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第八章河岸溢洪道
(RIVERSIDESPILLWAY)第一節(jié)泄水建筑物的作用與分類泄水建筑物的作用:用來宣泄洪水期間(泄洪)或其他情況下水庫(或渠道)中多余水量(泄水)以保證大壩安全的建筑物。包括:
泄洪建筑物、泄水孔、施工泄水道、水閘
第二節(jié)溢洪道(spillway)河床溢洪道(如溢流壩、水閘、泄水孔)河岸溢洪道(明渠、泄水隧洞)一、河床溢洪道(一)類型:溢流壩、泄水孔與水閘(1)溢流壩前緣長度(2)溢流壩堰頂高程溢流壩前緣(二)溢洪道的下游聯(lián)接
通過壩體的下泄水流具有很大的能量,當(dāng)水位差為40m時,單寬流量q=50秒立方米,一米寬河床內(nèi)的水流動能可達(dá)24000匹馬力,如此巨大的能量主要消耗于兩個方面:1、水流的內(nèi)部損耗,如摩擦、沖擊、紊動、漩渦;2、水流與固體邊界作用,如摩擦、沖刷等;當(dāng)沖刷擴展到壩基時,就會危及壩體安全。消能方式:底流消能、面流消能、挑流消能、戽流消能。消能設(shè)計原則:1°盡量增加水流的內(nèi)部紊動
2°限制水流對河床的沖刷范圍1、底流消能
工作原理:在壩趾下游設(shè)消力池、消力坎等,促使水流在限定范圍內(nèi)產(chǎn)生水躍,通過水流的內(nèi)部摩擦、摻氣和撞擊消耗能量。2、挑流消能
工作原理:利用鼻坎將水流挑向空中,并使其擴散,摻入大量空氣,然后落入下游河床水墊,形成旋滾,消耗能量約20%。起初沖刷河床,形成沖坑,達(dá)一定深度后,水墊加厚沖坑趨于穩(wěn)定。二、河岸溢洪道采用條件:1、河谷狹窄,洪峰流量大,采用河床布置有困難;2、壩體不宜作河床溢洪道;3、有埡口地形;4、利用施工導(dǎo)流洞改建。河岸溢洪道的工作方式與分類1.工作方式有閘門----大多數(shù)情況下無閘門----中小型工程,多雨地區(qū)兩者比較:①堰頂高程不同;②水位在堰頂以上,泄流能力不同;③壩高不同;④防洪庫容相同,但位置不同;⑤管理方式不同;⑥溢流前緣長不同;2.分類
由于地形條件和地質(zhì)條件的不同,河岸溢洪道可有多種形式。
按水流方向是否變化分為:正槽溢洪道—過堰水流方向與堰下泄槽縱軸線方向一致,此型式應(yīng)用最廣。(p.368圖8-2)。側(cè)槽溢洪道—水流過堰后急轉(zhuǎn)彎近90°,再經(jīng)過泄槽或斜井,或隧洞下泄;(p.378圖8-15)。井式溢洪道—水流從平面上呈環(huán)形的溢流堰
四周向心匯入,再經(jīng)豎井和隧
洞下泄。(p.382圖8-20)虹吸溢洪道—利用虹吸作用,使水流翻過堰頂?shù)暮缥?,再?jīng)泄槽下泄主要是希望在小水頭時得到較大的泄量。(p.385圖8-24)按使用頻率分正常溢洪道—上述四種溢洪道均為正常溢洪道。非常溢洪道—設(shè)在岸邊,當(dāng)來特大洪水時,自潰或炸毀泄洪,以確保大壩安全。(一)正槽溢洪道1、工作特點:
開敞式正面進(jìn)流.泄槽與溢流堰軸線正交,過堰水流與泄槽方向一致.
組成:進(jìn)水段(引水渠),控制段,泄槽(陡槽),消能段,尾水渠.進(jìn)水渠和尾水渠的設(shè)置視情況而定。優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單,進(jìn)流量大,泄流能力強,工作可靠,施工、管理、維修方便,因而被廣泛采用。缺點:當(dāng)兩岸地勢較高且岸坡較陡時,開挖方量大。組成:引水渠、溢流堰、泄槽、消能段、尾水渠。2、正槽溢洪道各組成部分的設(shè)計(1)引水渠作用:使水流平順地進(jìn)入控制段,改善堰身及泄槽的流態(tài)。設(shè)計原理:在合理的開挖方量下,盡量減少水頭損失,以增加溢洪道的泄水能力,因此要控制流速。渠內(nèi)流速限制在1.5-3.0m/s以下。斷面形式:巖基上接近矩形,土基上采用梯形。進(jìn)口布置形式:喇叭口。(2)、控制堰段作用:控制溢洪道的泄流能力.橫斷面:矩形縱剖面:實用堰和寬頂堰設(shè)計要求:有足夠的泄流能力。溢洪道的控制段,是控制溢洪道泄流能力的關(guān)鍵部位(一)堰型
1)、寬頂堰:
