正槽式河岸溢洪道的設計探討

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【摘要】正槽式溢洪道的泄水槽與堰上水流方向一致，所以其水流平順，超泄能力大，結構簡單，運行安全可靠，適用于各種水頭和流量，是一種采用最多的河岸溢洪道形式。

【關鍵詞】正槽式；河岸溢洪道；設計；問題

1. 前言

（1）溢洪道是水庫樞紐中的主要建筑物之一，它承擔著宣泄洪水，保護工程安全的重要作用。溢洪道在壩體以外的河岸上修建稱為河岸溢洪道，當攔河壩是土石壩時，幾乎都采用河岸溢洪道；在薄拱壩或輕型支墩壩的水庫樞紐中，當水頭高、流量大時， 泄洪亦以河岸溢洪道為主；在重力壩的水庫樞紐中，當河谷狹窄，布置河床壩頂溢流與壩后電站有矛盾，而河岸又有適于修建溢洪道的條件時，也要靠河岸溢洪道泄洪。因此，河岸溢洪道的應用是很廣的。

（2）正槽式溢洪道的泄水槽與堰上水流方向一致，所以其水流平順，超泄能力大，結構簡單，運行安全可靠，適用于各種水頭和流量，是一種采用最多的河岸溢洪道形式。下面筆者就正槽式河岸溢洪道設計中幾個值得注意的問題提出來供大家參考。

2. 引水渠的底寬和流速

引水渠的作用是將水庫的水平順地引至控制堰前，其設計原則是在合理的開挖方量下盡量減小水頭損失，以增加溢洪道的泄水能力，而引水渠的底寬和流速是比較重要的控制因素。為防止泄洪時引水渠兩側產(chǎn)生不對稱的回流或立軸旋渦，小轉向慣性力引起的堰前橫向坡降，導致過堰水流不均，減小泄流能力，規(guī)范規(guī)定引渠底寬可為等寬或順水流方向收縮，在與控制段連接處應與溢流前沿等寬。根據(jù)資料統(tǒng)計，國內(nèi)外幾個工程的進水渠首、末端斷面底寬之此B0/B為1.5～3.0，如中國竹園1.5、碧口1.7、南谷河2.0、大伙房2.4、石頭河3.0，日本的巖尾1.9，印度的Bcas2.5等。故B0/B一般限制在1.5～3.0較為有利。引水渠內(nèi)水流流速對工程量和水頭損失有較大影響。規(guī)范對34個工程資料統(tǒng)計分析，設計流速低于3m/s的共9個，占26.47%；設計流速在3m/s～5m/s之間的共18個，占52.94%；設計流速高于5m/s的共7個，占20.59%。彼此相差也頗大，如西排子河水庫的流速僅0.73m/s，而碧口的流速在設計工況下為5.58m/s，保壩工況下為8.63m/s。一般規(guī)定進水渠設計流速不大于4.0m/s，以控制在1～2m/s為宜。對于地勢較高，山坡較陡，開挖方量很大的河岸溢洪道，進小渠設計流速可以適當提高，但應盡量縮短進水渠的長度，減少進水渠的水頭損失。進水渠進口的流速應低于渠內(nèi)流速，一般控制在2.5m/s以下為宜。

3. 控制段的堰型選擇

（1）控制段控制水庫的水位和下泄流量，是溢洪道的咽喉，其常用的堰型有寬頂堰、實用堰。 寬頂堰結構簡單，施工方便。但流量系數(shù)較低，在相同條件下，其所需要的溢流前緣要比實用堰長，土石挖方較大。

（2）一般多用于泄洪量不大或附近地形平緩，高程適宜的中小型水庫中。實用堰由于流量系數(shù)大，當岸坡較陡時，采用實用堰可以減少開挖方量，多用于大中型工程。在溢洪道上經(jīng)常采用的實用堰型有WES型和駝峰堰，WES堰的流量系數(shù)較大，堰型較優(yōu)，推薦優(yōu)先采用。駝峰堰的堰面是由幾個半徑不同的圓孤組成，施工簡單，地基應力分布比較均勻，整體穩(wěn)定性較好，適用于軟弱地基條件，其流量系數(shù)要比寬頂堰大。而值得一提的是，為尋找高水頭溢洪道中低堰用的較理想體形，某些學者對機翼形堰進行了水工物理模型和數(shù)學模型的綜合研究，結果表明機翼形堰是很適用于高水頭溢洪道上以低堰狀態(tài)工作的堰型，而以盡可能大的流量系數(shù)和盡可能小的負壓絕對值作全面比較，機翼形堰還稍勝WES堰一籌。并且具有堰型參數(shù)少，便于設計施工；堰頂部分較平緩，易于布置閘門；下游堰面曲線有漸變的斜率，便于和各種縱坡槽底相切等優(yōu)點。筆者認為機翼堰也是一種值得推廣應用的堰型。

