溢洪道设计要点概要.docx

1、溢洪道设计要点概要溢洪道的设计和布臵合理与否 ,不单直接影响到水库的安全 ,并且关系到整个工程造价。土 石坝一般中小型溢洪道 ,约占水库枢纽工程造价的 2530%及劳动力的25%,故溢洪道合理的布局 和选型 ,在水库工程设计中是一个比较重要的环节。1.常有问题1.1 溢洪道是洪水时期保证水库安全的重要设备 , 中小型水库因为受工程造价的限制 , 其设计采纳 的洪水标准常常偏低、采纳洪水数据 (洪峰、洪量偏小 ,因此必定带来溢洪道设计尺寸偏小 , 再加上周边岩体风化坍落 ,常常造成泄流能力不足 ,因此不可以保证安全泄洪。1.2 在布臵上 , 某些工程设计的溢洪道其进出口段离坝身太近 , 坝肩与溢

2、洪道之间仅有单薄的山脊 相隔。入口段如未进行有效的护砌 ,泄洪时一旦发生冲蚀现象 ,将危及坝肩安全 ,有些设计的陡 槽尾端与坝脚紧贴 ,假如发生横流冲洗 ,更易危及坝脚安全 ,所以这二种状况均对大坝的运转安 全十分不利。1.3 溢洪道设计的平面弯道半径过大和缩短过剧 , 对泄流十分不利。 特别在溢洪道斜坡段布臵有弯 道时 ,因为弯道流态、流势强烈变化 ,以致二岸产生了水面差 ,这时凹岸水面壅高 ,并在下游衔 接的平直段内产生折冲水流 ,大大影响了泄流能力和消能成效。此外斜坡段或缓流段的过剧缩短 , 也会发生明显的壅水和流态变化 ,并对溢洪道衬砌造成冲击 ,如砌护过高会增添投资 ,砌护过低 了又

3、不安全。1.4 溢洪道纵横剖面及平面布臵设计不妥 , 比较突出的问题是斜坡设计比降过陡。 部分溢洪道布臵 在非岩性山坡上 ,其底部未做有效的反滤衬砌 ,以致渗水后易产生滑坡 ;构造上也不稳固。在横 断面设计中 ,有些工程对双侧山坡开挖坡度注意不够 ,有的过陡 ,加上衬砌厚度偏薄 ,不可以知足 抗滑抗倾稳固 ,也易造成坍方和滑坡 ;平面布臵上 ,存在着上下游断面连结不配套 ,形成 “瓶颈 ”现象 ,进而影响了泄洪能力 ;别的溢洪道尾端与河流连接部分注意不够 ,以致有的尾端超出河床 好多 ,有的尾端未做砌护办理 ,常造成严重冲洗 ,并向上延长 ,直至整个建筑物损坏。1.5 现有水力设计方法尚不够完

4、美 , 如溢洪道入口布臵有引洪平流段的状况下 , 因为水力计算中忽 略了平流段时入口水位的壅高 (即水头损失 。而实质壅高有时较大 ,不行忽略。有些设计对溢洪 道的消能工的设计考虑不够充足 ,或许型式选择不妥 , 以致消力墙长度和深度均不可以知足需要 , 消能不够充足 ,以致下游河段发生严重冲洗。另在侧槽式溢洪道设计中 ,过去大多采纳 “扎马林法 ”进行计算。经多年实践及水工模型试考证 明:使用该法计算所确立的水面坡降偏小 ,以致侧槽深度不够 ,流量系数减小 ,使侧堰局部体现 吞没出流 ,其实质泄大水量达不到设计要求的泄量 ,因此对工程是不安全的。1.6 有些工程在构造设计中对泄洪的特色和基础

5、特征考虑不周 , 溢洪道下泄的高速水流拥有很强的 冲卖力、因为急流的掺气和脉动现象十分明显常会产生强烈的震动 ;有些溢洪道采纳低标号的浆 砌石或砼砌护 ,且砌护厚度与边坡砌护高度都不可以适应构造稳固要求 ,因此不可以抵抗高流速的冲 刷;有些非岩基上的溢洪道设计时 ,底部几乎没有反滤排水设备 ,极易发生塌滑 ;有些大面积圬 工砼衬砌因为未设伸缩沉陷缝 , 以致溢洪道衬砌发生一些裂痕 ,总之这些都使工程安全受至影响。 2.设计对策溢洪道设计中掌握的基本资料能否充足与完美 ,采纳的设计标准能否适合 ,均直接影响到整个工 程的安全及经济 ,现就相关问题谈一些见解 :2.1 规划布局溢洪道工程的规划布局

