側(cè)槽溢洪道工作原理

第三節(jié)側(cè)槽溢洪道

一、概述

1、適用范圍：當(dāng)水利樞紐的攔河壩難以本身溢流，且兩岸陡峭，布置正槽溢洪道將導(dǎo)致巨大開挖量時(shí)，可采用側(cè)槽式溢洪道。2、組成部分：側(cè)槽溢洪道由溢流堰、側(cè)槽和泄水道三個(gè)主要部分組成。

圖8－36側(cè)槽明流溢洪道典型布置

3、工作原理：溢流堰軸線大致順河岸等高線布置，水流過堰后進(jìn)入與堰軸線平行的側(cè)槽內(nèi)，然后通過泄水道泄往下游。此泄水道可為類似于上節(jié)所述的明流陡坡泄槽以及相應(yīng)的消能段，也可由斜井、泄水隧洞組成，如圖8－37。

圖8－37側(cè)槽斜井溢洪道4、工作

特點(diǎn)：

①與正槽溢洪道相比，側(cè)槽溢洪道的溢流前緣可少受地形限制，而向上游庫(kù)岸延伸，由增加溢流前緣長(zhǎng)度而引起的開挖量增加較少，從而可以較長(zhǎng)的溢流前緣換取較低的調(diào)洪水位，或者換取較高的堰頂高程；②當(dāng)無閘門控制時(shí)后者實(shí)即增加了興利庫(kù)容，對(duì)中小型工程尤為有利；

③側(cè)槽中水流流態(tài)復(fù)雜。二、側(cè)槽中的水流特性

側(cè)槽中水流是沿程變量的非均勻流。進(jìn)槽水流立即轉(zhuǎn)彎近90度順槽軸線流向下游，對(duì)不同的側(cè)槽斷面流量不同，上游端流量小，向下游不斷增大，直至側(cè)堰結(jié)束時(shí)達(dá)到最大。橫斷面上水面不水平。水流自側(cè)堰跌入側(cè)槽后，在慣性作用下沖向側(cè)堰對(duì)岸壁，并向上翻騰，在重力作用下轉(zhuǎn)向下游流去，在槽中形成一個(gè)橫軸螺旋流。堰對(duì)岸水面較高，通常水力計(jì)算只求出平均水面線。

8－38側(cè)槽內(nèi)復(fù)雜的流態(tài)二側(cè)槽內(nèi)水面曲線的計(jì)算

設(shè)側(cè)槽斷面按一定規(guī)律沿程擴(kuò)展，各斷面流量按一定規(guī)律沿程增加。取側(cè)槽的一個(gè)微分段考慮，其底坡為，為更具普遍性計(jì)算，自側(cè)槽進(jìn)入側(cè)槽的流向與槽軸線不正交，正交于槽軸線的流速分量為u（與u垂直的另一分量為v）。如設(shè)通過n－n斷面的流量為Q，水深為h，過水?dāng)嗝鏋?，斷面平均流速為V，；而在n＋1斷面流量、水深、斷面平均流速為Q+dQ、h＋dh、V+dV；兩斷面在槽底相距ds。由變量流的動(dòng)量定律可導(dǎo)出下列水面線微分方程：（8－28）其中C為謝才系數(shù)，R為水力半徑，B為槽底寬。

圖8－39側(cè)槽沿程變量流微分段

此式即非棱柱體側(cè)槽中沿程變量流的基本方程式。令dQ＝0，就成為恒定漸變非均勻流的微分方程式。對(duì)于通常側(cè)槽，水流方向基本上垂直于槽軸線，這時(shí)v＝0，于是有：（8－29）對(duì)于棱柱體側(cè)槽，則有（8－30）

令式（8－29）中則可得，即當(dāng)滿足式（8－31）的條件，則在非棱柱體側(cè)槽中（且在v＝0的情況下）就能得大致等深的水流。方程式（8－29）～（8－30）都是假定h僅隨s而變化，對(duì)于同一橫斷面則認(rèn)為水深無變化。而實(shí)際上側(cè)堰對(duì)岸一側(cè)水深高于側(cè)堰水深，所以方程中h應(yīng)理解成橫斷面平均水深。試驗(yàn)觀測(cè)表明，橫斷面最大水深可能比這個(gè)平均水深大（5～20）％.為更簡(jiǎn)便計(jì)算側(cè)槽水面曲線，如圖8－40所示側(cè)槽，忽略沿程摩阻損失，由動(dòng)量定律得公式為：

