第11卷 第3期 中 国 水 运 Vol.11 No.3 2011年 3月 China Water Transport March 2011
浅议正槽溢洪道泄槽设计
杨玉海，李 嫣
（1河北省承德市水利水电勘测设计所，河北 承德 067000；2河北省承德市武烈河河道与橡胶坝管理处，河北 承德 067000）
1
2
摘 要：文中对正槽溢洪道泄槽的平面布置做了简述，提出用分段求和法进行泄槽水面曲线计算的方法，并应用冲击波理论对收缩段、扩散段和弯曲段的水流流态进行了分析，给出了计算公式；同时指出了在施工中防范底板衬砌空蚀破坏的具体措施。希望能给相关的工程技术人员一些启迪和帮助，共同搞好正槽溢洪道泄槽的设计，保证工程的安全，为祖国的水利科技事业作出贡献。 关键词：正槽溢洪道；泄槽；设计
中图分类号：TV651 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）03-0128-03
正槽溢洪道通常由进水渠、溢流堰段、泄槽、消能段及尾水渠组成见图1。其中溢流堰段、泄槽及消能段是溢洪道主体。在溢流堰后多用泄水陡槽与消能段相连接，以便将过堰洪水安全地泄到下游河道去。泄槽一般为挖方工程，设计时要根据泄洪流量、地形、地质、水流条件与经济等因素合理确定泄槽的型式和尺寸。由于泄槽内水流处于急流状态，高速水流带来的一些特殊问题，如冲击波、水流掺气、空蚀和压力脉动等，应认真考虑并采取相应的措施。现将泄槽段的设计介绍如下。
一、泄槽的平面布置及纵、横剖面
泄槽在平面上应尽可能采取直线、等宽、对称布置，这样可使水流平顺、结构简单、施工方便。但在工程实际中，往往由于地形、地质等原因，或从减少开挖、处理洪水归河和有利消能等方面考虑，有时不得不设置收缩段、扩散段或弯曲段。常见的泄槽平面布置形式是溢流堰后先接收缩段，再接等宽泄槽，最后接出口扩散段。设置收缩段的目的在于节省泄槽土石方开挖量和衬砌工程量；而设出口扩散段的目的则在于减小出口单宽流量，有利于下游消能和减轻水流对
下游河道的冲刷。
∆l1−2=
2
数不宜过多。实践证明，泄槽变坡处易遭动水压力破坏，设计时常用的纵坡为1～5%，有时可达10～15%，在坚硬的岩基上可以更陡一些，实践中有用到1：1的。
泄槽的横剖面，在岩基上接近矩形，流量和流速分布都比较均匀，对下游消能有利；在土基上则采用梯形，但边坡不宜太缓，以防止水流外溢和影响流态，一般为1：1～1：2。
二、泄槽水力计算 1．泄槽水面线分析与计算
溢洪道泄槽中的水流属明渠非均匀流，计算水面线时首先要判断水面线类型，一般而言，泄槽底坡大于临界底坡，水面线属bⅡ型降水曲线，泄槽水面线应根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式如下：
(h2cosθ+
α2ν22
2g
)−(h1cosθ+
α1ν12
2g
（1）
i−J
n2 （2）
=4/3
R
式中∆l1−2——分段长度，m；
ν1、ν2——分段始、末断面平均流速，m/s；
θ——泄槽底坡角度，（º）； i ——泄槽底坡，i=tgθ；
图1 正槽溢洪道布置图
1—进水渠；2—溢流堰段；3—泄槽；4—消能段
5—尾水渠；6—非常溢洪道；7—土坝
泄槽纵剖面设计主要是决定纵坡。泄槽纵坡必须保证泄槽中水位不影响溢流堰自由泄流和槽中不发生水跃，使水流始终处于急流状态。因此，泄槽纵坡必须大于临界坡度。为了减少工程量，泄槽沿程可以随地形、地质变坡，但变坡次
收稿日期：2011-02-12
作者简介：杨玉海（1973-），男，河北省承德市水利水电勘测设计所工程师，主要从事水利水电工程勘测设计工作。
h1、h2——分段始、末断面水深，m；
α1、α2——流速分布不均与系数，取1.05；
J——分段内平均摩阻坡降；
n——泄槽槽身糙率系数；
ν——分段平均流速，=（ν1+ν2）/2，m/s；
R——分段平均水力半径，=(R1+R2)/2，m。
起始计算断面位置及其水深h1应按泄槽上游段型式分别选取。
a.泄槽上游接宽顶堰、缓坡明渠或过渡段，起始计算断面定在泄槽首部，水深h1取用泄槽首端断面计算的临界水深
第3期 杨玉海等：浅议正槽溢洪道泄槽设计 129
hk。
