黃 華 謝新生 謝秀新 張 歡

（四川大學水利水電學院 四川 成都 610065）

1 前言

岸邊溢洪道結(jié)構(gòu)型式中，正槽式溢洪道被廣泛的采用，隨著建壩逐漸向偏遠山區(qū)轉(zhuǎn)移，適宜修建側(cè)槽溢洪道的地形、地質(zhì)條件比較容易滿足，側(cè)槽溢洪道逐漸得到充分的發(fā)展。

根據(jù)現(xiàn)有的文獻記載，對側(cè)槽水力計算的研究大約1923年日本學者物部長穗首先應用能量原理推導了計算公式，1926年Hinds應用動量原理作了分析，奠定了側(cè)槽水力計算的基礎(chǔ)。經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，側(cè)槽溢洪道在理論和計算方法上有了很大提高。

側(cè)槽溢洪道與正槽溢洪道主要區(qū)別在于側(cè)槽部分，其他部分與正槽溢洪道類似。側(cè)槽式溢洪道一般由溢流堰、側(cè)槽、泄水道和出口消能段等部分組成。溢流堰大致沿河岸等高線布置，水流經(jīng)過溢流堰進入與堰大致平行的側(cè)槽后，在槽內(nèi)轉(zhuǎn)向約90°，經(jīng)泄槽或泄水隧洞流入下游。

過堰水流進入側(cè)槽后，水流流量沿程不斷增加，側(cè)槽內(nèi)水流為沿程非均勻流。水流受側(cè)槽邊墻的阻擋，與槽內(nèi)水流摻混，水流在槽內(nèi)做橫向旋滾，在重力作用下在側(cè)槽內(nèi)做90°的旋轉(zhuǎn)，以螺旋流的形式流向下游，水流紊動和撞擊都很強烈，水面極不平穩(wěn)。所以，側(cè)槽多建在堅實的巖基上，且要有質(zhì)量較好的襯砌。

側(cè)槽式溢洪道宜修建于岸坡地形較陡、又無足夠場地來修建河岸式正堰溢洪道的場合。側(cè)槽式溢洪道引渠段短，控制段寬，不僅可以節(jié)約投資，而且方便運行管理。側(cè)槽及泄水道斷面布置成窄深形時可減少開挖方量，并可布置較長的溢流前緣長度，降低泄洪水頭，增加水庫的防洪和興利效益，在工程中應用廣泛。

2 工程實例

瀘州市懷場水庫是以灌溉和供水為主要任務(wù)的?。?）型水庫，水庫設(shè)計灌溉面積0.4萬畝，設(shè)計供水人口0.86萬人。水庫壩址以上集雨面積4.12km2。多年平均來水量177萬m3，死水位1155.00m，死庫容10.7萬m3。正常水位1168.00m，正常庫容109.2萬m3。壩型為瀝青混凝土心墻石渣壩，放水塔位于大壩左岸，采用輸水涵洞與下游干渠連接。

由于右岸岸坡接近90°，左岸相對較緩，故溢洪道布置在左岸。兩岸巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，強風化深度為3m～6m。

2.1 方案比較

設(shè)計初步擬定正槽式溢洪道和側(cè)槽式溢洪道兩種方案，兩種方案在泄槽方面大致相同，區(qū)別之處在于側(cè)槽部分。由于壩址左端山頭較高，岸坡陡峭，采用正槽式溢洪道，開挖量明顯大；同時采取正槽時溢洪道布置需要設(shè)置一段引水渠，造成更大的開挖量，且對環(huán)境的破壞較大。經(jīng)計算，采用側(cè)槽式溢洪道的土方開挖為2100m3，石方開挖為500m3；采用正槽式溢洪道的土方開挖為5000m3，石方開挖為650m3。因此，該工程推薦用側(cè)槽式溢洪道。

2.2 側(cè)槽設(shè)計

本次設(shè)計溢流堰的堰型采用WES堰，溢流堰下部的直線段坡度，采用1∶0.5，靠岸一側(cè)邊坡坡度也為1∶0.5，根據(jù)模型試驗，過水后側(cè)槽水面較高，一般不會出現(xiàn)負壓。

側(cè)槽起始斷面底寬b0與末端斷面底寬bl之比值即b0/bl，對側(cè)槽的工程量影響很大。b0/bl一般采用 0.5～1.0，如果b0/bl比值較小，側(cè)槽的開挖量較省，但槽底要挖得較深，水平調(diào)整段的工程量也相應增加?？紤]到本工程規(guī)模較小，且槽底已置于弱風化層上，槽底向下挖深難度較大。綜合地形、地質(zhì)、施工、運行管理等因素，取b0/bl=1.0。即首末段的長度均為5.0m。

為了使水流穩(wěn)定，側(cè)槽中的水流應處于緩流狀態(tài)，因而側(cè)槽的縱坡比較平緩，實用中常采用1%～5%。根據(jù)地形及泄量大小，本次設(shè)計采用1%。

為了調(diào)整側(cè)槽內(nèi)的水流，改善側(cè)槽內(nèi)的水流流態(tài)，可在槽末設(shè)置一平底的調(diào)整段，這樣，臨界水深可認為發(fā)生在水平段末端和泄水道交界處[1]。水平調(diào)整段長度按地形條件決定，一般采用（2～3）hk（hk水平段末端與泄水道交接處的臨界水深），通過計算，hk為2.15m，所以取水平調(diào)整段長度為5.0m。

