岸边溢洪道设计概述PPT课件

水工建筑物课件水工建筑物课件 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1:0.1 1:0.3，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 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 。 （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。 n1、收缩段 n 合理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 、 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: n2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（SL253 2000）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（SL253 2000）。 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。 n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。 n 挑坎：高度通常0.5-0.85m，挑角 5-7，斜面坡度1/10（不宜过陡）。 n 跌坡：高度通常0.62.75m。 n 泄槽较长可设多道掺气装置。 图图716 掺掺气装置的主要类类型 （a）掺掺气槽式；（b）挑坎式；（c）跌坎式； （d）挑、跌联联合式；（e）挑坎、掺掺气槽联联合式； （f）跌坎、掺掺气槽联联合式 （四）泄槽边墙高度 H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