侧槽溢洪道及非常泄洪设施技术

2011-08-13蒋春霞王春燕

黑龙江水利科技 2011年4期

蒋春霞，王春燕

(黑龙江省八五六农场水务局，黑龙江虎林158418)

1 侧槽溢洪道

1.1 侧槽溢洪道的布置

当坝址两岸山势陡峻，采用正槽溢洪道将导致开挖量巨大，甚至很难布置时，宜采用侧槽溢洪道。侧槽溢洪道是溢流堰曲线大坝顺着河岸等高线布置，水流过堰后即进入一条与堰轴线平行的侧槽内，然后再通过槽末所接的泄水道泄往下游。其泄水道可以是开敞明渠(图1)，也可以是泄水遂洞。

侧槽溢洪道由溢流堰、侧槽、泄水槽、消能段和尾水渠等5部分组成。当无闸门控制时，提高了兴利库容的最高蓄水位，这对于处在高山峡谷地区的中小型水库很有价值。

图1 隧洞泄水的侧槽溢洪道

1.2 侧槽设计

侧槽内的水流特点，见图2。泄洪时沿溢流堰全长同时进水，过坝水流须转90°弯流向下游，因两股水流掺混，槽内水流互相撞击、紊动剧烈;侧槽不同部位的横断面所通过的流量不同，从上游端起向下游不断加大，直至末端流量达到最大，此后该流量不再变化而沿泄水道下泄，这个流量亦即溢流堰全长范围内的总溢流量。因此，侧槽范围内的水流是沿程变化的非均匀流。

试验观测表明，水流自侧堰跌入侧槽之后，水股冲向对面槽壁，并向上翻腾，然后在重力作用下转向下游。这样在槽中就形成一个横轴螺旋流，如图2中(a)、(c)所示。螺旋流轴线平行于槽身断面几何轴，且较稳定，但在横断面上水面不是水平的，堰对岸的水面要高些。总之，侧槽为侧向进水，纵向泄流，流量递增，水流紊乱。正是由于侧槽内水流的紊乱、侧槽溢洪道才应修建在完整坚实的岩基上，如在士基上兴建，必须要求泄流量小。

侧槽断面型式有两种:即横断面沿程不变的棱柱体侧槽和横断面沿程扩大的非棱柱体侧槽:棱柱体侧槽的上游端常有一段停滞区，并间隙地出现旋涡;而非棱柱体侧槽可做到不出现停滞区，槽中水流较稳定，故工程实践中常用。侧槽泄水能力除决定于横断面尺寸及其沿程变化规律外，还与槽底纵坡有很大关系。如槽底纵坡较平坦，则槽中水面线坡降将较陡，而槽末为控制断面，其水深对一定流量为一定值，于是侧槽前段水面必然壅得较高，将影响过堰流量。而且水面坡降过陡时还会使槽内流速变化趋于剧烈，增加流态复杂性。但如使槽底纵坡过陡，又会增加槽后段的深挖方。事实上是可以选到—个适当的槽底纵坡，使水面线近于与槽底平行，这样将能充分利用开挖断面，可省工料，而且槽内流速变化也不剧烈。

图2 侧槽内流态示意图

1.3 侧槽横断面

1.3.1 形状

侧槽横断面的形状宜做成窄深式，这样，槽中有较大的水深，可以使侧向流进的水流充分掺混，转向后形成较平稳的流态;窄深断面比宽浅断面开控方量少。

1.3.2 边坡

侧槽横断面的侧向边坡越陡越节省开挖量，故在满足水流和边坡稳定的条件下，宜采用较陡边坡。根据模型试验，在溢流堰一侧的边坡可采用1∶05～1∶0.9;另一侧则可根据岩石的稳定边坡选定，一般取1∶03～1∶0.5。

1.3.3 断面尺寸

侧槽横断面的大小应根据流量经计算确定。由于侧槽内的流量是沿流向不断增加的，所以侧槽底宽亦应沿水流方向逐渐加大。

1.4 侧措的纵剖面

1.4.1 槽底纵坡

配合窄深的梯形断面，侧槽应有适它的槽底纵坡以满足泄水能力的要求。由于水流经过溢流堰泄入侧槽时，水股冲向对面槽壁，水流能量大部分消耗于水体间的掺混撞击，对沿侧槽方向的流动并无帮助，完全依靠重力作用向下游流动，所以槽底必须合—定的坡度。为使槽内水流平稳均匀，槽中水流应为缓流状态，槽底纵坡应取统一坡度。应使槽底近似平行于水面线，初步拟定时，可采用底坡为0.01～0.05。

1.4.2 槽底高程

确定槽底高程的原则应该是在不影响溢流堰过水能力的条件下，尽量采用较高的槽底以减少开挖方量。试验研究表明，若槽内水面线在侧槽始端最高点超出溢流堰顶的高度hs(图3)不超过堰顶水头H的0.5倍时，可认为对整个溢流堰来说是非淹没的。为减少挖方量，常以hs=0.5 h来确定侧槽始端水位，该水位减去水深，可得槽首底部高程。槽内各断面的水深则根据侧槽末端水深hL向上游逐段推算而得。规范建议采用hL(1.20～1.35)hk(hk为泄槽首端断面的临界水深)。当bL/b0=1时，可取hL=(1.20～1.30)hk;当bL/b0=2时，可取hL=(1.25～1.35)hk;当bL/b0=1～2时，可按比例选用。

图3 侧槽与泄水槽的连接型式图

为了控制侧槽末端的水深确为hL以及使水流能平顺地进入泄水槽，常在侧槽与泄水陡槽之间设水平调整段。调整段末端的水深为临界水深，为已知值，故称该断面为控制断面。调整段长度L0可采用(2～3)hk，底坡宜水平，见图3(a)。控制断面可用缩窄槽宽或用堰坎来控制侧槽末端的水深 hL，见图 3(b)。

2 非常泄洪设施

溢洪道是水库安全的保证，但它只在遇洪水时才启用。一般常遇洪水只需启用部分溢洪道，只在遭遇较大或特大洪水时，才需启用全部泄洪设施。为了保证安全，又考虑减少投资，根据不同洪水几率来安排具有不同建筑标准的泄洪设施。例如正规的永久性溢洪道，只考虑泄放设计洪水，对于洪水出现几率较低的超标准洪水，则可考虑由简易的、临时性的泄洪设施解决，这种临时设施称为非常泄洪设施或非常泄洪道。

2.1 漫顶自溃式非常溢洪道

漫顶自溃式非常溢洪道由自溃式土石坝、溢流堰和泄槽组成。自溃坝平时可以拦蓄洪水，当水位超过一定高程时，水流漫顶自动冲开土石坝泄洪。在土坝冲开泄洪时。下游流量有突增现象，给下游防护造成一定困难，所以坝的高度应有一定的限制、国内外己建成的漫顶自馈坝坝高一般为6 m以下。为了减小溃决后的骤然下泄量，在溢流前缘较长时，可将漫坝自溃坝按不同高程分隔为数段，中间以隔墩分开。这种型式的优点是结构简单、造价经济、施工方便，但需要有合适的地形地质条件;缺点是运行的灵活性较差，溃坝泄洪后，调蓄内容减小，可能影响来年的综合效益。