溢洪道是水利枢纽中的主要建筑物之一。
溢洪道
为宣泄超过水库调蓄能力的洪水或降低库水位,保证工程安全而设置的泄水建筑物。
- 英文名称
- spillway
- 所属学科
- 水利工程
约在5000年前,人们开始筑堤防水、破堤泄洪。近代,溢洪道在水电工程中广泛采用。1936年胡佛大坝采用侧槽式开敞式溢洪道,总泄流量11 300米3/秒。伴随着国内外高水头、大泄量泄洪技术的发展,溢洪道单宽流量日益提高,许多工程单宽流量大于200米3/(秒·米),有的超过300米3/(秒·米)。1970年西班牙建成的阿尔门德拉拱坝,溢洪道采用窄缝坎,最大单宽流量达到600米3/(秒·米)。中国龙羊峡水利枢纽岸边溢洪道采用窄缝坎,出口单宽流量达到648米3/(秒·米)。2000年建成的天生桥一级电站,岸边溢洪道总泄流量21 750米3/秒,是中国规模最大的岸边溢洪道。
按泄洪标准和功用情况,可分为正常溢洪道和非常溢洪道。正常溢洪道用于宣泄设计洪水,非常溢洪道用于宣泄超标准非常洪水。
按照溢洪道所在的位置,可分为河床式溢洪道和岸边溢洪道。河床式溢洪道通常是经坝身泄洪的溢流坝。岸边溢洪道按结构形式可分为正槽式溢洪道、侧槽式溢洪道、井式溢洪道和虹吸式溢洪道。
①正槽式溢洪道。溢洪道的泄槽与溢流堰轴线正交,过堰水流与泄槽轴线方向一致。②侧槽式溢洪道。溢流堰大致沿等高线布置,水流从溢流堰泄入与堰轴线大致平行的侧槽后,在槽内转向90°,再经泄槽或隧洞流入下游。③井式溢洪道。进水口在平面上为一环形的溢流堰,水流过堰后,经竖井和隧洞流入下游。④虹吸式溢洪道。利用虹吸作用泄水,水流出虹吸管后经泄槽流入下游,可与坝身结合在一起,也可以建在岸边。对于正槽和侧槽溢洪道,根据泄槽(陡槽)的消能方式,可以将溢洪道分为陡槽式溢洪道、加墩式溢洪道和台阶式溢洪道。①陡槽式溢洪道。溢洪道泄槽末端设置消能措施。②加墩式溢洪道。溢洪道泄槽设置混凝土墩以耗散水流能量。③台阶式溢洪道。溢洪道泄槽设置阶梯坎作为消能方式。
溢洪道主要由进水渠、控制段(包括溢流堰、闸门和闸墩等)、过渡段、泄水段、消能防冲段和出水渠组成。
水库与控制段之间的连接段,具有进水及调整水流流态的作用。进水渠一般呈等宽或收缩的梯形断面,在平面布置上尽量短、直,避免断面突然变化,如需转弯,其转弯半径宜大于5倍渠道水面宽度。水渠的底宽与控制段连接处应与溢流前缘等宽,底坡宜为平底或不大的倾向水库的反坡,渠底高程应比控制堰顶低;渠内水流平顺均匀,水面波动小而无旋涡;流速应大于悬移质不淤流速,小于渠道的不冲流速,设计流速宜采用3~5米/秒。进水渠一般不需要衬砌,但依据地质条件、渠线长短和流速大小最终确定是否衬砌。
控制溢洪道的泄流能力。从水力特征来看,溢洪道的控制段主要有两种:①堰式控制段。控制建筑物为实用堰或其他形式的堰,也称堰式进口,是应用最为广泛的溢洪道形式,所采用的溢流堰主要有宽顶堰、实用堰,有时也采用驼峰堰或胸墙堰、折线形堰(迷宫堰)。②渠式控制段。不用溢流堰控制水流的情况,一般不设闸门,水流不易控制,仅用于小型水利工程。
把控制段的宽度缩窄成适宜的泄槽宽度。过渡段大多是变宽、变坡,甚至在平面上曲折的明渠。如地形条件合适,将溢洪道设计成全长等宽而不致增加太多工程量时,可不必设过渡段。
控制段和消能段的连接段,通常有泄槽与泄洪隧洞两种形式。
消散下泄水流的能量,避免泄流对泄槽末端和对下游河道产生有害冲刷,影响枢纽正常运行,甚至危及建筑物的安全,常采用挑流消能和底流消能。
当消能后的泄流不能直接进入原河道时,需设出水渠使泄流与下游河道的正常水流衔接。出水渠的底坡要与原河道底坡接近,轴线方向尽量与河道的水流方向保持较小的交角,以使出流不影响水电站和船闸等建筑物的正常运行。
①溢洪道一般泄流流量大、流速高,水流掺气、建筑物的空化空蚀、泄水振动、水流消能防冲等问题突出。②除虹吸式溢洪道、带有胸墙的溢流孔、井式溢洪道外,溢洪道进水口一般为开敞式,呈无压状态。③溢洪道一般布置在坝身或岸边,施工方便,对地质条件的要求较泄洪洞低。
包括形式及轴线、闸门尺寸及堰型堰顶高程、泄槽设计、掺气减蚀设计、消能防冲设施5个方面。
溢洪道的形式及轴线应根据当地的地形、地质条件、枢纽布置、坝型、洪水特性及对下游的影响等因素综合研究确定。
无闸门控制时,堰顶高程取其等于水库的正常高水位,堰型一般由泄流量及工程造价综合确定。有闸门控制时,堰型和堰顶高程的确定一般通过多组方案比选,在其中选出泄流量满足要求且工程费用最省的方案;控制闸门尺寸一般按照运行要求,通过技术经济论证后确定。
泄槽的平面布置主要决定于地形、地质条件,也决定于控制建筑物的形式和消能方式。在条件允许的情况下尽量使泄槽轴线顺直,等宽对称布置以减小冲击波的影响。泄槽纵坡主要决定于地形、地质条件,同时还要考虑水力学条件、衬砌材料和施工条件等因素,常用底坡为1%~5%,有时可达10%~30%。横断面决定于沿线地质条件及是否有衬砌,一般采用矩形或边坡较陡梯形。
当泄槽水流空化数小于0.3或流速超过30米/秒时,宜设置掺气减蚀设施。一般要求在各运行水位和流量条件下,通气空腔稳定,通气量足够,通气孔风速宜小于60米/秒。
溢洪道下游必须设置消能防冲设施。泄槽出流流速很大,必须通过消能设施将水流能量耗散以进入下游河道。根据下游河道的地质条件、地形以及枢纽建筑物的布置方式,下游可以采用底流消能、挑流消能的方式,以保证下游河道、边坡冲刷最小,保证枢纽的安全性。
扩展阅读
- 潘家铮,何璟.中国大坝50年.北京:中国水利水电出版社,2000.