泄水建筑物溢洪道设计

第六章河岸溢洪道教学要求：了解溢洪道作用和工作特点，掌握溢洪道设计的基本步骤和方法，熟悉溢洪道的细部构造和地基处理方法。

第一节概述在水利枢纽中，必需设置泄水建筑物。

溢洪道是一种最常见的泄水建筑物，用于排泄水库的多余水量、必要时防空水库以及施工期导流，以满足安全和其他要求而修建的建筑物。

溢洪道可以与坝体结合在一起，也可以设在坝体以外。

混凝土坝一般适于经坝体溢洪或泄洪，如各种溢流坝。

此时，坝体既是挡水建筑物又是泄水建筑物，枢纽布置紧凑、管理集中，这种布置一般是经济合理的。

但对于土石坝、堆石坝以及某些轻型坝，一般不容许从坝身溢流或大量泄流；或当河谷狭窄而泄流量大，难于经混凝土坝泄放全部洪水时，需要在坝体以外的岸边或天然垭口处建造溢洪道（通常称河岸溢洪道）或开挖泄水隧洞。

河岸溢洪道和泄水隧洞一起作为坝外泄水建筑物，适用范围很广，除了以上情况外，还有：（1）坝型虽适于布置坝身泄水道，但由于其他条件的影响，仍不得不用坝外泄水建筑物的情况是：①坝轴线长度不足以满足泄洪要求的溢流前缘宽度时；②为布置水电站厂房于坝后，不容许同时布置坝身泄水道时；③水库有排沙要求，而又无法借助于坝身泄水底孔或底孔尚不能胜任时（如三门峡水库，除底孔外，又续建两条净高达13m的大断面泄洪冲沙隧洞）。

（2）虽完全可以布置坝身泄水道，但采用坝外泄水建筑物的技术经济条件更有利时，也会用坝外泄水建筑物。

如：①有适于修建坝外溢洪道的理想地形、地质条件，如刘家峡水利枢纽高148m的混凝土重力坝除坝身有一道泄水孔外，还在坝外建有高水头、大流量的溢洪道和溢洪隧洞；②施工期已有导流隧洞，结合作为运用期泄水道并无困难时。

岸边溢洪道按泄洪标准和运用情况，可分为正常溢洪道（包括主、副溢洪道）和非常溢洪道。

正常溢洪道的泄流能力应满足宣泄设计洪水的要求。

超过此标准的洪水由正常溢洪道和非常溢洪道共同承担。

正常溢洪道在布置和运用上有时也可分为主溢洪道和副溢洪道，但采用这种布置是有条件的，应根据地形、地质条件、枢纽布置、坝型、洪水特征及其对下游的影响等因素研究确定，主溢洪道宣泄常遇洪水，常遇洪水标准可在20年一遇至设计洪水之间选择。

非常溢洪道在稀遇洪水时才启用，因此运行机会少，可采用较简易的结构，以获得全面、综合的经济效益。

岸边溢洪道按其结构型式可分为正槽溢洪道、侧槽溢洪道、井式溢洪道和虹吸式溢洪道等。

在实际工程中，正槽溢洪道被广泛应用，也较典型，为本章的重点，其他型式的溢洪道仅作简要介绍。

第二节正槽溢洪道一、正槽式溢洪道的位置选择溢洪道的布置和型式应根据水库水文、坝址地形、地质、水流条件、枢纽布置、施工、运用管理以及造价等因素，通过技术经济比较后确定。

下面介绍地形条件、地质条件、泄流时的水流条件、施工条件对正槽溢洪道位置选择的影响。

地形条件。

溢洪道应位于路线短和土石方开挖量少的地方。

比如坝址附近有高程合适的马鞍形垭口，则往往是布置溢洪道较理想之处。

拦河坝两岸顺河谷方向的缓坡台地上也适于布置溢洪道。

地质条件。

溢洪道应尽量位于较坚硬的岩基上。

当然土基上也能建造溢洪道，但要注意，位于好岩基上的溢洪道可以减轻工程量，甚至不衬砌；而土基上的溢洪道，尽管开挖较岩基为易，而衬砌及消能防冲工程量可能大得多。

此外，无论如何应避免在可能坍滑的地带修建溢洪道。

泄洪时的水流条件。

溢洪道应位于水流顺畅且对枢纽其他建筑物无不利影响之处，通常应注意以下几个方面：①控制堰上游应开阔，使堰前水头损失小；②控制堰如靠近土石坝，其进水方向应不致冲刷坝的上游坡；③泄水陡槽在平面上最好不设弯段；④泄槽末端的消能段应远离坝脚，以免造成坝身的冲刷；⑤水利枢纽中如尚有水力发电、航运等建筑物时，应尽量使溢洪道泄水时不造成电站水头的波动，不影响过船筏的安全。

