岸边溢洪道布置和型式选择

第七章第七章 岸边溢洪道岸边溢洪道第一节 概述第二节 正槽式溢洪道第三节 其他型式的溢洪道第四节 非常泄洪设施第五节 岸边溢洪道的布置和型式选择第七章 岸边溢洪道第一节第一节 概概 述述 对于土石坝或坝体泄洪能力受到限制的混凝土坝来说，常常设置岸边溢洪道泄洪，防止洪水漫顶，保证大坝及其他建筑物的安全。岸边溢洪道按泄洪标准和运用情况，可分为正常溢洪道（包括主、副溢洪道）和非常溢洪道。岸边溢洪道按其结构型式可分为：正槽式溢洪道、侧槽式溢洪道、井式溢洪道和虹吸式溢洪道等。在实际工程中，正槽式溢洪道应用最广。岸边溢洪道正常溢洪道非常溢洪道宣泄设计洪水宣泄超过设计标准的洪水主溢洪道副溢洪道宣泄常遇洪水按设计泄量与主溢洪道泄量之差设计第二节第二节 正槽式溢洪道正槽式溢洪道 正槽式溢洪道通常由引水渠、控制段、泄槽、出口消能段及尾水渠等部分组成。其中，溢流堰、泄槽及出口消能段是溢洪道的主体。溢流堰轴线与泄槽轴线接近正交，过堰水流流向与泄槽轴线方向一致，故称为正槽式溢洪道。第七章 岸边溢洪道引水渠引水渠一、引水渠一、引水渠 由于地形、地质条件限制，溢流堰往往不能紧靠库岸，需在溢流堰前开挖引水渠，将库水平顺地引向溢流堰，当溢流堰紧靠库岸或坝肩时，此段只是一个喇叭口。第七章 岸边溢洪道溢洪道引水渠的型式第七章 岸边溢洪道 为了提高溢洪道的泄流能力，引水渠中的水流应平顺、均匀，并在合理开挖的前提下减小渠中水流流速，以减小水头损失。流速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35m/s。引水渠越长，流速越大，水头损失就越大。引水渠的渠底视地形条件可做成平底或具有不大的逆坡。渠底高程要比堰顶高程低些，因为在一定的堰顶水头下，行近水深大，流量系数也较大，泄放相同流量所需的堰顶长度短。引水渠在平面布置上应力求平顺，避免断面突然变化和水流流向的急剧转弯。通常把溢流堰两侧的边墩向上游延伸构成导水墙或渐变段，其高度应高于最高水位。第七章 岸边溢洪道 引水渠的横断面，在岩基上接近矩形，边坡根据岩层条件确定，新鲜岩石一般为1:0.11:0.3，风化岩石为1:0.51:1.0；在土基上采用梯形，边坡根据土坡稳定要求确定，一般选用1:1.51:2.5。引水渠应根据地质情况、渠线长短、流速大小等条件确定是否需要衬护。二、控制段二、控制段 溢流堰控制段包括：溢流堰及两侧连接建筑物。其作用是控制溢洪道的过水能力。控制段的顶部高程，在宣泄校核洪水时不应低于校核洪水位加安全加高值；挡水时应不低于设计洪水位或正常蓄水位加波浪的计算高度加安全加高值；当溢洪道紧靠坝肩时应与大坝坝顶高程协调一致。溢流堰是水库下泄洪水的口门，是控制溢洪道泄流能力的关键部位，因此必须合理选择溢流堰段的型式和尺寸。第七章 岸边溢洪道第七章 岸边溢洪道 溢流堰按其横断面的形状与尺寸可分为：薄壁堰、宽顶堰和实用堰（堰断面形状可为矩形、梯形或曲线形）；按其在平面布置上的轮廓形状可分为：直线形堰、折线形堰、曲线形堰和环形堰；按堰轴线与上游来水方向的相对关系可分为：正交堰、斜堰和侧堰等。溢流堰通常选用宽顶堰、实用堰，有时也用驼峰堰、折线形堰。溢流堰体形设计的要求是：尽量增大流量系数，在泄流时不产生空穴水流或诱发危险振动的负压等。（一）溢流堰的型式（一）溢流堰的型式第七章 岸边溢洪道 （1）宽顶堰 宽顶堰的特点是结构简单，施工简便，但流量系数较低（约为0.320.385）。由于宽顶堰堰矮，荷载小，对承载力较差的土基适应能力强，因此，在泄量不大或附近地形较平缓的中、小型工程中，应用较广。宽顶堰第七章 岸边溢洪道 （2）实用堰 实用堰的优点是流量系数比宽顶堰大，在相同泄流量条件下，需要的溢流前沿较短，工程量相对较小，但施工复杂。大、中型水库，特别是岸坡较陡时，多采用此种型式。溢洪道的实用堰一般较矮，其流量系数介乎溢流重力坝与宽顶堰之间。为了提高泄流能力，应当合理选用堰高、定型设计水头、堰面曲线，并保证堰面曲线具有足够的长度。实用堰第七章 岸边溢洪道 溢流堰堰面曲线对泄流能力影响很大，通常采用非真空型堰面曲线，我国最常采用的是WES型、克奥型和幂次曲线型。