浅谈正槽式河岸溢洪道的设计
浅谈正槽式河岸溢洪道的设计
【摘要】正槽式溢洪道的泄水槽与堰上水流方向一致,所以其水流平顺,超泄能力大,结构简单,运行安全可靠,适用于各种水头和流量,是一种采用最多的河岸溢洪道形式。
【关键词】正槽式；河岸溢洪道；设计；问题
【Abstract】Positive slot type the spillway leak water slot and embankment up the water current direction consistent, so its water current be going smoothly, super leak ability big, structure simple, circulate safety credibility, be applicable to various water head and discharge, is a kind of adoption most of the river shore spillway form.
【Key words】Positive slot type;River shore spillway;Design;Problem
1. 前言 溢洪道是水库枢纽中的主要建筑物之一,它承担着宣泄洪水,保护工程安全的重要作用。溢洪道在坝体以外的河岸上修建称为河岸溢洪道,当拦河坝是土石坝时,几乎都采用河岸溢洪道;在薄拱坝或轻型支墩坝的水库枢纽中,当水头高、流量大时, 泄洪亦以河岸溢洪道为主;在重力坝的水库枢纽中,当河谷狭窄,布置河床坝顶溢流与坝后电站有矛盾,而河岸又有适于修建溢洪道的条件时,也要靠河岸溢洪道泄洪。因此,河岸溢洪道的应用是很广的.
正槽式溢洪道的泄水槽与堰上水流方向一致,所以其水流平顺,超泄能力大,结构简单,运行安全可靠,适用于各种水头和流量,是一种采用最多的河岸溢洪道形式。下面笔者就正槽式河岸溢洪道设计中几个值得注意的问题提出来供大家参考:
2. 引水渠的底宽和流速
引水渠的作用是将水库的水平顺地引至控制堰前,其设计原则是在合理的开挖方量下尽量减小水头损失,以增加溢洪道的泄水能力,而引水渠的底宽和流速是比较重要的控制因素。为防止泄洪时引水渠两侧产生不对称的回流或立轴旋涡,小转向惯性力引起的堰前横向坡降,导致过堰水流不均,减小泄流能力,规范规定引渠底宽可为等宽或顺水流方向收缩,在与控制段连接处应与溢流前沿等宽。根据资料统计，国内外几个工程的进水渠首、末端断面底宽之此B0/B为1.5~3.0，如中国竹园1.5、碧口1.7、南谷河2.0、大伙房2.4、石头河3.0，日本的岩尾1.9，印度的Bcas2.5等。故B0/B一般限制在1.5~3.0较为有利。引水渠内水流流速对工程量和水头损失有较大影响。规范对34个工程资料统计分析，设计流速低于3m/s的共9个，占26.47%;设计流速在3m/s~5m/s之间的共18个,占52.94%;设计流速高于5m/s的共7个,占20.59%。彼此相差也颇大,如西排子河水库的流速仅0.73m/s,而碧口的流速在设计工况下为5.58m/s,保坝工况下为8.63m/s。一般规定进水渠设计流速不大于4.0m/s,以控制在1~2m/s为宜。对于地势较高,山坡较陡,开挖方量很大的河岸溢洪道,进小渠设计流速可以适当提高,但应尽量缩短进水渠的长度,减少进水渠的水头损失。进水渠进口的流速应低于渠内流速,一般控制在2.5m/s以下为宜。
3. 控制段的堰型选择
控制段控制水库的水位和下泄流量,是溢洪道的咽喉,其常用的堰型有宽顶堰、实用堰。 宽顶堰结构简单,施工方便。但流量系数较低,在相同条件下,其所需要的溢流前缘要比实用堰长,土石挖方较大。
