前言
随着我国经济建设的快速持续发展，能源供应日益紧张，很多国家越来越重视水力发电这种清洁能源的开发。我国的水能资源丰富，理论蕴藏量是6.76亿kW，为发展这一资源优势，至1999年我国已经建成如长江三峡、黄河小浪底、葛洲坝、二滩、小湾等数千座大型水利枢纽。21世纪以来，为满足能源需求增长需要和实现可持续发展，我国加快了水电开发步伐，兴建了一大批高坝、高水头、大流量的巨型水电工程，这些工程的坝高可达到200m以上，泄洪流速将超过50m/s，而且这些工程大都修建在河谷十分狭窄，地质条件十分复杂的山区，加上泄洪流量大，泄洪建筑物的水力设计和消能防冲问题的研究成了工程建设的关键性技术难题。
溢洪道作为一种泄水建筑物在水利枢纽工程中应用广泛，无论是在早期的低水头水利枢纽工程中，还是在当前出现的高水头水利枢纽工程中，溢洪道都发挥着重要的泄洪作用。它用于宣泄规划库容所不能容纳的洪水，防止洪水漫溢坝顶，保证大坝安全。溢洪道的设计除了应具备足够的泄流能力外，还应保证其在工作期间的自身安全和下泄水流与原河道水流获得妥善的衔接。溢洪道根据自然条件、工程特点、综合利用要求、枢纽布置要求、施工及运用条件、经济指标等因素，布置形式多样，设计体形各不相同。按其与坝的相对位置可分为河床式和河岸式两类，其中混凝土重力溢流坝常采用河床式溢洪道，其经坝体溢洪或泄洪，既是挡水建筑物又是泄水建筑物，枢纽布置紧凑、管理集中，经济合理。而河岸式溢洪道适合于那些不容许从坝身溢流的土坝、堆石坝以及轻型坝，常选择在坝体以外的岸边或天然垭口处修建溢洪道。实际工程中，河岸式陡槽溢洪道是一种最常见的泄洪建筑物。在工程实践中，常因地质、地形、工程结构、枢纽整体布置等条件的限制，溢洪道在平面上不得不扭转一个角度，被设计成曲线弯道的形式，或者在平面上出现收缩或扩散，这类体型的溢洪道不但可以充分利用地形，而且可以减少工程量，节省工程造价。而这种陡槽弯道内的水流流态、流势剧烈变化，还常存在急流冲击波，这为工程设计带来很大困难。
为了充分利用地形而采用带有平面转角的曲线型弯道溢洪道在实际工程中又会带来新的问题，这就是当下泄流量较大且为急流时，水流在通过弯道时，由于弯道边墙偏转变化，水流产生的不对称性会导致折冲水流出现冲击波。产生冲击波后，冲击波使波峰和波谷在溢洪道两岸交替出现，致使水面超高加剧，使溢洪道内水流流态恶化，特别是在弯道前面接有陡坡的溢洪道，水流在通过陡坡段时，具有单宽流量大、流速高、能量集中的特点，再经过弯道时所产生的冲击波将更为强烈，溢洪道内水流流态更为恶劣，如不采取工程措施加以削减，大流量时就可能会造成漫顶事故，也可能由于不对称入流导致消力池或挑坎被冲毁。随着高水头水利枢纽的兴建，高速水流泄水建筑物在平面上更是难免要出现收缩、扩展和弯道，随之出现的折冲水流产生的急流冲击波导致不对称入流问题也就更为突出，如何改变不对称入流条件成为底流和挑流消能中一个比较突出的问题。
目前，国内外对于弯道水流特性、不对称入流条件下挑流水舌、消力池中水流流场及消能机理等研究得较少，有许多急需解决的问题；如水流不均匀度对挑流水舌、冲坑或消力池中水流流场状况及消能效果的影响；弯曲段及消能段水流的三维特性等。这些问题一直受到人们的关注，利用原型观测、试验研究、理论分析和数值模拟的手段不断探索研究，已取得了许多成果，但由于弯道水流的三维性、弯道体型的差异，水工建筑弯道水流特性研究的深度和广度离工程实践的要求尚有不小的距离，还有大量的研究工作要做。
水利水电工程泄洪消能的主要目的是通过坝身孔口、溢洪道或者泄洪隧洞将大量的洪水安全地宣泄到下游。如果泄洪消能问题处理不好，不仅将在下游河床产生严重的冲刷，而且会造成恶劣的流态，影响枢纽中其他建筑物的正常运行，甚至会危及大坝的安全。因此，泄洪消能成为工程设计中的关键性技术难题。
长期以来，物理模型试验一直是解决工程问题的主要方法之一。近30年来，随着计算机技术的飞速发展，许多学者开始用计算机对弯道水流的运动进行数值模拟。数值模拟及相应软硬件条件有了很大的发展。采用应用软件模拟其运动规律的可能性日益增大，它具有省时、省钱，可直接按照原型尺寸、参数进行计算，在短时间内模拟长时间的运动规律的优点，可以明显节省开支，缩短时间，并且能够解决一些实体模型难于观测的问题，在研究和解决大量生产实际问题中发挥着越来越重要的作用。本书采用模型试验、数值模拟的方法对汤河水库弯曲形溢洪道进行了研究，尝试系统研究和定量分析水力特性及消能问题，以便发现一些规律。
全书共分六章，内容包括绪论、溢洪道模型设计与试验方案、溢洪道水流特性分析、弯道水流数值模拟、挑流消能研究、结论与展望。本书为作者多年来在弯曲形溢洪道水力特性及消能方面的研究成果总结，这些成果或论文的部分曾分别以不同形式公开发表过，这里有选择地进行了取舍。王立群、董延超、王立松和周丽丽参与了试验、计算和报告撰写的部分工作，张春雷、孟飞、金明星、伯彦萍和田茹妍参与了文字校对和插图制作，在此表示诚挚感谢。
由于作者水平所限，因此缺点和错误在所难免，诚挚期盼得到各方面读者的批评指正。
郭维东 王毅
2015年10月