溢洪道

摘要溢洪道,作为水利工程中的一项重要设计,是为了有效管理河流水位,防止洪水对周边地区的影响而建设的一种设施。它通常位于河岸的侧面,具有灵活的水流控制能力,可在洪水期间将多余的水流引导到溢洪道,从而减轻河流的水压,确保沿岸地区的安全。 溢洪道的设计理念旨在最大程度地保护沿岸居民和基础设...

溢洪道

溢洪道,作为水利工程中的一项重要设计,是为了有效管理河流水位,防止洪水对周边地区的影响而建设的一种设施。它通常位于河岸的侧面,具有灵活的水流控制能力,可在洪水期间将多余的水流引导到溢洪道,从而减轻河流的水压,确保沿岸地区的安全。

溢洪道的设计理念旨在最大程度地保护沿岸居民和基础设施免受洪水的侵害。通过在洪水来临时启用溢洪道,工程师们能够控制水位,防止河水泛滥,降低洪灾带来的损失。这在一些多雨或容易发生洪水的地区尤为重要。

溢洪道分类

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)和非常溢洪道两大类,正常溢洪道的泄洪能力应能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,主溢洪道宣泄常遇洪水(20年一遇至设计洪水之间)。非常溢洪道运行机会很少,可采用较简易的结构,以获得全面、综合的经济效益。

溢洪道型式

溢洪道可以分为正常溢洪道和非常溢洪道两大类,正常溢洪道常用的型式主要有正槽式、侧槽式、井式和虹吸式四种。

(1)正槽式溢洪道。这种溢洪道的泄槽轴线与溢流堰轴线正交,过堰水流方向与泄槽轴线方向一致,其水流平顺,超泄能力大,并且结构简单,运用安全可靠,是采用最多的河岸溢洪道型式之一。

(2)侧槽式溢洪道。这种溢洪道的泄槽轴线与溢流堰的轴线接近平行,即水流过堰后,在侧槽内转弯约90°,再经泄水槽泄入下游。侧槽溢洪道多设置于较陡的岸坡上,大体沿等高线设置溢流堰和泄水槽,易于加大堰顶长度,减少溢流水深和单宽流量,不需大量开挖山坡,但侧槽内水流紊乱、撞击很剧烈。因此,对两岸山体的稳定性及地基的要求很高。

(3)井式溢洪道。其组成主要有溢流喇叭口段、渐变段、竖井段、弯道段和水平泄洪洞段。其适用于岸坡陡峭、地质条件良好,又有适宜的地形的情况。可以避免大量的土石方开挖,造价可能较其他溢洪道低,但当水位上升,喇叭口溢流堰顶淹没,堰流转变为孔流,超泄能力较小。当宣泄小流量,井内的水流连续性遭到破坏时,水流不稳定,易产生振动和空蚀。因此,我国目前较少采用。

(4)虹吸式溢洪道。该型式溢洪道通常包括进口(遮檐)、虹吸管、具有自动加速发生虹吸作用和停止虹吸作用的辅助设备、泄槽及下游消能设备。溢流堰顶与正常高水位在同一高程,水库正常高水位以上设通气孔,当水位超过正常高水位时,水流将流过堰顶,虹吸管内的空气逐渐被空气带走达到真空,形成虹吸作用自行泄水。当水库水位下降至通气孔以下时,虹吸作用便自动停止。这种溢洪道可自动泄水和停止泄水,能比较灵敏地自动调节上游水位,在较小的堰顶水头下能得到较大的泄流量,但结构复杂,施工检修不便,进口易堵塞,管内易空蚀,超泄能力小。一般用于水位变化不大和需随时进行调节的中、小型水库,以及发电和灌溉的渠道上。

非常溢洪道

在建筑物运行期间可能出现超过设计标准的洪水,由于这种洪水出现机会极少,泄流时间也不长,所以在枢纽中可以用结构简单的非常溢洪道来宣泄超设计标准洪水。其启用标准应根据工程等级、枢纽布置、坝型、洪水特性及标准、库容特性及对下游的影响等因素确定。

非常溢洪道主要有漫流式、自溃式、爆破引溃式3种。

1.漫流式非常溢洪道

这种溢洪道与正槽溢洪道类似,将堰顶设在准备开始溢流的水位附近,而且任其自由漫流。这种溢洪道的溢流水深一般较小,因而堰顶较长,多设于山体鞍部垭口处,以减少土石方开挖量。如大伙房水库为了宣泄特大超设计标准洪水,1977年增加了一条长达150m的漫流式非常溢洪道。

2.自溃式非常溢洪道

这种形式的溢洪道是在非常溢洪道的底板上加设自溃堤,自溃堤可根据实际情况采用非黏性的砂料、砂砾或碎石填筑,平时可以挡水,当水位达到一定高程时自行溃决,以宣泄特大洪水。按溃决方式可分为溢流自溃和引冲自溃两种形式。