一般多用于泄洪量不大或附近地形平缓，高程适宜的中小型水库中。实用堰由于流量系数大，当岸坡较陡时，采用实用堰可以减少开挖方量，多用于大中型工程。在溢洪道上经常采用的实用堰型有WES型和驼峰堰，WES堰的流量系数较大，堰型较优，推荐优先采用。驼峰堰的堰面是由几个半径不同的圆孤组成，施工简单，地基应力分布比较均匀，整体稳定性较好，适用于软弱地基条件，其流量系数要比宽顶堰大。而值得一提的是，为寻找高水头溢洪道中低堰用的较理想体形，某些学者对机翼形堰进行了水工物理模型和数学模型的综合研究，结果表明机翼形堰是很适用于高水头溢洪道上以低堰状态工作的堰型，而以尽可能大的流量系数和尽可能小的负压绝对值作全面比较，机翼形堰还稍胜WES堰一筹。并且具有堰型参数少，便于设计施工；堰顶部分较平缓，易于布置闸门；下游堰面曲线有渐变的斜率，便于和各种纵坡槽底相切等优点。笔者认为机翼堰也是一种值得推广应用的堰型。
4. 堰顶水头H和堰面定型设计水头Hd
堰顶水头应以控制堰上游（4~6）H处的水位作为计算标准。当溢流堰面临水库而无引水渠时，可用水库水位计算堰顶水头；当引水渠较长时，则必须考虑到水渠的水头损失由引渠的水面线确定H值。过去有些工程在设计堰顶水头H时对引水渠的水头损失考虑不足甚至完全忽略而造成溢洪道泄量达不到设计值的情况必须引起重视。 选择适宜的堰面定型设计水头Hd，对控制堰的泄洪量和工程的安全有着很大的意义。由于溢洪道上的堰多为低堰，下游水深相对较大，选用较小的定型设计水头，高水位时一般不会发生过大的负压，有利于渲泄较大的洪水。部分研究认为当堰顶水头H＝1.4Hd时,堰面负压不致产生有害的影响,所以Hd一般采用堰顶最大水头的0.6~0.75倍。规范规定低堰的定型设计水头Hd一般取为堰顶最大水头的65%~85%。
5. 低实用堰的堰高和下游堰面坡度
由于溢洪道的控制段多数采用低实用堰，而低堰的流量系数受堰高的影响较大，为了获得较大的流量系数，必须有适宜的堰高。有试验表明，低堰的流量系数m值将随相对堰高P1/Hd（P1为上游堰高）的减小而减小，当P1 / Hd﹤0.5时，流量系数减少更为明显。这是因为堰高过低，水流纵向收缩不够完善，致使堰面压力增加，动能减小所致。规范规定上游堰高P1不小于0.3倍的堰面定型设计水头 Hd，而为使流量系数不致太小，又不致过多地增加开挖方量和混凝土方量，笔者建议P1值以不低于0.5 Hd为宜。另外当下游堰高P2过小时,水流过堰后将由于堰面曲线过短而不能逐渐转向，致使反弧段动水压力较高，影响低堰下游面的正常压力分布，因而会出现水头越大流量系数越低的现象。为了消除这种现象，保证堰的自由泄流状态，下游堰高P2必须保持一定高度，以便堰面能有足够的长度。规范规定下游堰高P2不小于0.6倍的堰面定型设计水头Hd。 同时为了保证堰面能有足够的长度，下游堰面也必须保持一定的坡度，有资料认为若其坡度缓于1:1.4,即表示堰面长度不足,而且下游堰面坡度对泄流能力有一定的影响。关于下游堰面坡度对泄流能力影响的试验研究成果指出，对于WES低堰，影响泄流能力的下游堰面坡度为1:1,故规范规定下游堰面坡度宜陡于1:1。
6. 结语
以上提出来的几个问题只是笔者在正槽式河岸溢洪道设计工作中总结出来的一部分,希望能给相关的工程技术人员一些启迪和帮助,共同搞好正槽式河岸溢洪道的设计,保证工程的安全,为祖国的水利科技事业作出贡献。
参考文献
［1］王世夏编著.《水工设计的理论和方法》.北京：中国水利水电出版社，2000.
［2］齐金苑，于文成. 《水利工程建设百科全书》(勘测设计.施工技术.质量管理卷).北京：当代中国音像出版社，2003.
