第五章 溢洪道

高速水流—水流脱壁，形成低压，带走气核 —在高压区破灭。 空蚀：是空穴破灭,对固体表面的破坏作用。 必须指出：有空穴不一定有空蚀，只有空穴发 展到一定程度,并由于边界长时期的作用，使 固体表面失去其应有的强度而遭破坏。 试验表明：标准大气压下，V＞15m/s就可能 发生空蚀，空蚀强度与水流流速的5 -7次方成 正比，不平整度愈大，引起初生空穴的流速愈 小，这说明流速愈高，对不平整度的要求愈严 格。
图7-1 正槽溢洪道布置图
一、引水渠
作用：使水流平顺地由水库进入控制段。当 控制段的位置紧靠水库时，进水段只 是一个喇叭口；当控制段的位置不能 紧靠水库时，则需要在控制段前开挖 引水渠。 对引水渠的要求：水流平顺,水头损失小,增 加泄水能力,减少工程量。
• 图7-2 溢洪道的整体布置 单位：m
二.控制段（溢流堰段）
作用：控制溢洪道的过水能力。
（一）溢流堰的形式
• 按其断面形式与尺寸分：宽顶堰、实用堰、 坚壁堰 • 按其在平面布置形状分:直线、折线、曲线、
环形
• 按堰轴线与来水方向相对关系分：正交堰、
斜堰、侧堰
体形设计要求：尽量增 大流量系数，径流时 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 （1）宽顶堰 优点:结构简单，施 工方便，堰矮、自重 小、对承载力较差的 土基适应力强。
（一）、泄槽的平面布置及纵、横剖面
1. 平面布置
1）为了使水流平顺，减少冲击波的发生，沿水
流平面宜尽量采用直线、等宽、对称布置。
2）泄槽长度大，受地质、地形条件限制，不能
完全做成直线，需要转弯，转弯半径大于等于 10b （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。
二、河岸溢洪道的型式及其位置的选择
（一）型式
（1）正槽式 （2）侧槽式 （3）竖井式 （4）虹吸式
（二）位置的选择
应全面考虑地形、地质、枢纽布置、施工、 运行条件，通过几个方案的技术经济比较来 确定。 1、地形：利用枢纽附近合适的马鞍形垭口， 如无垭口可利用中缓的岸坡；在坡 陡情况下，选用侧槽式。
在布置和设计中应注意的几个问题：
1、引水渠在平面布置上尽量是直线(水流平 顺，可防止旋涡和横向水流）如受地形、 地质等条件限制，引水渠必须较弯，其转 弯半径不得小于4—6倍渠底宽，并力求在 控制段前有一直线段。 2、引水渠的过水断面一定要大于控制段的过 水断面。 3、引水渠断面常采用梯形断面，边坡视土壤 和岩石的性质而定（岩基接近矩形）。
用，下列经验仅供参考。
1 tan KFr 式中：Fr－扩散段起止断面的平均弗氏数 K－经验系数，一般取3.0 V 扩散段起止断面的平均流速 h－扩散段起止断面的平均水深 直线扩散的扩散角，一般不宜超过6 ~ 8
Fr是沿程变化的，但实际设计时采用用单一的扩散角
3．弯曲段 通常采用圆弧曲线,弯曲半径应 大于10倍槽宽弯曲区。同时集中的 急流受到边墙转折的限制，形成冲 击波。因此，弯曲区设计的主要。 问题在于： ①使断面内流量分布均匀； ②消除或抑制这种冲击波。 在CBD以下，不断发生波的反向、 干涉与传播 AC ' b AC θ角的确定： tan
当σ降到某一数值时开始发生空化， 这个空化数叫做初生空化数或叫做临 界空化数用σi表。 初生空化数的大小随边界条件面异， 对于某种边界轮廓，其初生空化数是 一个固定值，通常或用减压模型试验 来确定。初生空化数σi越大（形状不 好，对水流条件而言），越易发生空 化。σi越小（体型好）越难发生。 说明：初生空化数越低越好，这 样实际水流的空化数越低（即流速越 高，局部压力越低),只有低于σi才会 发生空化。
防止空蚀对平整度的要求：
施工方面：①控制施工质量 ②对表面不平整进行磨削处理 设计方面：我国《溢洪道设计规范》规定： 不平整允许高度△，按流速来定： 如：V＝20-30m/s —— △max=10mm 这个允许高度不能是高差突变，而是高低点之间 磨削减 一定的坡度，这个坡度按水流空化数 σ来进行磨削，其要求见有关表。
（五）泄槽的衬砌
泄槽的构造特点主要取决于地基性质和水流 条件。
1、目的：为了保护地基不受冲刷、岩石不受风
化以及防止高速水流钻入岩石缝隙掀
起，泄槽通常均做衬砌。
2、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定，平时溢洪道不过 水，故衬砌还要承受温度变化和风化剥蚀的作 用； 6）寒冷地区,衬砌材料要有一定的抗冻要求。
下游出口，应与土石坝的坝脚及其它建筑物 保持一定的距离，太近则须增设合适的防护建筑物。
4、施工条件：开挖方量是较大的，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。
第二节
正槽溢洪道
正槽式溢洪道通常以下五部分组成，即进水 段、控制段、泄槽、消能段和尾水渠。 溢流堰轴线和泄槽轴线正交。 优点：正向进水，结构简单，水流条件较好 ，泄洪能力大，工作安全可靠，施工管理维修 方便，因而得到广泛采用。 缺点：当两岸地势高，且岸坡较陡时，开挖 方量往往很大
2 2
又： sin
Z b Z
2 2