溢流自溃式非常溢洪道构造简单、管理方便,但溢流缺口的位置、规模和自溃式非常溢洪道的安全运行无法进行人工控制,有可能溃坝提前或滞后。一般用于自溃坝高度较低、分担洪水比重不大的情况。当溢流自溃坝较长时,可用隔墙将其分成若干段,各段采用不同的坝高,满足不同水位的特大洪水下泄,避免当泄量突然加大时给下游造成损失。引冲自溃式非常溢洪道是在自溃坝的适当位置加引冲槽,当库水位达到启溃水位后,水流即漫过引冲槽,冲刷下游坝坡形成口门并向两侧发展,使之在较短时间内溃决。在溃决过程中,泄量逐渐增大,对下游防护有利,在工程中应用较广泛,但控制过水口门形成和口门形成的时间尚缺少有效措施,溃堤泄洪后,调蓄库容减小,可能影响来年水库综合效益。

3.爆破引溃式非常溢洪道

爆破引溃式溢洪道是当需要泄洪时引爆预埋在副坝药室或廊道内的炸药,利用其爆炸能量,使非常溢洪道进口的副坝坝体形成一定尺寸的爆破漏斗,形成引冲槽,并将爆破漏斗以外的土体炸松、炸裂,通过水流引冲作用使其在短时间内迅速溃决,达到泄洪目的。

溢洪道位置选择

溢洪道在枢纽中的位置,应根据地形、地质、工程特点、枢纽布置的要求、施工及运行条件、经济指标等综合因素进行考虑。

溢洪道的布置应结合枢纽总体布置全面考虑,避免与泄洪、发电、航运及灌溉等建筑物在布置上相互干扰。

溢洪道位置应选择有利的地形和地址条件。布置在岸边或垭口,并尽量避免深开挖而形成高边坡,以免造成边坡失稳或处理困难;溢洪道轴线一般宜取直线,如需转弯时,应尽量在进水渠或出水渠段内设置弯道。溢洪道应布置在稳定的地基上,并考虑岩层及地质构造的性状,还应充分注意建库后水文地质条件的变化对建筑物及边坡稳定的影响。

溢洪道进出口的布置,应使水流顺畅。进口不宜距土石坝太近,以免冲刷坝体;出口水流应与下游河道平顺连接,避免下泄水流对坝址下游河床和河岸的淘刷、冲刷以及河道的淤积,保证枢纽中的其他建筑物正常运行。当其靠近坝肩时,其布置及泄流不得影响坝肩及岸坡的稳定,与土石坝连接的导墙、接头、泄槽边墙等必须安全可靠。

从施工条件考虑,应便于出渣路线及堆渣场所的布置;尽量避免与其他建筑物施工相互干扰。

溢洪道适用情况

溢洪道一般适用于土石坝、堆石坝水利枢纽。河床溢洪道即溢流坝,通常用于重力坝枢纽。

溢洪道设计规范

溢洪道设计规范SL 253-2018

溢洪道设计规范 SL 253-2018替代 SL 253-2000(中华人民共和国水利行业标准)

溢洪道主要问题

根据有关资料统计,溢洪道在运用中存在的主要问题是泄洪能力不足、闸墩和闸底板开裂、陡坡底板和边墙破坏、消能设施破坏等。

1.泄洪能力不足

溢洪道泄洪能力不足或来水超过设计标准洪水,将导致漫坝失事,根据统计资料,1954—2006年,我国共有3496座水库大坝失事,其中水库垮坝失事原因主要是漫坝和质量问题,分别占垮坝总数的51.49%和37.53%。水库漫坝原因主要是泄洪能力未达标和遇超标准洪水,其中因泄洪能力未达标而垮坝的水库1349座,占垮坝总数的38.59%;遇超标准洪水而垮坝的水库447座,占垮坝总数的12.79%。造成溢洪道泄洪能力不足的原因是多方面的,主要包括:①设计资料不全,如降雨资料不准、系列较短、水库积水面积计算差别大等;②计算值与实际值差别较大,如设计洪水标准确定和溢洪道泄洪能力计算;③进口增设拦鱼栅及闸前堆渣等障洪物;④引水渠水头损失考虑不足或根本未计入;⑤大坝沉降使溢洪道的堰顶水头达不到设计要求等。

2.闸墩和闸底板开裂

建在岩基上的河岸溢洪道,闸墩开裂部位比较规则,多在牛腿前1~2m范围内。主要原因是温度应力,由于岩石和混凝土的线膨胀系数不同,在温度作用下,两者的伸缩率也不同。温升时,墩的两端可自由伸长,其伸长率大,岩基的伸长率小,故岩基对闸墩有约束作用,墩处于受压状态;温降时,混凝土收缩率大,而岩石收缩率小,故在闸墩内底部处于受拉状态,其拉应力超过闸墩底部抗拉强度时,将在墩底中间部位开裂。这种裂缝与土基上闸墩开裂是不同的,后者一般为通缝,而前者多由底部向墩顶延伸,延伸高度不等,如不及时采取补救措施,也有可能形成通缝。

