中小型水庫溢洪道設(shè)計常見問題及對策

□ 陳曉明

一、引水渠的底寬和流速

引水渠的作用是將水庫的水平順地引至控制堰前，其設(shè)計原則是在合理的開挖方量下盡量減小水頭損失，以增加溢洪道的泄水能力，而引水渠的底寬和流速是兩個比較重要的控制因素。引水渠橫斷面一般選用梯形或矩形。為引流平順，其進(jìn)口形狀最好做成喇叭口，為減小水頭損失其長度不宜過長。如因地形所限必須在該段內(nèi)設(shè)置彎道時，則應(yīng)使彎曲段盡量平緩?fù)膺€應(yīng)使彎道與下游銜接段和出口段盡量遠(yuǎn)離壩腳，以免沖刷壩腳。為防止泄洪時引水渠兩側(cè)產(chǎn)生不對稱的回流或立軸旋渦轉(zhuǎn)向慣性力引起的堰前橫向坡降，導(dǎo)致過堰水流不均，減小泄流能力，規(guī)范規(guī)定引渠底寬可為等寬或順?biāo)鞣较蚴湛s，在與控制段連接處應(yīng)與溢流前沿等寬。

引水渠內(nèi)水流流速對工程量和水頭損失有較大影響。按規(guī)范對34個工程資料統(tǒng)計分析，設(shè)計流速低于3m/s的共9個，占26.47%；設(shè)計流速在 3m/s～5m/s之間的共 18個，占52.94%；設(shè)計流速高于5m/s的共7個，占20.59%。彼此相差也頗大，如西排子河水庫的流速僅0.73m/s，而碧口的流速在設(shè)計工況下為5.58m/s，保壩工況下為8.63m/s。一般規(guī)定進(jìn)水渠設(shè)計流速不大于4m/s，以控制在1～2m/s為宜。對于地勢較高，山坡較陡，開挖方量很大的河岸溢洪道，進(jìn)水渠設(shè)計流速可以適當(dāng)提高，但應(yīng)盡量縮短進(jìn)水渠的長度，減少進(jìn)水渠的水頭損失。進(jìn)水渠進(jìn)口的流速應(yīng)低于渠內(nèi)流速，一般控制在2.5m/s以下為宜。當(dāng)流速≤1～2m/s時一般可不砌護(hù)，但與壩端鄰近和緊接控制建筑物的范圍內(nèi)應(yīng)砌護(hù)一定長度，同時在彎道兩側(cè)的凹岸亦應(yīng)砌護(hù)，如為堅硬的巖基則可不考慮。

二、控制段的堰型選擇

控制段控制水庫的水位和下泄流量，是溢洪道的咽喉， 為使泄流均勻，可使近口水流垂直于控制段建筑物；根據(jù)地形條件和泄流需要必需設(shè)置寬頂堰或?qū)嵱脭嗝嫜?，堰寬度可按允許單寬流量選定，巖基上單寬流量為40～70m3/s，非巖基上為20～40m3/s，土基上為20m3/s。除近口段設(shè)有引流段外，一般應(yīng)使堰頂寬度≤3h堰（h堰為堰上水頭，單位m）；為使水流平順，堰口與其上游引流段可采用漸變段連接，其收縮角以12度左右為宜。如堰體較寬則應(yīng)在其橫向設(shè)置溫度縫與沉陷縫，其間距可按10～15m布設(shè)。其常用的堰型有寬頂堰、實用堰。

寬頂堰結(jié)構(gòu)簡單，施工方便。但流量系數(shù)較低，在相同條件下，其所需要的溢流前緣要比實用堰長，土石挖方較大。一般多用于泄洪量不大或附近地形平緩、高程適宜的中小型水庫中。