側(cè)槽的底部高程的確定，應滿足溢流堰為非淹沒出流和減少開挖量的要求。由于側(cè)槽內(nèi)的水面線為一降落曲線，因此，確定側(cè)槽底部高程的關(guān)鍵在于定出起始斷面的水面高程。試驗資料分析表明，起始斷面附近雖有一定程度的淹沒，但尚不至對整個溢流堰的泄量有較大的影響，仍可認為是非淹沒的。因此，要求堰頂淹沒度σk＜0.5（σk=hs/H）。

為了保證側(cè)槽溢流堰不被淹沒，一般以校核洪水作為側(cè)槽的設(shè)計流量。

2.3 側(cè)槽段水面線計算

水流對邊界條件特別敏感,容易產(chǎn)生摻氣、沖擊波等現(xiàn)象,因此側(cè)槽水面線的特性分析對維護建筑物本身及下游安全有重要作用[2]。

從試驗資料和一些算例發(fā)現(xiàn)，對一個已定的側(cè)槽，假定幾個不同的hl（側(cè)槽末端水深）推算得出的側(cè)槽起點水深h0的誤差比hl的誤差小得多，也就是說hl的假定值大小，對計算成果h0的精度影響不大[3]。側(cè)槽末端水深hl=（1.2～1.5）hk，經(jīng)計算hl=（1.2～1.5）hk，側(cè)槽末端水深hl=2.8m。

根據(jù)500年一遇的洪水校核，校核流量為49.46m3/s，綜合地形、地質(zhì)、施工等因素，首末段的長度均為5.0m，底坡為1%，兩側(cè)邊坡為1∶0.5。

表1 溢洪道側(cè)槽水面線計算成果表

表2 泄槽水面線計算成果表

本次設(shè)計取溢洪道樁號K0+000、K0+002、K0+004、K0+006和 K0+008特征斷面進行水面線計算。根據(jù)溢洪道設(shè)計規(guī)范[4]，采用分段求和法按下式計算：

計算可知，F(xiàn)r均小于1，側(cè)槽內(nèi)水流為緩流，流態(tài)滿足要求。堰上水頭H=2.25m，槽首水深h0=3.48m，淹沒水深取為hk（滿足堰頂淹沒度σk＜0.5），所以側(cè)槽起始斷面高程為Z底=Z堰頂+hs-h0=1165.28m。側(cè)槽末端斷面高程為1165.20m。

水平段末端接泄水道，坡度由緩變陡，根據(jù)相關(guān)文獻[5]從時均壓力、脈動壓力、空化數(shù)等方面，得出緩坡與陡坡過渡銜接部位采用拋物線型式。

2.4 泄水道水面線計算

泄槽段長142.41m，首端底高程1165.20m，泄槽起始段（K0+013）底坡 i=0.1，于樁號0+079.82處通過拋物線段銜接變坡至i=0.2，保持此坡度到樁號K0+142.41，其后接消力池。本次設(shè)計選取溢洪道樁號K0+013.00，K0+046.41，K0+079.82，K0+111.12和K0+142.41進行水面線計算。溢洪道泄槽段水面線依據(jù)能量方程，采用分段求和法按下式計算：

根據(jù)《水工設(shè)計手冊》摻氣水深按如下公式計算：

式中，h、hb為泄槽計算斷面的水深及摻氣后的水深，m；v為不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速，m/s；ξ為摻氣水深修正系數(shù)，本次取為1.0。安全超高本次取為0.5m。

特征斷面水面線計算成果如表2。

3 設(shè)計中常見問題的探討

（1）側(cè)槽內(nèi)最大流速的確定[6]。側(cè)槽是變量流也是變速流。實驗表明，在側(cè)槽末端順側(cè)槽橫軸線方向由于水流混雜往往測不出多大流速，有時出現(xiàn)負值；而在垂直軸線方向出現(xiàn)較大的流速值。根據(jù)試驗資料分析，建議以側(cè)槽末端斷面垂直軸線方向的底流速作為設(shè)計依據(jù)，初步按下式計算：

式中，φ為系數(shù)，可取0.6～0.7；P0為側(cè)槽末端斷面槽底至堰頂?shù)母卟?；H為相當于Qmax=Qk時的堰上水頭。

（2）當側(cè)槽后無條件修建開敞式漸變調(diào)整段泄槽時，相關(guān)文獻[7]表明，可以采取在側(cè)槽內(nèi)加設(shè)消力墩或連續(xù)升坎，以橢圓錐面或圓錐面光滑順暢的連接側(cè)槽和泄槽邊墻，合理的選取泄槽首段底板的坡比i和斜坡面長度L，使其水流處于臨界流狀態(tài)。這樣不僅可以改善泄槽水流流態(tài)，消除螺旋流、折沖流以及水面波動和較大水面差的現(xiàn)象，使得水流平穩(wěn)平順，而且還可以大大降低水深，從而減少開挖工程量，節(jié)省工程投資。

4 結(jié)語

本文介紹了側(cè)槽式溢洪道的特點，并結(jié)合懷場水庫，對側(cè)槽式溢洪道的結(jié)構(gòu)尺寸做出了具體設(shè)計，并對側(cè)槽內(nèi)水面線和泄槽水面線進行計算。在側(cè)槽式溢洪道的設(shè)計過程中，最重要的是根據(jù)溢流堰、側(cè)槽（包括調(diào)整段）和泄水道三者之間的水面線銜接關(guān)系，定出側(cè)槽水面線和相應槽底高程，保證安全泄洪。側(cè)槽式溢洪道在減少開挖量，降低壩高，節(jié)約投資等方面，有較明顯的優(yōu)勢。今后修建的中、小型水庫，在地形、地質(zhì)條件滿足的前提下，應作為重點比選方案[8]。陜西水利

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