6、应尽量利用有益地形地貌 ,即要经济合理又要保证安全。如大坝邻近有天 然山坳能够布设溢洪道则最为理想 ,如主坝口子狭小没法布臵正堰则可考虑选择侧槽式溢洪道。 其规划布臵的主要原则是 :基础坚硬均一 ,线路短 , 无弯道 ,出口远离坝体 ;工程禁止布臵在滑 坡或倒塌体地上。溢洪道往常有四个主要部分构成 :引流段 (近口段 、控制段 (堰流段 、泄流 段(斜坡、急流段及消能工。2.1.1 引流段 (近口段为引流平顺其入口形状最好做成喇叭口 ,为减小损失其长度不宜过长。如因地形所限一定在该段 内设臵弯道时 ,则应使曲折段尽量缓和外、还应使弯道与下游连接段和出口段尽量远离坝脚 ,以免冲洗坝脚。引流段截面

7、一般采纳梯形或矩形 ,当流速 砌护 ,但与坝端邻 近和紧接控制建筑物的范围内应砌护必定长度凹岸亦应砌护 ,如为坚硬的岩 基则可不考虑。12米 /秒时一般可不,同时在弯道二侧的2.1.2 控制段 (堰流段为使泄流均匀 ,可使近口水流垂直于控制段建筑物 ;依据地形条件和泄流需要必要设臵宽顶堰或 适用断面堰 , 堰宽度可按同意单宽流量选定 , 岩基上单宽流量为 4070m3/s, 非岩基上为 2040m3/s, 土基上为 20m3/s。 除近口段设有引流段外 , 一般应使堰顶宽度 3h堰 (h 堰为堰上水头 , 单位 m ; 为使水流平顺 ,堰口与其上游引流段可采纳渐变段连结 ,其缩短角以 12 度

8、左右为宜。如堰体较宽 则应在其横向设臵温度缝与沉陷缝 ,此间距可按 1015m 布设。2.1.3 泄流段 (斜坡、急流段该段平面均采纳直线布臵 ,并尽量防止弯道和设臵扭坡顺引流态的急骤变化甚至产生负压 ;其纵 断面设计应就地取材地依据地形、地质而采纳缓坡、斜坡或多级跃水等多种形式 ;斜坡段应采纳 均一比降 ;因为泄水段流速很高 ,故应尽量布臵在岩基上 ,如为非岩基则该段衬砌厚度应按同意 流速与地质条件选择进行设计 ,一般浆砌石用 0.51.0m,砼 0.20.5m,钢筋砼 0.150.3m(砼与 钢筋砼基部还应设 0.305m 厚的浆砌石底砌护 ,其坡度一般以 为宜。新鲜岩基上的泄水道 ,可不

9、砌护 ;如为柔软风化岩石仍须用 0.30.5m 的浆砌石或 0.2m 厚的砼作 砌护 ,并加设锚固筋 ;如需大面积砼衬砌则应按地质状况 ,联合温度变化布臵伸缩缝和沉陷缝 , 双侧边坡可仅设横缝 , 底部则应设纵横缝 , 间距一般为812m, 同时在衬砌底部需敷设排水的反滤 料;考虑高速水流掺气的特色 ,边坡的砌护高度应有适合超高。2.1.4 消能工在泄水段尾端需设臵消能工 ,其详细选择型式可依据地形、地质和水力条件的要求而定 ,采纳多 级跃水或溢洪道尾端的跃流段应使其泄流方向远离坝脚 100150m。关于非岩基上一般均采纳底 流消能 ,并在尾端设臵消力池。如泄流量不大 ,亦可考虑消力槛形式 ;