3.陡坡底板和边墙破坏

溢洪道的泄水陡坡段,水流多为急流,由于地形、地质条件所限,往往为了减少工程量而布置成弯道致使泄水槽内产生不利的流态,不仅冲击泄水槽边墙,造成边墙冲毁,严重威胁溢洪道自身的安全,而且威胁临近建筑物的安全;此外,因为槽内流态的混乱,也易造成底板被掀起或局部接缝破坏的不良现象。实际工程中,泄水陡坡形式各异,工作条件也不相同,分析高速水流对泄槽的破坏原因是多方面的,但主要因素如下:①泄水槽高速水流掺气,而导致水深的增加,若边墙保护高度不足时,将直接冲毁边墙,一般平均流速超出6~7m/s时,空气将大量掺入水中而形成乳白色的掺气水流;②受地形限制,进口收缩不对称、槽身转弯、出口扩散布置时,槽内水流易发生侧向水跃、菱形冲击波及掺气现象,槽内流态紊乱、破坏力强,菱形冲击波的作用也严重恶化了下游的消能条件,需要加高边墙高度,以防止边墙冲毁;③槽内流速大、流态差,易产生气蚀破坏而使接缝破坏等现象;④施工质量差、平整度不满足要求,接缝不合理,强度不够,维护不及时造成局部气蚀;⑤陡槽底板下部扬压力过大、排水失效;⑥基础为土基或风化带未清理干净,泡水后造成强度降低、不均匀沉陷、底板掏空等破坏。

4.消能设施破坏

底流消能时,消力池尺寸过小,不满足水跃消能的要求;护坦的厚度过于单薄,底部反滤层不符合要求;平面形状布置不合理,扩散角偏大造成两侧回流,压迫主流而形成水流折冲现象;消力池上游泄水槽采用弯道,进入消力池单宽流量沿进口宽分布不均,水流紊乱、气蚀等;施工质量差、强度不足,结构不合理,维护不及时等均能引起消力池的破坏。

挑流消能时,挑距达不到设计要求,冲坑危及挑坎和防冲墙;反弧及挑坎磨损、气蚀,使其表面高低不平而不能正常运用;采用差动式挑流鼻坎时,在高坎的侧壁易产生气蚀破坏。实际工程运用表明:差动式挑流高、低坎挑角差Δθ的大小是影响气蚀的主要原因,一般Δθ越大,越易产生气蚀;挑坎上过流量较小,易产生贴壁流,直接淘刷防冲墙的基础,并且挑出的水流向两侧扩散,冲刷两岸岸坡;设计不合理、地质条件差、施工质量低、强度不足及维护不及时等都会造成挑流设施的破坏。

溢洪道运用管理

1.泄洪能力不足的处理

提高水库抗洪能力,除了加强水库的科学调度和制定正确的防洪标准外,主要应采取以下措施。

(1)加高大坝,增加蓄水能力。对于土石坝,加高前要认真进行调查研究,在确保大坝安全的前提下,精心设计、施工,按照加高的位置不同可分为从背水坡加高、从迎水坡加高、背水和迎水坡同时加高、“戴帽”加高四种方式。

(2)加大溢洪道泄洪断面。当溢洪道设计断面没有开足而降低防洪标准时,应按要求重新开足设计断面。如果是原设计的标准低,则应加大断面,对于两岸山坡不高,开挖工程量不大时,可用加宽、衬砌的方法;如果岸坡较陡,加宽断面挖方量过大时,可采用加深过水断面的方法。在有闸溢洪道上扩建,要考虑增加闸孔数或增加闸门宽度。

(3)改建溢洪设施。改建的方法一般包括降低溢流堰高程,宽顶堰改实用堰,增建闸门,改变布置和结构型式、尺寸或提高衬砌质量等措施,充分改变水流条件,加大泄流流速和流量。

(4)增设泄洪设施。为防御超标准洪水,在原有泄洪设施情况下可增设以下泄洪设施:①增设非常溢洪道,对于采用隧洞、坝下涵管泄洪的水库,采用加高大坝或增设泄水孔不经济,或改建溢洪道困难大时,可在附近有利的位置增设非常溢洪道另找泄洪出路以提高防洪能力;②增设泄洪隧洞或涵管,这种方法既有利于泄洪,又利于排沙减淤,延长水库寿命,布设时应尽量降低进口高程,进口位置、形式应利于排沙,但因此方法泄洪能力有限且超泄能力低,故应慎重对待。