（8－31）（8－32）圖8－40側(cè)槽水面曲線計(jì)算簡(jiǎn)圖式中△y為相鄰兩斷面①、②的水面高差,△Q=Q2－Q1，△V＝V2－V1三側(cè)槽設(shè)計(jì)步驟1、根據(jù)調(diào)洪演算及方案優(yōu)選，首先定出側(cè)堰堰頂高程和過堰單寬流量，選定側(cè)槽長(zhǎng)度。2、為節(jié)省開挖量，側(cè)槽多選用深窄梯形斷面。在滿足水流要求和變坡穩(wěn)定條件下，側(cè)堰側(cè)的邊坡一般可用1：0.5，對(duì)岸邊坡則可用1：0.3～1：0.5。3、選定側(cè)槽底寬。泄流量沿側(cè)槽軸線均勻增加，所以側(cè)槽斷面積應(yīng)沿程增大，始末斷面底寬比約為1:1~1:4；4、選定槽底縱坡i0。槽底高程應(yīng)保證溢流堰為自由溢流，側(cè)槽中水流應(yīng)為緩流流態(tài)，底坡坡度為緩坡，1:0.01~1:0.055、選定經(jīng)濟(jì)的槽末水深hl。為減少側(cè)槽開挖量，宜取hL＝（1.2~1.5)hk,這里hk為槽末流量QL相應(yīng)的臨界水深。6、為避免槽內(nèi)紊亂波動(dòng)水流直接進(jìn)入泄槽（或斜井），保證下游較好的水力條件，側(cè)槽結(jié)束后還應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)恼{(diào)整段和控制斷面（圖8－40）。7、以側(cè)槽末端斷面為起算斷面，選用適當(dāng)?shù)乃媲€差分方程，逐段向上游推算水面高差和相應(yīng)水深。8、選定起始斷面的水面高程。為使溢流堰為非淹沒出流，起始斷面水面超過堰頂?shù)母叨萮b應(yīng)不超過0.5H，其中H為堰頂溢流水頭。9、自起始斷面既定的水面高程，引用第7步計(jì)算成果向下游推算各斷面水面高程和堰底高程，從而得到側(cè)槽的全部形態(tài)第四節(jié)其他型式的溢洪道一、井式溢洪道

1、組成：溢流喇叭口、漸變段、彎曲段、泄水隧洞、出口消能段及尾水渠。

2、工作原理：井式溢洪道工作時(shí)水流從四周經(jīng)環(huán)形堰徑跌入喇叭口，并在一定深度處水舌相互匯交，逐漸成有壓流，再經(jīng)隧洞泄往下游進(jìn)入喇叭口的流量決定于堰頂水頭、堰的型式和周長(zhǎng)；流量能否順利泄出隧洞取決于隧洞的斷面尺寸以及豎井內(nèi)形成的壓力水頭。進(jìn)水為自由堰流，出水為有壓管流，所以井式溢洪道適應(yīng)的水頭達(dá)100～200m。

圖8－41井式溢洪道圖8－42豎井井喇喇叭叭口口比比較較3、工工作作特特點(diǎn)點(diǎn)：：小流流量量－－堰堰流流，，井井內(nèi)內(nèi)水水流流的的連連續(xù)續(xù)性性易易遭遭破破壞壞，，水水流流不不穩(wěn)穩(wěn)，，容容易易出出現(xiàn)現(xiàn)振振動(dòng)動(dòng)和和空空蝕蝕破破壞壞；；大流流量量－－井井口口淹淹沒沒出出流流，，孔孔流流，，超超泄泄能能力力較較小??；；4、進(jìn)進(jìn)口口斷斷面面形形式式：：實(shí)用堰：：流量系系數(shù)大，，適用于于大流量量情況。。平頂堰：：施工方方便，安安裝閘門門方便，，小流量量時(shí)用得得較多。。5、設(shè)計(jì)計(jì)：堰：堰頂頂應(yīng)設(shè)閘閘墩或?qū)?dǎo)流墻，，以使進(jìn)進(jìn)口水流流應(yīng)平順順、對(duì)稱稱，防止止出現(xiàn)立立軸漩渦渦；溢流流堰進(jìn)口口體型應(yīng)應(yīng)采用流流線型設(shè)設(shè)計(jì)，如如可用自自由射流流曲線體體型。漸變段：使使水流平順順地與豎井井連接，避避免水流與與井壁脫離離。水流為為自由跌流流，壓力為為大氣壓。。豎井段：起起穩(wěn)定水流流作用。該該段流態(tài)為為有壓流，，水流克服服水頭損失失后，得到到隧洞進(jìn)口口動(dòng)能。二、虹吸溢溢洪道1、組成成：喇叭型進(jìn)進(jìn)水口、遮遮檐、虹吸吸管、通氣氣孔、挑流流坎、泄槽槽、出口消消能段及尾水水渠渠。。2、工工作作特特點(diǎn)點(diǎn)：：利用虹吸作用用，在較小的的堰頂水頭下下得到較大的的泄流量，啟啟閉靈活、運(yùn)行方便。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，，檢修不便，，進(jìn)口易被污污物或冰塊等等堵塞；且超超泄能力低，負(fù)壓過大大時(shí)，易產(chǎn)生生空化空蝕。。大型工程應(yīng)應(yīng)用不多。3、工作原理：：遮檐頂與虹吸吸管的堰頂均均與正常高水水位平齊。當(dāng)當(dāng)上游水位高高于正常高水水位，開始泄泄流，利用挑挑流坎封閉虹虹吸管，水流流帶走空氣，，形成虹吸。。通入空氣，，則虹吸作用被破壞，，泄流停止。。圖8－47河岸虹吸溢洪洪道首部1－遮檐；2－通氣孔；3－挑流坎；4－彎曲段；5－排污孔虹吸溢洪道的的前端有一位位于正常庫(kù)水水位以下的進(jìn)進(jìn)口，其頂蓋蓋成為遮檐，，與遮檐共共同形成虹吸管道的的下部結(jié)構(gòu)即即為溢流堰。。遮檐在泄洪洪時(shí)淹入水下下的深度應(yīng)使使進(jìn)水時(shí)不致致于挾入空氣和漂浮物物。溢流堰頂