施工条件。

使溢洪道的开挖土、石方量具有好的经济效益，如将其用于填筑土石坝的坝体；在施工布置时，应仔细考虑出渣路线及弃渣场的合理安排，此外，还要解决与相邻建筑物的施工干扰问题。

二、正槽式溢洪道的组成及各部分设计正槽溢洪道通常由引水渠、控制段、泄槽、出口消能段及尾水渠等部分组成，溢流堰轴线与泄槽轴线接近正交，过堰水流流向与泄槽轴线方向一致，见图6-1。

其中，控制段、泄槽及出口消能段是溢洪道的主体。

图6-1 正槽溢洪道平面布置图1-引水渠；2-溢流堰；3-泄槽；4-出口消能段；5-尾水渠；6-非常溢洪道；7-土石坝（一）引水渠由于地形、地质条件限制，溢流堰往往不能紧靠库岸，需在溢流堰前开挖引水渠，将库水平顺的引向溢流堰，当溢流堰紧靠库岸或坝肩时，此段只是一个喇叭口，如图6-2所示。

图6-2 溢洪道引水渠的型式1-喇叭口；2-土石坝；3-引水渠为了提高溢洪道的泄流能力，引水渠中的水流应平顺、均匀，并在合理开挖的前提下减小渠中水流流速，以减少水头损失。

流速应大于悬移质不淤流速，小于渠道中不冲流速，设计流速宜采用3~5m/s。

引水渠越长，流速越大，水头损失就越大。

在山高坡抖的岩体中开挖溢洪道，为了减少土石方开挖，也可采用较大的流速。

例如，碧口水电站的岸边溢洪道，经技术经济比较，其引水渠的水流流速，在设计情况下选用了5.8 m/s。

引水渠的渠底视地形条件可做成平底或具有不大的逆坡。

渠底高程要比堰顶高程低些，因为在一定的堰顶水头下，行近水深大，流量系数也较大，泄放相同流量所需的堰顶长度要短。

因此，在满足水流条件和渠底容许流速的限度内，如何确定引水渠的水深和宽度，需要经过方案比较后确定。

引水渠在平面布置上应力求平顺，避免断面突然变化和水流流向的急剧转变。

通常把溢流堰两侧的边墩向上游延伸构成导水墙或渐变段，其高度应高于最高水位，这样水流能平稳、均匀地流向溢流堰，防止在引水渠中因发生漩涡或横向水流而影响泄流能力。

此外，导水墙也起保护岸坡或上游邻近坝坡的作用。

引水渠在平面上如需转弯时，其轴线的转弯半径一般约为4~6倍渠底宽度，弯道至溢洪道一般应有2~3倍堰上水头的直线长度，以便调整水流，使之均匀平顺入堰。

当堰紧靠库岸时，导水墙在平面上呈喇叭口状。

引水渠前沿库面要求水域开阔，不得有山头或其他建筑物阻挡。

引水渠的横断面，在岩基上接近矩形，边坡根据岩层条件确定，新鲜岩石一般为1：0.1~1：0.3，风化岩石为1：0.5~1：1.0；在土基上采用梯形，边坡根据土坡稳定要求确定，一般选用1：1.5~1：2.5。

引水渠应根据地质情况、渠线长短、流速大小等条件确定是否需要砌护。

岩基上的引水渠可以不砌护，但应开挖整齐。

对长的引水渠，则要考虑糙率的影响，以免过多的降低泄流能力。

在较差的岩基或土基上，应进行砌护，尤其在靠近堰前的区段，由于流速较大，为了防止冲刷和减少水头损失，可采用混凝土板或浆砌石护面。

保护段长度，视流速大小而定，一般与导水墙长度相近。

砌护厚度一般为0.3m。

当有防渗要求时，混凝土砌护还可兼作防渗铺盖。

（二）控制段溢洪道的控制段包括溢流堰及其两侧的连接建筑。

溢流堰是水库下泄洪水的口门，是控制溢洪道泄流能力的关键部位，因此必须合理选择溢流堰段的型式和尺寸。

1.溢流堰的形式溢流堰按其横断面形状与尺寸可分为：薄壁堰、宽顶堰、实用堰（堰断面形状可为矩形、梯形或曲线形）；按其在平面布置上的轮廓形状可分为：直线型堰、折线型堰、曲线形堰和环形堰；按堰轴线和上游来水方向的相对关系可分为：正交堰、斜堰和侧堰等。