由于實用堰流量系數(shù)大，當(dāng)岸坡較陡時，采用實用堰可以減少開挖方量，多用于大中型工程。在溢洪道上經(jīng)常采用的實用堰型有WES型和駝峰堰。WES堰的流量系數(shù)較大，堰型較優(yōu)，推薦優(yōu)先采用。駝峰堰的堰面是由幾個半徑不同的圓弧組成，施工簡單，地基應(yīng)力分布比較均勻，整體穩(wěn)定性較好，適用于軟弱地基條件，其流量系數(shù)要比寬頂堰大。而值得一提的是，為尋找高水頭溢洪道中低堰用的較理想體形，有學(xué)者對機翼形堰進(jìn)行了水工物理模型和數(shù)學(xué)模型的綜合研究，結(jié)果表明機翼形堰是很適用于高水頭溢洪道上以低堰狀態(tài)工作的堰型，而以盡可能大的流量系數(shù)和盡可能小的負(fù)壓絕對值作全面比較，機翼形堰還稍勝WES堰一籌。并且機翼形堰具有堰形參數(shù)少、便于設(shè)計施工，堰頂部分較平緩、易于布置閘門，下游堰面曲線有漸變的斜率便于和各種縱坡槽底相切等優(yōu)點。筆者認(rèn)為，機翼堰也是一種值得推廣應(yīng)用的堰型。

三、泄流段（陡坡、急流段）結(jié)構(gòu)設(shè)計

該段平面均采用直線布置，盡量避免彎道和設(shè)置扭坡順引流態(tài)的急驟變化產(chǎn)生負(fù)壓；其縱斷面設(shè)計應(yīng)因地制宜地根據(jù)地形、地質(zhì)而選用緩坡、陡坡或多級躍水等多種形式。陡坡段應(yīng)盡量采用均一比降，由于泄水段流速很高，故應(yīng)盡量布置在巖基上。如為非巖基則該段襯砌厚度應(yīng)按允許流速與地質(zhì)條件選擇進(jìn)行設(shè)計，一般漿砌石厚度為50～100cm，混凝土厚度為20～50cm，鋼筋混凝土厚度為15～30cm（混凝土與鋼筋混凝土基部還應(yīng)設(shè)30～50cm厚的漿砌石底砌護(hù)），其坡度一般以≤1/2.5為宜。

新鮮巖基上的陡坡段可不砌護(hù)；如為松軟風(fēng)化巖石仍須用30～50cm的漿砌石或20cm厚的混凝土作砌護(hù)，并加設(shè)錨固筋；如需大面積混凝土襯砌則應(yīng)按地質(zhì)情況，結(jié)合溫度變化布置伸縮縫和沉陷縫，兩側(cè)邊坡可僅設(shè)橫縫，底部則應(yīng)設(shè)縱橫縫，間距一般為8～12m，同時在襯砌底部需敷設(shè)排水的反濾料；考慮高速水流摻氣的特點，邊坡的砌護(hù)高度應(yīng)有適當(dāng)超高。

四、消能設(shè)施的選擇

在泄水段末端需設(shè)置消能工，其具體選擇形式可根據(jù)地形、地質(zhì)和水力條件的要求而定。采用多級躍水或溢洪道末端的躍流段應(yīng)使其泄流方向遠(yuǎn)離壩腳≥100～150m。在非巖基上，一般均采用底流消能，并在末端設(shè)置消力池。如泄流量不大，亦可考慮消力檻形式；如為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，由于極易造成沖刷，此時可考慮采用差動式消力檻形式；如溢洪道尾端有較陡邊坎，且下游為巖基時，采用挑流消能較為有利（但需考慮高空擴散氣流及下游沖刷對周圍的影響），由于這種形式可省去消力池、護(hù)坦與海漫等工程，因而工程量小、造價低，常被采用。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，鼻坎形式以矩形差動式最好，但鼻坎以上陡坡最好做成矩形斷面，千萬不可做成梯形斷面，以免需用扭坡與鼻坎銜接。

五、小結(jié)

以上提出的幾個問題只是筆者在溢洪道設(shè)計工作中總結(jié)出來的一部分，希望能給相關(guān)的工程技術(shù)人員提供一些參考。針對中小型溢洪道常出現(xiàn)的問題，應(yīng)從資料收集、規(guī)劃布局、水利計算及結(jié)構(gòu)計算等方面層層把關(guān)，保證工程安全經(jīng)濟可行。