(5)清除阻洪设施。溢洪道进口阻洪设施主要有临时桥梁、随意弃渣、漂浮物及两岸山坡的滑坡体等,要求在汛期来临时及时拆除和清理干净,以防影响行洪安全。

2.闸墩和底板开裂的处理

处理闸墩和底板开裂应根据具体情况而定。如河南南湾水库溢洪道的右二闸墩,在牛腿前1.5m处自上而下形成通缝,把闸墩分为前后两半,处理时采用埋设辐射筋及环氧砂浆封面的方法,取得了较好的效果。这种方法是先在墩的表面凿槽,用环氧砂浆和预埋螺栓固定一端,另一端通过牛腿锚定施加拉力,使钢筋受拉产生拉应力,把钢筋放在槽内,然后用环氧砂浆进行封闭。

为了适应温差变化而产生的温度应力,应认真进行抗裂验算及裂缝开展校核,一般要在闸墩下部与底板接触部位设置限裂及温度筋。

3.陡坡底板和边墙破坏的处理

溢洪道陡坡上流速急、流态混乱,对底板和边墙破坏性极大,工程运用中,一般是首先考虑改善水流条件,其次是对破坏部位进行处理。

(1)改善陡槽水流条件。水流条件受边界的约束影响很大,改善水流条件的关键是改善边界条件,主要方法包括:①陡槽尽量布置成直线,以减少冲击波的干扰和反射,改善进入消力池的水流条件,当陡槽底坡采用变坡时,应用曲线连接,使水流贴槽而流以避免产生负压、气蚀;②平面上尽量将陡槽入口布置成收缩角不超过11.25°左右;③弯道上水流条件改善,可采用控制弯道曲率和侧槽横比降两方面的措施,由于地形所限而导致转弯较急时,可在进弯时设置分流隔墩,墩形可做成流线形,使断面横比降经隔墩而分散,从而可以降低侧墙的高度,同时起导流作用,但要注意在高速水流作用下,易引起隔墩局部边壁的气蚀。

(2)修复处理破坏部位。泄水槽底板与边墙的工作条件是较复杂的,承受水压力、脉动压力、渗透压力、浮托力等作用,并受温度变化、冻融交替产生的伸缩应力影响,还要抵抗风化、磨蚀、气蚀等作用,一旦发生破坏现象,应及时进行修复处理。具体方法较多,处理时应视其原因而采取不同措施,作到“封”、“通”、“压”、“光”,以保证泄槽的安全。“封”指截断渗流,如采用防渗帷幕、齿墙、止水等防渗措施;“通”指排水系统要畅通,底板下面未做排水或排水被堵塞将会产生很大的扬压力,造成底板被掀起、折断或淘空;“压”指利用底板自重、衬砌上游块压住下游块或在缝中设键槽相互挤压等措施,使底板不被掀起;“光”指要求底板、边墙的表面光滑平整,施工时残留废渣、砂浆块、钢筋头等不平整因素应彻底清除,以防止气蚀破坏。

4.消能设施破坏的处理

底流消能设施破坏的处理可参考水闸管理中有关内容。挑流消能设施存在的主要问题有气蚀破坏、挑距不足、贴壁流及局部破坏等,处理时应按不同情况具体对待。对于局部破坏,如程度较轻应及时进行填补平整修理,否则要修改原设计进行翻修,以消除产生破坏的条件,如改善结构布置形式、提高结构抗蚀抗冲能力、向低压区补气防蚀等措施。

为了防止挑距过近,应正确选择挑射角,对于重要工程应进行模型试验,对于一般中、小型工程,选择时要考虑设计和校核流量,还要兼顾小流量时运用,以防挑不出去或贴壁下流,淘刷挑流鼻坎下面的防冲墙脚,山东省曾运用优选法选择挑射角认为选用27°左右较为合适,最好结合模型试验选择。

对于挑流消能因出口水流扩散冲刷岸坡问题,西北水科院曾通过试验提出了改进型的异形鼻坎,即挑流鼻坎不是用一个反弧曲线,而是在反弧段做成一定的横比降,水流挑出后在垂直方向上集中,因水流的出坎挑角各不相同,因此,挑出后的水流将沿下游河床在较长的距离上跌落,可以减轻河岸的冲刷深度。如龙羊峡和安康水电站均采用了这种消能形式,效果较好,因其河道较狭窄,无论采用连续式或者差动式消能,挑出水流都会冲刷岸坡。

差动式高坎产生边壁气蚀问题,除选择合理的挑角差Δθ外,还可在高坎侧壁开通气孔,通气孔的位置应在负压部位稍偏向上游,如新安江水电站溢流坝后差动式鼻坎在高坎侧壁通入ϕ=28cm的通气管,把空气送至气蚀部位,消除了气蚀现象。

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