在设计溢流堰堰面曲线时，首先要确定定型设计水头Hd。选择实用堰的定型设计水头时，应结合堰面允许负压值综合确定。SL2532000溢洪道设计规范规定：闸门全开泄常遇洪水时，堰面不应出现负压；闸门全开泄设计洪水时，堰面附近负压不得大于0.3MPa；闸门全开泄校核洪水时，堰顶附近负压不得大于0.06MPa。堰面定型设计水头与堰顶最大水头比一般为0.650.85。第七章 岸边溢洪道 堰高对流量系数也有影响。一般认为：上游堰高P11.33Hd的属于高堰，0.3HdP11.33Hd的属于低堰。溢洪道的溢流堰一般属于低堰。低堰的流量系数随P1/Hd的减小而减小，为了获得较大的流量系数，低堰的堰高P1一般应大于0.3Hd。低堰的流量系数还与下游堰高P2有关，一般建议P2应大于0.6Hd。溢流堰顶部曲线的长短对流量系数也有影响，当堰顶曲线长度不足以保持标准实用堰的外形轮廓时，流量系数将受到影响而降低。实用堰常用反弧曲面与泄槽底板相接，反弧半径可采用(36)h，流速大时宜选用较大值。第七章 岸边溢洪道 （3）驼峰堰 驼峰堰是一种复合圆弧的低堰，是我国从工程实践中总结出来的一种新堰型。其流量系数一般为0.400.46。驼峰堰的堰体低，流量系数较大，设计与施工简便，对地基要求低，适用于软弱地基。第七章 岸边溢洪道 （4）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，称为折线形堰。堰体由若干个折线组成，形同迷宫，也称为迷宫堰。中、小型水库溢洪道，尤其是小型水库溢洪道，常不设闸门，而利用与正常蓄水位齐平的堰顶来控制库水位。此时，若用迷宫堰不仅结构简单、工作可靠、节省工程量，而且因溢流前沿加长，堰顶可相应抬高，有利于增大兴利库容。第七章 岸边溢洪道（二）溢流孔口尺寸的拟定（二）溢流孔口尺寸的拟定 溢洪道的溢流孔口尺寸，主要是溢流堰堰顶高程和溢流前沿宽度的确定。其设计方法与溢流重力坝基本相同。但由于溢洪道出口一般离坝脚较远，其单宽流量可以比溢流重力坝所采用数值大一些。第七章 岸边溢洪道（三）控制段的结构设计（三）控制段的结构设计 控制段的结构计算设计包括：结构型式选择和布置、荷载计算及其组合、稳定计算、应力分析、细部设计等。SL2532000溢洪道设计规范指出：堰（闸）的稳定分析可采用刚体极限平衡法；闸室基底应力及实用堰堰体应力分析可采用材料力学方法，重要工程或受力条件复杂时可采用有限元法；闸墩的应力分析可采用材料力学法，大型闸墩宜采用有限元法；宽顶堰及驼峰堰底板应力分析可采用材料力学法、有限元或弹性地基梁法。第七章 岸边溢洪道 （1）堰（闸）基底面的抗滑稳定安全系数按抗剪断公式计算：堰（闸）基底面的抗滑安全系数不得小于规范规定值。第七章 岸边溢洪道 （2）堰（闸）基底面上的铅直正应力应满足下列要求：1）运用期。在各种荷载组合情况下（地震情况除外），堰（闸）基底面上的最大铅直正应力max应小于基岩的容许压应力（计算时分别计入扬压力和不计入扬压力）；最小铅直正应力min应大于零（计入扬压力）。地震情况下可允许出现不大于0.1MPa的铅直拉应力。计算双向受力情况时，基底面上容许出现不大于0.1MPa的铅直拉应力。双向受力并计入地震荷载时，基底面容许出现不大于0.2MPa的铅直拉应力。2）施工期。堰（闸）基底面上的最大铅直正应力max应小于基岩的容许压应力；下游端的最小铅直正应力min可容许出现不大于0.1MPa的拉应力。三、泄槽三、泄槽 正槽溢洪道的溢流堰后多用泄水陡槽与出口消能段相连接，以便将过堰洪水安全地泄向下游河道。泄槽一般位于挖方地段，设计时要根据地形、地质、水流条件及经济等因素合理确定其形状和尺寸。由于泄槽内的水流处于急流状态，高速水流带来的一些特殊问题，如冲击波、水流掺气、空蚀和压力脉动等，应认真考虑，并采取相应的措施。第七章 岸边溢洪道 泄槽在平面上宜尽量采用直线、等宽、对称布置，这样可使水流平顺、结构简单、施工方便。