10、如为远驱式水跃 ,因为极 易造成冲洗 ,此时可考虑采纳差动式消力槛形式 ;在岩基上 ,如溢洪道尾端有较陡边坎时 ,采纳 挑射消能较为有益 (但需考虑高空扩散气流及下游冲洗对四周影响 , 因为这类形式可省去消力池、 护坦与海漫等工程 ,因为其工程量小、造价低 ,因此常被采纳。依据工程实践鼻坎形式以矩形差 动式最好 , 但鼻坎以上斜坡最好做成矩形断面 ,千万不行作成梯形断面免得需用扭坡与鼻坎连接。 2.1.5 侧槽段 (指侧堰深槽式溢洪道该段布臵应垂直于来水流向 ,其长度可依据等高线向上游延长 ,水流特色是侧向进流 ,纵向泄流。 侧堰与深槽连结的渐变过渡段 ,其缩短角应控制在 12 左右 ,其长度

11、一般为槽内水深的 35倍 , 其主要作用是防止槽内颠簸和横向旋滚的水流直接进入斜坡段。2.2 水利计算为使水力计算与工程特征相一致 ,故正确采纳计算公式十分重要。2.2.1 引流段的水力计算 :可采纳自下游控制断面向上游反推求水面曲线的方法进行 (如查尔诺门 斯基方法 ,引流段入口处端须先计算水位壅高 ,才能求得泄洪时的正确库水位。2.2.2 控制段的汇流计算 :可依据 “溢流堰水力计算设计规范 ”建议的方法计算 , 同时正确采纳流 量系数时并使其与采纳的堰型相一致。2.2.3 泄流段陡槽水力计算 :推求陡槽段水面曲线的方法许多 ,如陡槽底宽固定不变时 ,可采纳 B 型降水曲线或用查尔诺门斯基

12、方法计算 ;对底宽渐变的陡槽段则可用查氏方法分段详算。 2.2.4 消能设备的水力计算 :采纳底流式消能能够采纳 A C: 巴什基洛娃图表计算。因为巴氏对各 种消能设备的计算方法与步骤均较明确、详细 ,计算省时又能保证精度 ;可是我们在选定消能设 施的尺寸时应当留有余地 , 关于一些重要的中型水库其水力计算成就还应经过模型试验加以考证 ; 至于挑射消能计算 ,当前还未找到一种比较成熟合用的计算方法。2.2.5 侧槽段的水力计算 :过去采纳的 “扎马林法 ”因为计算时采纳了均匀流假设 , 而实质水流状 态是沿程变量流 ,故不切合合用于均匀流的谢才公式 ,因此与实质泄流状况有较大进出。最近几年来有

13、些水利科技工作者依据水流动量或能量关系而建议采纳的水面曲线计算的公式比较切合实质泄流状况 ,如“西南水工所在中小型水库侧槽式溢洪道的设计一书中介绍的公式 ”、 “美 国小坝设计一书顶用的公式 ”、以及 “浙江省水利科技情报 77 年第三期介绍的南斯拉夫哈 丁公式 ”等均与水工模型试验符合。此中南斯拉夫的哈丁公式又可联合实质验算 ,计算方法简易、 省时 ,故可供设计参照。因为侧槽内实质的流态十分复杂 ,故在堰顶对面的岸坡水面要比均匀水 位抬高 520%,所以其设计的衬砌的高度、厚度要要考虑上述影响。因为侧槽式溢洪道在侧向进流时 ,水流的冲击、掺气和槽内水流颠簸很大 ,流态十分复杂 ,故精 确计算

14、十分困难 ,所以关于重要的大中型水库其侧槽式溢洪道设计需依照水工模型试验来确立其 相应尺寸。2.3 构造计算为保证建筑物安全稳固的构造计算是不行缺乏的 ,除一些护坡及挡土墙的稳固可按一般方法计算 外,一定进行斜坡面砌护厚度与消力池底板的稳固剖析 ,而对挑射消能则应进行鼻坎的稳固与基 础应力计算。2.3.1 斜坡的护砌厚度应知足滑动安全 , 设臵伸缩缝沉陷缝此后 , 坡面砌护近似大面积薄板 , 故对 基础应力以及倾复稳固一般可不须计算 ,其主要控制条件是滑动稳定 ,作用在护面上的滑动力主 要有水流拖泄力、砌体自重顺坡方向的分力及护面凸体 (如伸缩缝产生的阻力 ;抗滑力则包含 砌体自重垂直坡面的分

