shè)三道摻氣裝置，間距分別為72m和90m。 （五）泄槽的襯砌 襯砌的目的： 保護(hù)槽底不受沖刷、巖石不受風(fēng)化； 防止高速水流鉆入巖石裂隙，將巖石掀起。 對襯砌的要求： （1）襯砌材料應(yīng)能抵抗沖刷，因泄槽流速高； （2）襯砌表面應(yīng)光滑平整，以免引起負(fù)壓和空蝕； （3）襯砌接縫處就作好止水，防止高速水流鉆入泄槽底板，將底板掀起； （4）襯砌底板下應(yīng)作

17、好排水，以減小地下水形成的揚(yáng)壓力； （5）在各種力作用下能保持穩(wěn)定，平時溢洪道不過水，故襯砌還要承受溫度變化和風(fēng)化剝蝕的作用； （6）寒冷地區(qū),襯砌材料要有一定的抗凍要求。 作用在泄槽底板上的力 底板自重、水流拖拽力、揚(yáng)壓力、水壓力。 1.巖基上的襯砌 （1）襯砌形式 石灰漿砌石水泥漿勾縫，適用V10m/s，小型水庫工程； 石灰漿砌條石或塊石襯縫,適用V15m/s，中小型水庫溢洪道。 也有承受V20m/s的情況。3060cm 混凝土襯砌，適用：大、中型工程。厚度30cm。 （2）砼襯砌的分縫和連接 縫型：橫縫、縱縫； 間距：1015m； 溫度筋：0.1。 橫縫（要求高） A、搭接式 B、鏈槽式

18、 施工時注意：接縫處襯砌表面的平整，防止下游塊面板高于上游塊面板，接縫中還必須做好止水。 縱縫（要求低） 平接式，也要做好縫中止水襯砌的縱橫縫下均需作好排水，排水設(shè)施相互連通。 （3）泄槽兩側(cè)邊墻 A、巖石良好：采用底板構(gòu)造相同的形式，橫縫與底板一致，厚度30cm，且用鋼筋和錨筋 B、巖石較弱：邊墻做成重力式擋土墻邊墻北面應(yīng)做好排水，并與底板排水相連邊墻頂部應(yīng)設(shè)馬道，便于交通在巖基上層注意將表面風(fēng)化破碎的巖石挖掉。襯砌壓力或向上脈動壓力可能較大的情況，有時采用鋼筋錨固于新鮮巖石上。 2 土基上的泄槽襯砌 橫縫：采用搭接的形式，并要求保證接縫處的平整，有時還在下塊上游做成齒墻，嵌入地基，以防滑動

19、。 縱縫：也做成搭接的型式：襯砌：砼，厚度0.30.5m（0.71m）。 襯砌需雙向配筋（溫度筋），各向含鋼率約0.1%, 在土基上或很差的巖基上，必須在襯砌底板之下設(shè)置層面排水,以免底板承受滲透壓力。 圖721 土基上泄槽底板的構(gòu)造（a）橫縫；（b）縱縫1-止水；2-橫向排水管；3-灰漿座墊；4-齒墻；5-透水墊層；6-縱向排水管 四、出口消能段及尾水渠 溢洪道出口的消能方式與溢流重力壩基本相同。 1.消能工的形式 挑流消能 新形式：扭曲挑坎斜挑坎、窄縫式挑坎等。挑流消能適用于較好的巖基，泄槽挑流沖刷坑不影響建筑物的安全。 深齒墻：為了保證挑坎的穩(wěn)定，常在挑坎的末端做一道深齒墻，其底部高程應(yīng)

20、低于沖刷坑可能影響的高程。 護(hù)坦：考慮到泄量很小時，水流挑射不遠(yuǎn)或者挑不出去，沿齒墻下跌的情況，無論土基還是凹面巖基，一般都要設(shè)置砼護(hù)坦以保護(hù)齒墻墻腳。 底流消能：適用于地質(zhì)較差情況。 2.尾水渠 在有的情況下，若流經(jīng)泄槽的急流經(jīng)過消能之后，不能直接進(jìn)入原河道時，需布置一段尾水渠。7.3 側(cè)槽溢洪道一、側(cè)槽溢洪道的特點(diǎn) 1.布置：適用于水頭較高，岸坡較陡，巖石堅固而泄量較小的情況，一般不宜修建在土基上。 2.組成:由溢流堰、側(cè)槽、泄槽、出口消能組成，與正槽式不同的只是側(cè)槽。 3.水力：側(cè)向進(jìn)水、縱向泄流（水流轉(zhuǎn) 90彎）在壩長范圍內(nèi)，側(cè)槽流量沿程遞增（沿程流量變流量）水流自溢流壩進(jìn)入側(cè)槽后，先

21、自下部沖向?qū)γ娴牟郾?，再向上翻騰，產(chǎn)生旋浪，同時在重力作用下逐步轉(zhuǎn)向，通過泄水槽，向下游宣泄，側(cè)槽水流形成一種不完全規(guī)則的順橫軸螺旋流流態(tài)。 二、側(cè)槽設(shè)計 設(shè)計的主要任務(wù)：保證泄洪安全，流態(tài)良好，施工方便。 設(shè)計原則： 假定泄流量沿側(cè)槽均勻增加； 由于過堰水流轉(zhuǎn)向約90，大部分能量消耗于側(cè)槽內(nèi)水體間的旋滾撞擊，認(rèn)為側(cè)槽中水流的順槽速度完全取決于側(cè)槽的水面坡降，故槽底應(yīng)有一定的坡度； 為了使流穩(wěn)定均勻，水流應(yīng)處于緩流狀態(tài)； 側(cè)槽中的水面高程要保證溢流壩為自由出流，因為淹沒出游不但使流量降低，影響溢流壩的泄流能力，而且據(jù)試驗可知，若淹沒到程度后，側(cè)槽出口的流量分布極不均 勻，易在泄水道中產(chǎn)生折沖水流。 側(cè)槽多做成窄而深的梯形斷面： 窄深斷面比寬淺斷面節(jié)省開挖量； 窄深斷面