側槽溢洪道及非常泄洪設施技術

蔣春霞，王春燕

(黑龍江省八五六農場水務局，黑龍江虎林158418)

1 側槽溢洪道

1.1 側槽溢洪道的布置

當壩址兩岸山勢陡峻，采用正槽溢洪道將導致開挖量巨大，甚至很難布置時，宜采用側槽溢洪道。側槽溢洪道是溢流堰曲線大壩順著河岸等高線布置，水流過堰后即進入一條與堰軸線平行的側槽內，然后再通過槽末所接的泄水道泄往下游。其泄水道可以是開敞明渠(圖1)，也可以是泄水遂洞。

側槽溢洪道由溢流堰、側槽、泄水槽、消能段和尾水渠等5部分組成。當無閘門控制時，提高了興利庫容的最高蓄水位，這對于處在高山峽谷地區(qū)的中小型水庫很有價值。

圖1 隧洞泄水的側槽溢洪道

1.2 側槽設計

側槽內的水流特點，見圖2。泄洪時沿溢流堰全長同時進水，過壩水流須轉90°彎流向下游，因兩股水流摻混，槽內水流互相撞擊、紊動劇烈;側槽不同部位的橫斷面所通過的流量不同，從上游端起向下游不斷加大，直至末端流量達到最大，此后該流量不再變化而沿泄水道下泄，這個流量亦即溢流堰全長范圍內的總溢流量。因此，側槽范圍內的水流是沿程變化的非均勻流。

試驗觀測表明，水流自側堰跌入側槽之后，水股沖向對面槽壁，并向上翻騰，然后在重力作用下轉向下游。這樣在槽中就形成一個橫軸螺旋流，如圖2中(a)、(c)所示。螺旋流軸線平行于槽身斷面幾何軸，且較穩(wěn)定，但在橫斷面上水面不是水平的，堰對岸的水面要高些。總之，側槽為側向進水，縱向泄流，流量遞增，水流紊亂。正是由于側槽內水流的紊亂、側槽溢洪道才應修建在完整堅實的巖基上，如在士基上興建，必須要求泄流量小。

側槽斷面型式有兩種:即橫斷面沿程不變的棱柱體側槽和橫斷面沿程擴大的非棱柱體側槽:棱柱體側槽的上游端常有一段停滯區(qū)，并間隙地出現(xiàn)旋渦;而非棱柱體側槽可做到不出現(xiàn)停滯區(qū)，槽中水流較穩(wěn)定，故工程實踐中常用。側槽泄水能力除決定于橫斷面尺寸及其沿程變化規(guī)律外，還與槽底縱坡有很大關系。如槽底縱坡較平坦，則槽中水面線坡降將較陡，而槽末為控制斷面，其水深對一定流量為一定值，于是側槽前段水面必然壅得較高，將影響過堰流量。而且水面坡降過陡時還會使槽內流速變化趨于劇烈，增加流態(tài)復雜性。但如使槽底縱坡過陡，又會增加槽后段的深挖方。事實上是可以選到—個適當?shù)牟鄣卓v坡，使水面線近于與槽底平行，這樣將能充分利用開挖斷面，可省工料，而且槽內流速變化也不劇烈。

圖2 側槽內流態(tài)示意圖

1.3 側槽橫斷面

1.3.1 形狀

側槽橫斷面的形狀宜做成窄深式，這樣，槽中有較大的水深，可以使側向流進的水流充分摻混，轉向后形成較平穩(wěn)的流態(tài);窄深斷面比寬淺斷面開控方量少。

1.3.2 邊坡

側槽橫斷面的側向邊坡越陡越節(jié)省開挖量，故在滿足水流和邊坡穩(wěn)定的條件下，宜采用較陡邊坡。根據(jù)模型試驗，在溢流堰一側的邊坡可采用1∶05～1∶0.9;另一側則可根據(jù)巖石的穩(wěn)定邊坡選定，一般取1∶03～1∶0.5。

1.3.3 斷面尺寸

側槽橫斷面的大小應根據(jù)流量經計算確定。由于側槽內的流量是沿流向不斷增加的，所以側槽底寬亦應沿水流方向逐漸加大。

1.4 側措的縱剖面

1.4.1 槽底縱坡

配合窄深的梯形斷面，側槽應有適它的槽底縱坡以滿足泄水能力的要求。由于水流經過溢流堰泄入側槽時，水股沖向對面槽壁，水流能量大部分消耗于水體間的摻混撞擊，對沿側槽方向的流動并無幫助，完全依靠重力作用向下游流動，所以槽底必須合—定的坡度。為使槽內水流平穩(wěn)均勻，槽中水流應為緩流狀態(tài)，槽底縱坡應取統(tǒng)一坡度。應使槽底近似平行于水面線，初步擬定時，可采用底坡為0.01～0.05。

