侧槽式溢洪道在怀场水库中的应用

黄 华 谢新生 谢秀新 张 欢

（四川大学水利水电学院 四川 成都 610065）

1 前言

岸边溢洪道结构型式中，正槽式溢洪道被广泛的采用，随着建坝逐渐向偏远山区转移，适宜修建侧槽溢洪道的地形、地质条件比较容易满足，侧槽溢洪道逐渐得到充分的发展。

根据现有的文献记载，对侧槽水力计算的研究大约1923年日本学者物部长穗首先应用能量原理推导了计算公式，1926年Hinds应用动量原理作了分析，奠定了侧槽水力计算的基础。经过几十年的不断发展，侧槽溢洪道在理论和计算方法上有了很大提高。

侧槽溢洪道与正槽溢洪道主要区别在于侧槽部分，其他部分与正槽溢洪道类似。侧槽式溢洪道一般由溢流堰、侧槽、泄水道和出口消能段等部分组成。溢流堰大致沿河岸等高线布置，水流经过溢流堰进入与堰大致平行的侧槽后，在槽内转向约90°，经泄槽或泄水隧洞流入下游。

过堰水流进入侧槽后，水流流量沿程不断增加，侧槽内水流为沿程非均匀流。水流受侧槽边墙的阻挡，与槽内水流掺混，水流在槽内做横向旋滚，在重力作用下在侧槽内做90°的旋转，以螺旋流的形式流向下游，水流紊动和撞击都很强烈，水面极不平稳。所以，侧槽多建在坚实的岩基上，且要有质量较好的衬砌。

侧槽式溢洪道宜修建于岸坡地形较陡、又无足够场地来修建河岸式正堰溢洪道的场合。侧槽式溢洪道引渠段短，控制段宽，不仅可以节约投资，而且方便运行管理。侧槽及泄水道断面布置成窄深形时可减少开挖方量，并可布置较长的溢流前缘长度，降低泄洪水头，增加水库的防洪和兴利效益，在工程中应用广泛。

2 工程实例

泸州市怀场水库是以灌溉和供水为主要任务的小（1）型水库，水库设计灌溉面积0.4万亩，设计供水人口0.86万人。水库坝址以上集雨面积4.12km2。多年平均来水量177万m3，死水位1155.00m，死库容10.7万m3。正常水位1168.00m，正常库容109.2万m3。坝型为沥青混凝土心墙石渣坝，放水塔位于大坝左岸，采用输水涵洞与下游干渠连接。

由于右岸岸坡接近90°，左岸相对较缓，故溢洪道布置在左岸。两岸岩性为白云质灰岩、灰岩，强风化深度为3m～6m。

2.1 方案比较

设计初步拟定正槽式溢洪道和侧槽式溢洪道两种方案，两种方案在泄槽方面大致相同，区别之处在于侧槽部分。由于坝址左端山头较高，岸坡陡峭，采用正槽式溢洪道，开挖量明显大；同时采取正槽时溢洪道布置需要设置一段引水渠，造成更大的开挖量，且对环境的破坏较大。经计算，采用侧槽式溢洪道的土方开挖为2100m3，石方开挖为500m3；采用正槽式溢洪道的土方开挖为5000m3，石方开挖为650m3。因此，该工程推荐用侧槽式溢洪道。

2.2 侧槽设计

本次设计溢流堰的堰型采用WES堰，溢流堰下部的直线段坡度，采用1∶0.5，靠岸一侧边坡坡度也为1∶0.5，根据模型试验，过水后侧槽水面较高，一般不会出现负压。

侧槽起始断面底宽b0与末端断面底宽bl之比值即b0/bl，对侧槽的工程量影响很大。b0/bl一般采用 0.5～1.0，如果b0/bl比值较小，侧槽的开挖量较省，但槽底要挖得较深，水平调整段的工程量也相应增加。考虑到本工程规模较小，且槽底已置于弱风化层上，槽底向下挖深难度较大。综合地形、地质、施工、运行管理等因素，取b0/bl=1.0。即首末段的长度均为5.0m。

为了使水流稳定，侧槽中的水流应处于缓流状态，因而侧槽的纵坡比较平缓，实用中常采用1%～5%。根据地形及泄量大小，本次设计采用1%。

为了调整侧槽内的水流，改善侧槽内的水流流态，可在槽末设置一平底的调整段，这样，临界水深可认为发生在水平段末端和泄水道交界处[1]。水平调整段长度按地形条件决定，一般采用（2～3）hk（hk水平段末端与泄水道交接处的临界水深），通过计算，hk为2.15m，所以取水平调整段长度为5.0m。

侧槽的底部高程的确定，应满足溢流堰为非淹没出流和减少开挖量的要求。由于侧槽内的水面线为一降落曲线，因此，确定侧槽底部高程的关键在于定出起始断面的水面高程。试验资料分析表明，起始断面附近虽有一定程度的淹没，但尚不至对整个溢流堰的泄量有较大的影响，仍可认为是非淹没的。因此，要求堰顶淹没度σk＜0.5（σk=hs/H）。