4. 堰頂水頭H和堰面定型設計水頭Hd

（1）堰頂水頭應以控制堰上游（4～6）H處的水位作為計算標準。當溢流堰面臨水庫而無引水渠時，可用水庫水位計算堰頂水頭；當引水渠較長時，則必須考慮到水渠的水頭損失由引渠的水面線確定H值。過去有些工程在設計堰頂水頭H時對引水渠的水頭損失考慮不足甚至完全忽略而造成溢洪道泄量達不到設計值的情況必須引起重視。

（2）選擇適宜的堰面定型設計水頭Hd，對控制堰的泄洪量和工程的安全有著很大的意義。由于溢洪道上的堰多為低堰，下游水深相對較大，選用較小的定型設計水頭，高水位時一般不會發(fā)生過大的負壓，有利于渲泄較大的洪水。部分研究認為當堰頂水頭H=1.4Hd時，堰面負壓不致產(chǎn)生有害的影響，所以Hd一般采用堰頂最大水頭的0.6～0.75倍。規(guī)范規(guī)定低堰的定型設計水頭Hd一般取為堰頂最大水頭的65%～85%。

5. 低實用堰的堰高和下游堰面坡度

（1）由于溢洪道的控制段多數(shù)采用低實用堰，而低堰的流量系數(shù)受堰高的影響較大，為了獲得較大的流量系數(shù)，必須有適宜的堰高。有試驗表明，低堰的流量系數(shù)m值將隨相對堰高P1/Hd（P1為上游堰高）的減小而減小，當P1 / Hd<0.5時，流量系數(shù)減少更為明顯。這是因為堰高過低，水流縱向收縮不夠完善，致使堰面壓力增加，動能減小所致。規(guī)范規(guī)定上游堰高

P1不小于0.3倍的堰面定型設計水頭 Hd，而為使流量系數(shù)不致太小，又不致過多地增加開挖方量和混凝土方量，筆者建議P1值以不低于0.5 Hd為宜。另外當下游堰高P2過小時，水流過堰后將由于堰面曲線過短而不能逐漸轉向，致使反弧段動水壓力較高，影響低堰下游面的正常壓力分布，因而會出現(xiàn)水頭越大流量系數(shù)越低的現(xiàn)象。為了消除這種現(xiàn)象，保證堰的自由泄流狀態(tài)，下游堰高P2必須保持一定高度，以便堰面能有足夠的長度。規(guī)范規(guī)定下游堰高P2不小于0.6倍的堰面定型設計水頭Hd。

（2）同時為了保證堰面能有足夠的長度，下游堰面也必須保持一定的坡度，有資料認為若其坡度緩于1：1.4，即表示堰面長度不足，而且下游堰面坡度對泄流能力有一定的影響。關于下游堰面坡度對泄流能力影響的試驗研究成果指出，對于WES低堰，影響泄流能力的下游堰面坡度為1：1，故規(guī)范規(guī)定下游堰面坡度宜陡于1：1。

6. 結語

以上提出來的幾個問題只是筆者在正槽式河岸溢洪道設計工作中總結出來的一部分，希望能給相關的工程技術人員一些啟迪和幫助，共同搞好正槽式河岸溢洪道的設計，保證工程的安全，為祖國的水利科技事業(yè)作出貢獻。

參考文獻

[1] 王世夏編著.《水工設計的理論和方法》.北京：中國水利水電出版社，2000.

[2] 齊金苑，于文成. 《水利工程建設百科全書》（勘測設計.施工技術.質(zhì)量管理卷）.北京：當代中國音像出版社，2003.