溢流堰通常选用宽顶堰、实用堰，有时也用驼峰堰。

溢流堰体型设计的要求是：尽量增大流量系数，在泄流时不产生空穴水流或诱发危险振动的负压等。

1）宽顶堰宽顶堰的特点是结构简单、施工方便，但流量系数较低（约为0.32~0.385）。

由于宽顶堰堰矮，荷载小，对承载力较差的土基适应能力强，因此，在泄流不大或附近地形较平缓的中、小型工程中，应用广泛，如图6-3所示。

宽顶堰的堰顶通常需进行砌护。

对于中、小型工程，尤其是小型工程，若岩基有足够的抗冲刷能力，也可以不加砌护，但应考虑开挖后岩石表面不平整对流量系数的影响。

2）实用堰实用堰的优点是流量系数比宽顶堰大，在相同泄流量条件下，需要的溢流前缘较短，工程量相对较小，但施工较复杂。

大、中型水库，特别是岸坡较抖时，多采用此种型式，如图6-4所示。

实用堰的断面型式很多，我国最常用的是WES型、克-奥型和冥次曲线型。

在溢洪道设计规范中建议优先选择WES型堰。

为了使溢流堰具有较大的流量系数，在设计和施工中，堰高、堰面坐标、堰面曲线长度和下游堰坡均需满足规定要求，否则，将影响流量系数或使堰面压强降低，有产生空蚀的危险。

当上游堰高P1和堰面曲线定型水头H d的比值P1/H d>1.33时，流量系数接近一个常数，不受堰高的影响，为高堰。

对于低堰的标准，一般认为0.3< P1/H d<1.33，流量系数将随P1/H d的减小而降低，因此堰高P1不能过低，建议P1以不低于0.3H d为宜。

低堰的流量系数还受下游堰高P2的影响，随P2减小过堰水流受顶托甚至淹没，为保证堰的自由泄流状态，下游堰高P2建议不大于0.6H d。

对于低堰，因下游堰面水深较大，堰面一般不会出现过大的负压，不致发生破坏性空蚀和振动。

因此，在设计低堰时，可选择较小的定型设计水头H d，使高水位时的流量系数加大，建议采用（0.6~0.75）倍的堰顶最大水头。

表6-1给出了克-奥Ⅰ型剖面堰和WES型剖面堰流量系数随相对堰高P1/H d的变化值，可供设计时参考选用。

表6-1 随相对堰高变化的流量系数m值P1/H d0.2 0.3 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.33 堰面型式克-奥Ⅰ型0.446 0.460 0.469 0.480 0.485 0.485 0.485 0.485 WES型0.480 0.485 0.488 0.492 0.496 0.499 0.501 0.5023）驼峰堰驼峰堰是一种复合圆弧的低堰，堰体低，是我国从工程实践中总结出来的一种新堰型，如图6-5所示，驼峰堰的流量系数较大，其流量系数一般为0.40~0.46，但流量系数随堰上水头增加而有所减小。

设计与施工简便，对地基要求低，适用于软弱地基。

图6-3 宽顶堰图6-4 实用堰图6-5 驼峰堰2.闸门的布置与选型溢流堰顶可设置闸门，也可不设置闸门。

不设闸门时，堰顶高程就是水库的正常蓄水位；设闸门时，堰顶高程低于水库的正常蓄水位。

一般情况下，对于大、中型水库的溢洪道，一般都设置闸门，小型水库对上游水位稍有增高所加大的淹没损失和加高坝身及其他建筑物的工程费用都不是很大，从施工简单、管理方便以及节省工程费用等各方面考虑，一般都不设置闸门。

关于溢流堰设计的一些主要问题，如闸墩、边墩、防渗、排水、工作桥、交通桥等的设计，与溢流堰或水闸相类似。

3.堰顶高程和孔口尺寸的确定确定了溢洪道位置、堰型并确定是否设置闸门之后，即可进一步确定堰顶高程、孔口尺寸（或前缘长度）。