为了保证侧槽溢流堰不被淹没，一般以校核洪水作为侧槽的设计流量。

2.3 侧槽段水面线计算

水流对边界条件特别敏感,容易产生掺气、冲击波等现象,因此侧槽水面线的特性分析对维护建筑物本身及下游安全有重要作用[2]。

从试验资料和一些算例发现，对一个已定的侧槽，假定几个不同的hl（侧槽末端水深）推算得出的侧槽起点水深h0的误差比hl的误差小得多，也就是说hl的假定值大小，对计算成果h0的精度影响不大[3]。侧槽末端水深hl=（1.2～1.5）hk，经计算hl=（1.2～1.5）hk，侧槽末端水深hl=2.8m。

根据500年一遇的洪水校核，校核流量为49.46m3/s，综合地形、地质、施工等因素，首末段的长度均为5.0m，底坡为1%，两侧边坡为1∶0.5。

表1 溢洪道侧槽水面线计算成果表

表2 泄槽水面线计算成果表

本次设计取溢洪道桩号K0+000、K0+002、K0+004、K0+006和 K0+008特征断面进行水面线计算。根据溢洪道设计规范[4]，采用分段求和法按下式计算：

计算可知，Fr均小于1，侧槽内水流为缓流，流态满足要求。堰上水头H=2.25m，槽首水深h0=3.48m，淹没水深取为hk（满足堰顶淹没度σk＜0.5），所以侧槽起始断面高程为Z底=Z堰顶+hs-h0=1165.28m。侧槽末端断面高程为1165.20m。

水平段末端接泄水道，坡度由缓变陡，根据相关文献[5]从时均压力、脉动压力、空化数等方面，得出缓坡与陡坡过渡衔接部位采用抛物线型式。

2.4 泄水道水面线计算

泄槽段长142.41m，首端底高程1165.20m，泄槽起始段（K0+013）底坡 i=0.1，于桩号0+079.82处通过抛物线段衔接变坡至i=0.2，保持此坡度到桩号K0+142.41，其后接消力池。本次设计选取溢洪道桩号K0+013.00，K0+046.41，K0+079.82，K0+111.12和K0+142.41进行水面线计算。溢洪道泄槽段水面线依据能量方程，采用分段求和法按下式计算：

根据《水工设计手册》掺气水深按如下公式计算：

式中，h、hb为泄槽计算断面的水深及掺气后的水深，m；v为不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s；ξ为掺气水深修正系数，本次取为1.0。安全超高本次取为0.5m。

特征断面水面线计算成果如表2。

3 设计中常见问题的探讨

（1）侧槽内最大流速的确定[6]。侧槽是变量流也是变速流。实验表明，在侧槽末端顺侧槽横轴线方向由于水流混杂往往测不出多大流速，有时出现负值；而在垂直轴线方向出现较大的流速值。根据试验资料分析，建议以侧槽末端断面垂直轴线方向的底流速作为设计依据，初步按下式计算：

式中，φ为系数，可取0.6～0.7；P0为侧槽末端断面槽底至堰顶的高差；H为相当于Qmax=Qk时的堰上水头。

（2）当侧槽后无条件修建开敞式渐变调整段泄槽时，相关文献[7]表明，可以采取在侧槽内加设消力墩或连续升坎，以椭圆锥面或圆锥面光滑顺畅的连接侧槽和泄槽边墙，合理的选取泄槽首段底板的坡比i和斜坡面长度L，使其水流处于临界流状态。这样不仅可以改善泄槽水流流态，消除螺旋流、折冲流以及水面波动和较大水面差的现象，使得水流平稳平顺，而且还可以大大降低水深，从而减少开挖工程量，节省工程投资。

4 结语

本文介绍了侧槽式溢洪道的特点，并结合怀场水库，对侧槽式溢洪道的结构尺寸做出了具体设计，并对侧槽内水面线和泄槽水面线进行计算。在侧槽式溢洪道的设计过程中，最重要的是根据溢流堰、侧槽（包括调整段）和泄水道三者之间的水面线衔接关系，定出侧槽水面线和相应槽底高程，保证安全泄洪。侧槽式溢洪道在减少开挖量，降低坝高，节约投资等方面，有较明显的优势。今后修建的中、小型水库，在地形、地质条件满足的前提下，应作为重点比选方案[8]。陕西水利

[1]李炜.水力计算手册（第二版）[M]．北京：中国水利水电出版社，2006.

[2]牛运光.水库溢洪道存在的问题及解决措施[J].人民黄河，1995，17（10）：37-40.

[3]于宁,马秀凤,尹志勤.侧槽式溢洪道除险加固设计研究 [J].黑龙江水利科技，2008，36（5）：24-25.

[4]中华人民共和国水利部．SL253－2000溢洪道设计规范[S].北京:中国水利水电出版社.

[5]王均星,邹鹏飞,白呈富.溢洪道纵坡变坡衔接型式的比较 [J].武汉大学学报 （工学版），2004，37（5）：33-37.

[6]韩立.侧槽溢洪道的水力计算和设计[J].陕西水利，1973，（02）：6-16.

[7]杨顺玉.侧槽溢洪道缓直缓弯调整段水力特性研究[J]．人民长江，2009，40（21）：37-39.

[8]李应科,胡梅．岸坡式侧槽溢洪道的应用[J].水利水电技术，2001，（32）6：54-56.