1.4.2 槽底高程

確定槽底高程的原則應該是在不影響溢流堰過水能力的條件下，盡量采用較高的槽底以減少開挖方量。試驗研究表明，若槽內水面線在側槽始端最高點超出溢流堰頂?shù)母叨萮s(圖3)不超過堰頂水頭H的0.5倍時，可認為對整個溢流堰來說是非淹沒的。為減少挖方量，常以hs=0.5 h來確定側槽始端水位，該水位減去水深，可得槽首底部高程。槽內各斷面的水深則根據(jù)側槽末端水深hL向上游逐段推算而得。規(guī)范建議采用hL(1.20～1.35)hk(hk為泄槽首端斷面的臨界水深)。當bL/b0=1時，可取hL=(1.20～1.30)hk;當bL/b0=2時，可取hL=(1.25～1.35)hk;當bL/b0=1～2時，可按比例選用。

圖3 側槽與泄水槽的連接型式圖

為了控制側槽末端的水深確為hL以及使水流能平順地進入泄水槽，常在側槽與泄水陡槽之間設水平調整段。調整段末端的水深為臨界水深，為已知值，故稱該斷面為控制斷面。調整段長度L0可采用(2～3)hk，底坡宜水平，見圖3(a)。控制斷面可用縮窄槽寬或用堰坎來控制側槽末端的水深 hL，見圖 3(b)。

2 非常泄洪設施

溢洪道是水庫安全的保證，但它只在遇洪水時才啟用。一般常遇洪水只需啟用部分溢洪道，只在遭遇較大或特大洪水時，才需啟用全部泄洪設施。為了保證安全，又考慮減少投資，根據(jù)不同洪水幾率來安排具有不同建筑標準的泄洪設施。例如正規(guī)的永久性溢洪道，只考慮泄放設計洪水，對于洪水出現(xiàn)幾率較低的超標準洪水，則可考慮由簡易的、臨時性的泄洪設施解決，這種臨時設施稱為非常泄洪設施或非常泄洪道。

2.1 漫頂自潰式非常溢洪道

漫頂自潰式非常溢洪道由自潰式土石壩、溢流堰和泄槽組成。自潰壩平時可以攔蓄洪水，當水位超過一定高程時，水流漫頂自動沖開土石壩泄洪。在土壩沖開泄洪時。下游流量有突增現(xiàn)象，給下游防護造成一定困難，所以壩的高度應有一定的限制、國內外己建成的漫頂自饋壩壩高一般為6 m以下。為了減小潰決后的驟然下泄量，在溢流前緣較長時，可將漫壩自潰壩按不同高程分隔為數(shù)段，中間以隔墩分開。這種型式的優(yōu)點是結構簡單、造價經濟、施工方便，但需要有合適的地形地質條件;缺點是運行的靈活性較差，潰壩泄洪后，調蓄內容減小，可能影響來年的綜合效益。

2.2 自潰式非常溫洪道

引沖自潰式非常隘洪道是在白潰壩頂部設置低于壩頂?shù)囊龥_槽，當水位上升時，水流經過引沖槽沖開缺口，而后向兩側擴展，使土石壩在較短的時間內自行潰決。這種自潰壩潰決過程中泄量逐漸增加.對下游防護較有利，故自潰壩的高度范圍較大，在工程上應用較為廣泛。

2.3 爆破引潰式非常溢洪道

當水庫有天然馬鞍形山口做副壩時，可以采取在特大洪水時挖開或炸開副壩來泄洪的非常措施。在需要泄洪時可通過預先設置的廊道裝入炸藥，然后破捻過洪。

以上非常泄洪設施，其設計和運用存在不少問題，如能按時把壩沖開或炸開，一旦過水則無法控制流量，在庫水放至堰頂高程前，難以重新斷流;啟用時間不易確定，若使用不當，將造成人為洪峰，反而加重下游災情。

由于非常泄洪設施運用幾率較少，經過實際運用和洪水考驗的較少，設計理論不完善，又缺乏實踐經驗，采用時要具體研究、慎重對待，以使其既經濟合理，又確保安全可靠。

［1］張作云，張利國.水庫消險工程側槽溢洪道控制水深計算方法示例［J］.黑龍江水利科技，2009，37(3):27－28.

［2］舒以安王仕筠.側槽水力設計方法［J］.水利科技，1981(10).

［3］吳時強，姜樹海.非常泄洪設施對大壩防洪安全影響的研究［J］. 中國工程科學，2000(12).

［4］李德瑞.對兩種非常泄洪設施的評述［J］.水利學報，1985(08).