2)、實用堰:簡單、方便、m低(0.32~0.385),適用于地基條件差、泄量小的地形平緩的中小型工程。m高,工程量小,施工復(fù)雜,適用于岸坡較陡的大中型工程。要求:增大流量系數(shù),不產(chǎn)生負(fù)壓及空蝕a)體型:標(biāo)準(zhǔn)WES、克-奧曲線、冪次曲線b)低堰():為滿足流量系數(shù)要求c)的確定:常取較小的,使堰面曲線較瘦小,高水位時,出現(xiàn)適度負(fù)壓,以增大流量系數(shù),減小工程量。d)溢流堰頂部曲線長度:克-奧I型:WES型:e)直線段坡度緩于1:1.4f)反弧半徑:H為校核洪水位時的堰上水頭。g)堰的平面布置:堰軸直線布置。也可以泄槽軸線為對稱軸,采用曲線布置。3)、駝峰堰(復(fù)合圓弧低堰):m高,可達(dá)0.42以上;設(shè)計施工簡便,對地基要求低適用于軟弱地基。4)、帶胸墻的溢流孔口:減小門高,延長泄洪歷時。(二)溢流孔口的確定同重力壩3、泄槽段工作特點:在溢流堰后用泄槽與消能段相接,為使槽內(nèi)水流呈急流狀態(tài)其縱坡常為大于臨界坡度的陡坡,因此又稱其為陡槽。由于泄槽內(nèi)水流流速較高,設(shè)計時必須考慮高速水流產(chǎn)生的沖擊波、摻氣和空蝕現(xiàn)象,在布置和構(gòu)造上予以重視,一般應(yīng)加高、加固泄水槽的邊墻,以確保溢洪道的安全。(1)泄槽的縱剖面設(shè)計
泄槽的縱坡一般做成為大于臨界坡度的陡坡,通常i=1%~5%,有時可達(dá)10%~15%。變坡:泄槽很長時,為適應(yīng)地形、地質(zhì)條件而設(shè)。由陡變緩,變坡處用反弧段連接R8~10倍水深,易出現(xiàn)動水壓力破壞,應(yīng)盡量避免。由緩變陡:變坡處用拋物線連接。槽底易產(chǎn)生負(fù)壓。(2)泄槽的平面布置從高速水流考慮,泄槽在平面上應(yīng)盡量:直線、等寬、對稱布置。實際上,由于地質(zhì)(形)條件的限制,或從減少開挖、處理洪水歸河、有利消能等方面考慮,往往改變橫斷面,設(shè)置收縮段、彎曲段或擴散段。(3)斷面型式在巖基上一般接近矩形斷面,土基上用梯形較多,邊坡不宜太緩以防止水流外溢和對流態(tài)不利,一般應(yīng)做襯砌。(4)彎曲段:渠底超高法—作用是使流量分布均勻并適當(dāng)改善流態(tài)。對彎曲的泄槽,為使槽內(nèi)流量分布均勻和改善流態(tài),可將渠底做成外側(cè)高于內(nèi)側(cè)的橫向底坡,用重力來平衡離心力。(5)收縮段與擴散段收縮段的收縮角大小直接影響由于斷面收縮而產(chǎn)生的沖擊波的大小。收縮角越小,沖擊波就越小,通常收縮角11.25o.擴散段一般設(shè)在泄槽的末端有利于消能.在高速水流的條件下,擴散角不宜過大以免水流于邊墻脫離.K的取值:1.5~3.0水平槽底取小值,即擴散角可大些;斜坡槽底取大值,即擴散角可小些。。
空化空蝕的原因:泄水建筑物的體型不合理;泄水建筑物表面不平整;放樣不準(zhǔn);模板走樣;混凝土質(zhì)量不佳;泥沙的不均勻磨損;
(6).空化空蝕及其減蝕措施
空化:壓力降低至蒸汽壓力后,出現(xiàn)蒸汽氣
穴(初始空化)
空蝕:氣核膨脹遇高壓潰滅,撞擊固壁使
固壁發(fā)生破壞,即發(fā)生空蝕(cavitation
)。
減蝕方法:選用好的體型;采用高強度的抗蝕材料;提高抗滑平整度摻氣減蝕(7)泄槽的襯砌——防沖、防滲、防風(fēng)化、承載
混凝土及砌石結(jié)構(gòu),分縫但縫內(nèi)必須做止水,襯砌底部設(shè)排水設(shè)備,有時襯砌要以鋼筋錨固。4、消能設(shè)施位于泄水槽出口處,作用是為了消除下泄水流具有破壞作用的動能,從而防止建筑物被水流沖刷,保證安全。消能方式:底流消能和挑流消能。5、尾水渠:當(dāng)流經(jīng)泄槽的急流經(jīng)過消能后,不能直接進(jìn)入原河道,需布置一段尾水渠,要求短、直、平順,底坡盡量接近原河道的坡度,以使水流能平穩(wěn)順暢地歸入原河道。(二)側(cè)槽溢洪道
在壩址處山高坡陡,采用正槽式溢洪道將使挖方量增加很多時,可采用側(cè)槽式溢洪道。1、組成:溢流堰、側(cè)槽、調(diào)整段、泄槽、出口消能段、尾水渠。2、特點:堰軸線、泄槽軸線可與山坡等高線平行布置,開挖量小,但側(cè)槽中水流流態(tài)復(fù)雜。水流經(jīng)過溢流堰,泄入與堰大致平行的側(cè)槽后,在槽內(nèi)轉(zhuǎn)向約90,經(jīng)泄槽或泄水隧洞流入下游。側(cè)向進(jìn)流,縱向泄流。4、側(cè)槽的設(shè)計:
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,1:0.01~1:0.05;
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;
槽斷面應(yīng)為深窄型
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