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淺談?wù)凼胶影兑绾榈赖脑O(shè)計(jì)論文
【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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)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(guān)鍵詞】正槽式；河岸溢洪道；設(shè)計(jì)；問(wèn)題
【Abstract】Positive slot type the spillway leak water slot and embankment up the water current direction consistent, so its water current be going smoothly, super leak ability big, structure simple, circulate safety credibility, be applicable to various water head and discharge, is a kind of adoption most of the river shore spillway form.
【Key words】Positive slot type;River shore spillway;Design;Problem
1. 前言
溢洪道是水庫(kù)樞紐中的主要建筑物之一,它承擔(dān)著宣泄洪水,保護(hù)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(dāng)攔河壩是土石壩時(shí),幾乎都采用河岸溢洪道;在薄拱壩或輕型支墩壩的水庫(kù)樞紐中,當(dāng)水頭高、流量大時(shí), 泄洪亦以河岸溢洪道為主;在重力壩的水庫(kù)樞紐中,當(dāng)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(shí),也要靠河岸溢洪道泄洪。因此,河岸溢洪道的應(yīng)用是很廣的.
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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)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(shè)計(jì)中幾個(gè)值得注意的問(wèn)題提出來(lái)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(kù)的水平順地引至控制堰前,其設(shè)計(jì)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(shí)引水渠兩側(cè)產(chǎn)生不對(duì)稱的回流或立軸旋渦,小轉(zhuǎn)向慣性力引起的堰前橫向坡降,導(dǎo)致過(guò)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?biāo)鞣较蚴湛s,在與控制段連接處應(yīng)與溢流前沿等寬。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外幾個(gè)工程的進(jìn)水渠首、末端斷面底寬之此B0/B為1.5~3.0，如中國(guó)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(duì)工程量和水頭損失有較大影響。規(guī)范對(duì)34個(gè)工程資料統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)計(jì)流速低于3m/s的共9個(gè)，占26.47%;設(shè)計(jì)流速在3m/s~5m/s之間的共18個(gè),占52.94%;設(shè)計(jì)流速高于5m/s的共7個(gè),占20.59%。彼此相差也頗大,如西排子河水庫(kù)的流速僅0.73m/s,而碧口的流速在設(shè)計(jì)工況下為5.58m/s,保壩工況下為8.63m/s。一般規(guī)定進(jìn)水渠設(shè)計(jì)流速不大于4.0m/s,以控制在1~2m/s為宜。對(duì)于地勢(shì)較高,山坡較陡,開挖方量很大的河岸溢洪道,進(jìn)小渠設(shè)計(jì)流速可以適當(dāng)提高,但應(yīng)盡量縮短進(jìn)水渠的長(zhǎng)度,減少進(jìn)水渠的水頭損失。進(jìn)水渠進(jìn)口的流速應(yīng)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
控制段控制水庫(kù)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(shí)用堰。 寬頂堰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)用堰長(zhǎng),土石挖方較大。
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(kù)中。實(shí)用堰由于流量系數(shù)大，當(dāng)岸坡較陡時(shí)，采用實(shí)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(shí)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(gè)半徑不同的圓孤組成，施工簡(jiǎn)單，地基應(yīng)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(xué)者對(duì)機(jī)翼形堰進(jìn)行了水工物理模型和數(shù)學(xué)模型的綜合研究，結(jié)果表明機(jī)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(fù)壓絕對(duì)值作全面比較，機(jī)翼形堰還稍勝WES堰一籌。并且具有堰型參數(shù)少，便于設(shè)計(jì)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(diǎn)。筆者認(rèn)為機(jī)翼堰也是一種值得推廣應(yīng)用的堰型。
4. 堰頂水頭H和堰面定型設(shè)計(jì)水頭Hd
堰頂水頭應(yīng)以控制堰上游（4~6）H處的水位作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)溢流堰面臨水庫(kù)而無(wú)引水渠時(shí)，可用水庫(kù)水位計(jì)算堰頂水頭；當(dāng)引水渠較長(zhǎng)時(shí)，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(guò)去有些工程在設(shè)計(jì)堰頂水頭H時(shí)對(duì)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(dá)不到設(shè)計(jì)值的情況必須引起重視。 選擇適宜的堰面定型設(shè)計(jì)水頭Hd，對(duì)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(duì)較大，選用較小的定型設(shè)計(jì)水頭，高水位時(shí)一般不會(huì)發(fā)生過(guò)大的負(fù)壓，有利于渲泄較大的洪水。部分研究認(rèn)為當(dāng)堰頂水頭H＝1.4Hd時(shí),堰面負(fù)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(shè)計(jì)水頭Hd一般取為堰頂最大水頭的65%~85%。
5. 低實(shí)用堰的堰高和下游堰面坡度
由于溢洪道的控制段多數(shù)采用低實(shí)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(yàn)表明，低堰的流量系數(shù)m值將隨相對(duì)堰高P1/Hd（P1為上游堰高）的減小而減小，當(dāng)P1 / Hd<0.5時(shí)，流量系數(shù)減少更為明顯。這是因?yàn)檠吒哌^(guò)低，水流縱向收縮不夠完善，致使堰面壓力增加，動(dòng)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(shè)計(jì)水頭 Hd，而為使流量系數(shù)不致太小，又不致過(guò)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(dāng)下游堰高P2過(guò)小時(shí),水流過(guò)堰后將由于堰面曲線過(guò)短而不能逐漸轉(zhuǎn)向，致使反弧段動(dòng)水壓力較高，影響低堰下游面的正常壓力分布，因而會(huì)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(zhǎng)度。規(guī)范規(guī)定下游堰高P2不小于0.6倍的堰面定型設(shè)計(jì)水頭Hd。 同時(shí)為了保證堰面能有足夠的長(zhǎng)度，下游堰面也必須保持一定的坡度，有資料認(rèn)為若其坡度緩于1:1.4,即表示堰面長(zhǎng)度不足,而且下游堰面坡度對(duì)泄流能力有一定的影響。關(guān)于下游堰面坡度對(duì)泄流能力影響的試驗(yàn)研究成果指出，對(duì)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(jié)語(yǔ)
以上提出來(lái)的幾個(gè)問(wèn)題只是筆者在正槽式河岸溢洪道設(shè)計(jì)工作中總結(jié)出來(lái)的一部分,希望能給相關(guān)的工程技術(shù)人員一些啟迪和幫助,共同搞好正槽式河岸溢洪道的設(shè)計(jì),保證工程的安全,為祖國(guó)的水利科技事業(yè)作出貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
［1］王世夏編著.《水工設(shè)計(jì)的理論和方法》.北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.
�。�2］齊金苑，于文成. 《水利工程建設(shè)百科全書》(勘測(cè)設(shè)計(jì).施工技術(shù).質(zhì)量管理卷).北京：當(dāng)代中國(guó)音像出版社，2003.
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