15、力和水流静压力 (需扣除高速水流的脉动压力 、 护面上的上举力和浸透压 力 ,其抗滑安全系数应 1.31.5 即为安全。2.3.2 消力池底板厚度应知足抗浮稳固要求 ,因为底板四周界限的拘束作用 ,一般没有滑动问题 , 所以仅需对其抗浮要求进行稳固计算。作用在底板上的上调力包含浸透压力、脉动压力、底板上 凸出体产生的上举力 ,以及下游消力池水深与水跃段内压力差。抗浮力包含底板的浮重和底板上 的水重 ,其抗浮安全系数 即为安全。2.3.3 挑流鼻坎的尺寸应知足滑动稳固、 倾复稳固和同意的基础应力。 作用于鼻坎上的向下的垂直 力包含鼻坎自重、鼻坎上的水重 ,挑流曲面离心力的垂直分力 ; 向上的垂直

16、力包含脉动力、浸透 压力、鼻坎下游尾部形成的上调力、以及鼻坎上凸出体产生的上举力。作用于鼻坎的水平推力包 括水流的拖泄力 ,挑流时其鼻坝曲面离心力的水均分力 ,以及鼻坎上凸出体产生的水均分力。按 一般力学方法计算鼻坎的滑动与倾复稳准时其要求抗滑安全系数 1.31.5,抗倾安全系数 1.5,同时计算上述各力的协力,其作用点应位于基础面中三分点以内,且基础最大与最小应力比值 35,以防止发生不均匀沉陷。3.小结针对中小型溢洪道常出现的问题 ,应从资料采集、规划布局、水利计算及构造计算层层把关 ,保 证工程安全经济可行。1.2 在布臵上 , 某些工程设计的溢洪道其进出口段离坝身太近 , 坝肩与溢洪道

17、之间仅有单薄的山脊 相隔。入口段如未进行有效的护砌 ,泄洪时一旦发生冲蚀现象 ,将危及坝肩安全 ,有些设计的陡 槽尾端与坝脚紧贴 ,假如发生横流冲洗 ,更易危及坝脚安全 ,所以这二种状况均对大坝的运转安 全十分不利。1.3 溢洪道设计的平面弯道半径过大和缩短过剧 , 对泄流十分不利。 特别在溢洪道斜坡段布臵有弯 道时 ,因为弯道流态、流势强烈变化 ,以致二岸产生了水面差 ,这时凹岸水面壅高 ,并在下游衔 接的平直段内产生折冲水流 ,大大影响了泄流能力和消能成效。此外斜坡段或缓流段的过剧缩短 , 也会发生明显的壅水和流态变化 ,并对溢洪道衬砌造成冲击 ,如砌护过高会增添投资 ,砌护过低 了又不安

18、全。这两条经常矛盾 , 在过去工程中出现过两种布臵方式 1 知足水力条件 , 但溢洪道其入口段离坝身太 近 , 甚至与大坝上游防渗体联合 , 并且与坝身连接处采纳高挡墙 , 砼量大 , 且施工相互影响 ;2 将溢洪道独自布臵在坝肩 , 但水流条件差 , 引渠弯道大 , 开挖量成倍增添 , 此时经常将溢洪道与坝 轴线不正交 , 将坝身作成折线形 , 改良进流条件 . 怎样布臵 , 应综合考虑 !2.1.1 引流段 (近口段为引流平顺其入口形状最好做成喇叭口 ,为减小损失其长度不宜过长。如因地形所限一定在该段内设臵弯道时 ,则应使曲折段尽量缓和外、还应使弯道与下游连接段和出口段尽量远离坝脚 ,以 免冲洗坝脚。引流段截面一般采纳梯形或矩形 ,当流速 12米 /秒时一般可不砌护 ,但与坝端邻 近和紧接控制建筑物的范围内应砌护必定长度 ,同时在弯道二侧的凹岸亦应砌护 ,如为坚硬的岩 基则可不考虑。写的部分包含了出口段此外 , 其长度及曲线种类在水工手册有更详尽的说明 . 可参照 .