b.泄槽上游接实用堰、陡坡明渠，起始计算断面分别定在堰下收缩断面或泄槽首端以下3hk处，起始计算断面水深
h1小于hk，可按下式计算：
h （3）
1=
q
φ2g(H0−h1cos)
式中 q——起始计算断面单宽流量，m3/（s·m）
； H0——起始计算断面渠底以上总水头，m； θ——泄槽底坡坡角；
φ——起始计算断面流速系数，取0.95。
2．泄槽段水流掺气水深计算 泄槽段水流掺气水深可按下式计算：
hb=(1+
ξν
（4）
100
h
式中h、hb——泄槽计算断面的水深及掺气后的水深，m；
ν——不掺气情况下泄槽计算断面的流速，
ν
≤20m/s；
ξ——修整系数，可取1.0~1.4s/m，流速大者取大值。
三、收缩段、扩散段和弯曲段设计
在急流中，由于边墙改变方向，水流受到扰动，就会引起冲击波。冲击波的波动范围可能延伸很远，使水流沿横剖面分布不均，从而增加边墙高度，并给泄槽工作及出口消能带来不利影响。设计的任务就在于使冲击波的影响减到最小。
1．收缩段
合理的收缩段应当是：引起的冲击波的高度最小和减少或尽可能消除收缩以下的泄槽中的水流扰动。
工程中常见的收缩段是采用两侧对称的逐渐收缩的边墙。根据冲击波理论，冲击波的最大波高决定于侧墙偏转角
θ，偏转角θ大，最大波高也增大，而与边墙的曲率半径无关。
对长度相同的收缩段，反曲线边墙从开始转向至中部反弯点处的总偏转角θ1要比直线边墙的偏转角θ2大，所以冲击波较高。因此，从产生波高大小的观点看，宜采用直线边墙收缩段，但在转角处可以局部修园。
在直线边墙收缩段中，由于边墙向内偏转θ角，急流受边墙阻碍，迫使水流从收缩边墙起点开始沿边墙转向，发生水面局部雍高的正扰动，雍高的扰动线在交汇后经传播，再发生折射，在收缩段末端因边墙向外偏转，水流失去依托而发生水面局部跌落的负扰动，其扰动线也向下游传播。由于这些作用叠加的结果，将使下游流态更为复杂。如果能使正扰动的反射和负扰动的反射同时在同一点发生，两者互相抵消，结果使在折射点以下的下泄水流被导向与边墙平行，扰动减至最小。
根据动量原理，偏转角θ和产生冲击波后的水深之间的关系为：
h2tgβ1 （5） h=
1tg(β1−θ)
2
tgθ=
tgβ1(+8Fr1sin2β1−3) （6）
2tg2β21+(+8Fr1sin2β1−1)
式中：θ ——边墙偏转角，（º）；
β1——收缩段进口冲击波传播的波角，（º）； h1 ——收缩段进口处水深，m；
h2 ——受冲击波扰动后的水深，m；
Fr1——收缩段进口处弗汝德数；
Fr2——收缩段出口处弗汝德数。
用⑸和⑹两式直接求解相当繁琐。为此，在计算中常使用诺谟图求得收缩段的偏转角θ。并根据几何条件即可求得收缩段长度L。
2．扩散段
扩散段必须保证水流扩散时不发生脱离边墙的现象。目前扩散段冲击波理论还很不成熟，解决问题的最好办法是通过模型试验，找出良好的边墙体形。在初步设计时，可根据急流与边墙不发生分离的条件来确定扩散角ϕ。
tgϕ≤
1
kFr=kν
（7） 式中 ϕ——扩散段边墙与泄槽中心线夹角，（º）；
Fr——扩散段起始断面的弗汝德数； h——扩散段起始断面的平均水深，m；
ν
——扩散段起始断面的的平均流速，m/s；
k——经验系数，可取k=1.5~3.0，当槽底为水平时取
小值，槽底为斜坡时取大值。
在扩散段，弗汝德数Fr是沿程变化的，按⑺式求得的扩散角也应是沿程变化的。在实际设计时采用单一的扩散角，按直线扩散的扩散角ϕ一般不宜超过6~8º。
3．弯曲段
弯曲段水流流态复杂，不仅因受离心力作用，导致外侧水深加大，内侧水深减小，造成断面内的流量分布不均；而且由于边墙转折迫使水流改变方向，产生冲击波。因此，弯道段设计的主要问题在于使断面内流量分布趋近均匀，消除或抑制冲击波。当波高较小，能量损失可忽略时，泄槽急流弯道段内外侧横向水位差按小扰动冲击波理论计算。
（1）波角可按式⑻计算，最大横向水面差所在断面的转角θ0可按式⑼计算，边墙水深按式⑽计算，各符号定义见图
2。
图2 弯道冲击波计算简图
a.波角β1按下式计算：
sinβ1=
1gh1Fr=
（8）1
ν 1
130 中 国 水 运 第11卷 式中 Fr1——扰动线上游来流弗洳德数；
h1——扰动线上游来流断面水深，m；
ν1——扰动线上游来流断面流速，m/s。