Z b 1 tan
2

• 弯道上的泄槽
（三）掺气减蚀 空蚀破坏是泥沙建筑物设计中一个重要问题 1、表面不平整度 表面不平整度是引起空蚀的基本原因，另 一原因是高速水流在不平整区脱壁形成低压区 表面不平整度产生原因：施工放样不准，混凝 土浇筑放样不准，混凝土浇筑问题，泥沙对表 面磨损，应更深入研究空蚀问题。 空化：产生空穴的现在叫空化。 产生空化的原因： ①水流内部含有许许多多的尚未的微小气 泡-气核（内因） ②负压存在（低于大气压）（外因）
外侧水深θ取正值，内侧水深θ取负值。
弯曲区的水力设计方法 第一类：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。 第二类：干扰处理法：弯曲线区法 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。
• 3、横剖面 • 泄槽的横剖面形状与地质条件紧密相 关岩基上多做成矩形或接近矩形的断面， 但在节理发育和破碎带的岩基或土基上， 有时也作成梯形。
（二）收缩段、扩散段和弯曲段设计
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。
2．掺气减蚀 掺气装置，主要包括两部分： ①借助于低挑坎，跌坎或掺气槽， 在射流下难形成一个掺气空间。 ②通气系统：为掺气空间补气。
与泄流表面的不平整度本质不同： 不平整是局部的，不 掺气槽是人为的，形 规则的 状规则 无法补气 能很好地补气
掺气减蚀的机制： ①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。 ②若空穴中含有一定数量的空气， 破灭时破坏力减弱。 ③空气泡的存在，对空穴溃灭时的 破坏力有缓冲气垫作用。 效果： 试验表明： 好处：既不必作不平整度处理，也 不需采用抗空蚀护面，大大减少投 资。
1、收缩段设计 合理的收缩段应当 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。 收缩区的设计主要是确 定： （1）收缩区的长度 （2b1 b3 L 2 tan
h2 tan 1 h tan( 1 )
• 图7-6 泄槽的平面布置
2、 纵断面 1）泄槽水流流速高，一般设在挖方上 2）最好使用单一的陡坡（大于临界坡） 为适应地形、地质条件，减少开挖量， 可以采用变坡，使坡度变化不宜太多，实践 表明：在变坡处（特别是由陡变缓处）容易 遭到动水压力的破坏，变坡处应做水流衔接 设计。
• 图7-5 泄槽变坡处的竖曲线
在高速水流作用下的过水表面，应 按不平整度精心施工，尤其是易发生 空蚀的变坡处及弧起点、紧邻反弧终 点的下排水平段，发现不平整度不符 合应进行磨削。 仅靠控制不平整度来预防空蚀，在 工程施工中困，表面积大突体多，混 凝土强度高，工作量大，费用昂贵， 而且工艺也存在困难。σ＜0.2时，不 平整度难于达到要求，应考虑其它措 施：如掺气减蚀、抗空蚀护面等。
一般设计急流弯道时要采取消除冲 击波的措施，下面只介绍渠道超高法。 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。
φ φ
c 中 心
Z
mv v mg sin sin rc rc g
第五章 岸边溢洪道
一、溢洪道是水利枢纽中的一项主 要建筑物,它泄洪起着保护大 坝安全的重要作用。
设河岸溢洪道的原因： 1）土坝本身不能泄水 2）河谷狭窄，厂坝争位 3）坝身泄水能力不足,另设泄洪道（如支 墩坝等轻型坝）
溢洪道通常是开敞的，其宣泄能力与堰上水 头的3/2次方成正比，故超泄能力大；其次，闸门 承重水头压力较小，操作方便，工作安全可靠。
2、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。
3、枢纽布置：溢洪道进口应位于水流顺畅处，且 与土石坝应存有相当的距离；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。
AC ' b tan b b rc (rc ) tan 2 2