但由于地形、地质等原因，或从减少开挖和有利消能等方面考虑，常在溢流堰下游先接收缩段（目的在于节省泄槽土石开挖量和衬砌工程量），再接等宽泄槽，最后接出口扩散段（目的在于减少出口单宽流量，有利于下游消能和减轻水流对下游河道的冲刷）。（一）泄槽的平面布置及纵、横剖面（一）泄槽的平面布置及纵、横剖面第七章 岸边溢洪道第七章 岸边溢洪道 泄槽纵剖面设计主要是决定纵坡。泄槽纵坡必须保证泄流时，溢流堰下为自由出流和槽中不发生水跃，使水流始终处于急流状态。因此，泄槽纵坡必须大于临界坡度。常用的纵坡为1%5%，有时可达10%15%。应尽量建在岩基上。泄槽的横剖面，在岩基上接近矩形，以使水流分布均匀，有利于下游消能；在土基上则采用梯形，但边坡不宜太缓，以防止水流外溢和影响流态，一般为1:11:1.5。（二）收缩段、扩散段和弯曲段设计（二）收缩段、扩散段和弯曲段设计 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。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，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。收缩段、扩散段和弯曲段设计的任务就在于使冲击波的影响减到最小。第七章 岸边溢洪道泄槽平面布置示意图泄槽平面布置示意图 1）收缩段 合理的收缩段应当是引起的冲击波的高度最小和收缩段以下泄槽中的水流扰动减至最小。工程中常见的收缩段是在平面上呈对称收缩。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。因此，宜采用直线边墙收缩段，但在转角处可以局部抹圆。第七章 岸边溢洪道第七章 岸边溢洪道冲击波的计算：冲击波的计算：根据动量定理得第七章 岸边溢洪道第七章 岸边溢洪道第七章 岸边溢洪道 例例7.1：有一矩形陡槽，通过流量为16m3/s，今欲将槽宽从3.7m收缩到2.2m，已知收缩段起点处水深为0.6m。试设计收缩段的长度及侧壁偏角。2）扩散段 目的是减小单宽流量，便于消能。设计时除了减小冲击波和高度和对水流的扰动外，还必须保证水流扩散时不发生脱离边墙的现象。在初步设计时，可根据急流边墙不发生分离的条件来确定扩散角 ：第七章 岸边溢洪道第七章 岸边溢洪道3）弯曲段 弯曲段通常采用圆弧曲线，弯曲半径应大于10倍槽宽。弯曲段水流流态复杂，不仅因受离心力作用，导致外侧水深加大，内侧水深减小，造成断面内的流量分布不均，而且由于边墙转折，迫使水流改变方向，产生冲击波。因此，弯曲段设计的主要任务在于使断面内的流量分布趋近均匀，消除或抑制冲击波。第七章 岸边溢洪道弯曲段冲击波的计算弯曲段冲击波的计算 C点和D点的圆弧中心角：第七章 岸边溢洪道 在CBD以后，因不断发生波的反射、干涉与传播，形成了一系列互相交错的冲击波。对于外边墙，在圆弧中心角3、5、各点为水面最高点；而2、4、各点为水面最低点。内边墙发生最高、最低水面点位置正好同外边墙相反。弯曲横断面内、外侧的水深：计算外侧水深时取正值，计算内侧水深时取负值。第七章 岸边溢洪道 弯曲段的水力设计方法大体可分为两类：施加侧向力，即采取工程措施，向弯曲段水流施加作用力，使它与水流离心力相平衡，以达到消除干扰的目的，如渠底超高法、弯曲导流墙法等；干扰处理法，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的反扰动，来消除原来扰动的影响，如复曲线段法、螺旋线过渡段法和斜坎法等。第七章 岸边溢洪道 渠底超高法是在弯曲的横剖面上，将外侧渠底抬高，造成一个横向坡度。利用重力沿横向坡度产生的分力，与弯曲段水体的离心力相平衡，以调整横剖面上的流量分布，使之均匀，改善流态，减小冲击波和保持弯曲段水面的稳定性。泄槽弯曲段外侧相对内侧的槽底超高值为：（三）掺气减蚀（三）掺气减蚀 水流沿泄槽下泄，流速沿程增大，水深沿程减小，即水流的空化数沿程递减，经过一段流程之后，就会产生水流空化现象。空化水流到达高压区，因空泡溃灭而使泄槽壁遭受空蚀破坏。抗空蚀措施有：掺气减蚀、优化体形、控