b.最大横向水面差所在断面位置转角θ0按下式计算：
θb0=arctg
（9） (r0+b/2)tgβ1
式中 b——弯道槽宽，m；
r0——弯道中心线的曲率半径，m；
β1——波角，
（º）； θ0——第一个外侧最高水位所对应的圆心角，（º）。
c.边墙水深按下式计算：
θ （10）
1±θ=tg−1
Fr2−1
−tg−1
1Fr2−1
式中：θ——弯道圆心角，（º）；
Fr——相应转角θ处，内、外侧水流弗洳德数； θ1——积分常数，根据θ=0，h=h1，Fr=Fr1，按上式确
定。
当已知积分常数θ1时，将θ与θ1相加（当转角向内）或相减（当转角向外），按式⑽可得出沿弯道外侧及内侧相应的弗汝德数、水深及流速。
将按式⑼算得的θ0代入式⑽的θ值，
则可得到弯道段外侧最高水深及内侧最低水深，从而得出最大横向水面差。
（2）弯道段最大横向水面差，可按如下经验公式计算：
2
∆h=K
νb
gr （11）
式中∆h——弯道外侧水面与中心线水面的高差，m；
b——弯道宽度，m；
r0——弯道中心线曲率半径，m； K——超高系数，可按表1查得； g——重力加速度，9.81m/s2。
表1 横向水面超高系数K值
泄槽断面形状
弯道曲线的几何形状
K值
矩形 简单圆曲线 1.0 梯形 简单圆曲线
1.0 矩形 带有缓和曲线过渡段的复曲线 0.5 梯形 带有缓和曲线过渡段的复曲线
1.0 矩形
既有缓和曲线过渡段，槽底又横向坡的弯道
0.5
四、泄槽过水表面不平整度及掺气减蚀设施 1．过水表面不平整度
为了防止空蚀，对过水表面不平整度提出了适当的限制。一方面要严格控制过水表面的施工质量，另一方面要对存在的表面不平整进行磨削处理，以减小不平整的尺寸或改变其形状，使其不致引起破坏。SL253-2000 《溢洪道设计规范》
指出：水流掺气后，不平整度控制标准可适当放宽。当流速为35~42m/s、近壁掺气浓度为3%~4%时，垂直凸体高度不得大于30mm；近壁掺气浓度为1%~2%时，垂直凸体高度不得大于15mm；对于高度大于15mm的凸体，应将其迎水面削成斜坡。在允许高度范围内，所有突体一律按不同水流空化数σ进行磨削处理。其要求见表σ2。
表 2 水流空化数与突体磨削坡度的关系
水流空化数
σ
0.5～0.3
0.3～0.1
垂直水流的磨平坡度 1
1 1
3050100
利用水流掺气，可以减免空蚀破坏。试验表明，掺气水流中空气含量为1.5~2.5%时，混凝土试件的空蚀就大大减少；当空气含量为6~7%时，就可预防空蚀破坏。
掺气装置主要包括两部分：一是借助于低挑坎、跌坎或掺气槽，形成位于射流下面的一个掺气空间；一是通气系统，为射流下面的掺气空间补给空气。掺气装置的主要类型有掺气槽式、挑坎式、跌坎式、挑坎与掺气槽联合式、还有突扩式和分流墩式等。挑坎与掺气槽联合式流态通常较跌坎式和突扩式为好。
五、泄槽边墙高度的确定
泄槽边墙高度根据计算水深，并考虑冲击波、弯道及水流掺气的影响，再加一定的安全超高来确定。
计算水深按宣泄最大泄量时泄槽水面线考虑。 掺气后的水深按公式⑷计算。
安全超高一般取0.5~1.5m。依据设计标准确定。 六、泄槽的衬砌
为了保护泄槽免遭冲刷和岩石不被风化，大中型工程一般都用混凝土衬砌。衬砌接缝表面应平整，要做好接缝止水和底部排水。为增强衬砌稳定，对岩基可用锚筋加固，对土基可采用锚筋桩。对于高水头、大流量的溢洪道为防范空蚀破坏，可设置掺气减蚀装置或控制过水表面不平整度。
七、结语
本文对正槽溢洪道泄槽的平面布置做了简述，提出用分段求和法进行泄槽水面曲线计算的方法，并应用冲击波理论对收缩段、扩散段和弯曲段的水流流态进行了分析，给出了计算公式；同时指出在施工中防范泄槽底板空蚀破坏的具体措施。希望能给相关的工程技术人员一些启迪和帮助，共同搞好正槽溢洪道泄槽的设计，保证工程的安全，为祖国的水利科技事业作出贡献。
参考文献
[1] SL253-2000，溢洪道设计规范.
[2] 天津大学主编.水工建筑物[M].水利电力出版社，1981. [3] 武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室编.水力计
算手册（第二版）[M].中国水利水电出版社，2006.