中小型水庫溢洪道設(shè)計中常見問題及對策

范維

摘要：中小型水庫溢洪道，約占水庫樞紐工程造價的25~30%及勞動力的25%，故溢洪道合理的布局和選型，在水庫工程設(shè)計中是一個比較重要的環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：中小型水庫；土石壩；溢洪道；問題；對策；

中圖分類號：TV651.1文獻標識碼：A文章編號：1674-3520（2014）-06-00247-02一、常見問題

（一）溢洪道是洪水期間保證水庫安全的重要設(shè)施，中小型水庫由于受工程造價的限制，其設(shè)計采用的洪水標準往往偏低、選用洪水數(shù)據(jù)（洪峰、洪量）偏小，因而必然帶來溢洪道設(shè)計尺寸偏小，再加上周邊巖體風(fēng)化坍落，往往造成泄流能力不足，因而不能保證安全泄洪。（二）在布置上，某些工程設(shè)計的溢洪道其進出口段離壩身太近，壩肩與溢洪道之間僅有單薄的山脊相隔。進口段如未進行有效的護砌，泄洪時一旦發(fā)生沖蝕現(xiàn)象，將危及壩肩安全，有些設(shè)計的陡槽末端與壩腳緊貼，如果發(fā)生橫流沖刷，更易危及壩腳安全，因此這二種情況均對大壩的運行安全十分不利。（三）溢洪道設(shè)計的平面彎道半徑過大和收縮過劇，對泄流十分不利。特別在溢洪道陡坡段布置有彎道時，由于彎道流態(tài)、流勢劇烈變化，導(dǎo)致二岸產(chǎn)生了水面差，這時凹岸水面壅高，并在下游銜接的平直段內(nèi)產(chǎn)生折沖水流，大大影響了泄流能力和消能效果。另外陡坡段或緩流段的過劇收縮，也會發(fā)生顯著的壅水和流態(tài)變化，并對溢洪道襯砌造成沖擊，如砌護過高會增加投資，砌護過低了又不安全。（四）溢洪道縱橫剖面及平面布置設(shè)計不當，比較突出的問題是陡坡設(shè)計比降過陡。部分溢洪道布置在非巖性山坡上，其底部未做有效的反濾襯砌，致使?jié)B水后易產(chǎn)生滑坡；結(jié)構(gòu)上也不穩(wěn)定。在橫斷面設(shè)計中，有些工程對兩側(cè)山坡開挖坡度注意不夠，有的過陡，加上襯砌厚度偏薄，不能滿足抗滑抗傾穩(wěn)定，也易造成坍方和滑坡.（五）現(xiàn)有水力設(shè)計方法尚不夠完善，如溢洪道進口布置有引洪平流段的情況下，由于水力計算中忽略了平流段時進口水位的壅高（即水頭損失）。而實際壅高有時較大，不可忽視。有些設(shè)計對溢洪道的消能工的設(shè)計考慮不夠充分，或者型式選擇不當，導(dǎo)致消力墻長度和深度均不能滿足需要，消能不夠充分，致使下游河段發(fā)生嚴重沖刷。（六）有些工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計中對泄洪的特點和基礎(chǔ)特性考慮不周，溢洪道下泄的高速水流具有很強的沖出力、由于急流的摻氣和脈動現(xiàn)象十分顯著常會產(chǎn)生劇烈的震動；有些溢洪道采用低標號的漿砌石或砼砌護，且砌護厚度與邊坡砌護高度都不能適應(yīng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求，因而不能抵御高流速的沖刷.

二、設(shè)計對策

溢洪道設(shè)計中掌握的基本資料是否充分與完善，選用的設(shè)計標準是否恰當，均直接影響到整個工程的安全及經(jīng)濟，現(xiàn)就有關(guān)問題談一些看法：

（一）規(guī)劃布局：溢洪道工程的規(guī)劃布局應(yīng)盡量利用有利地形地貌，即要經(jīng)濟合理又要保證安全。如大壩附近有天然山坳可以布設(shè)溢洪道則最為理想，如主壩口子狹窄無法布置正堰則可考慮選擇側(cè)槽式溢洪道。其規(guī)劃布置的主要原則是：基礎(chǔ)堅硬均一，線路短，無彎道，出口遠離壩體；工程嚴禁布置在滑坡或崩塌體地上。溢洪道通常有四個主要部分組成：引流段（近口段）、控制段（堰流段）、泄流段（陡坡、急流段）及消能工。

1、引流段（近口段）：為引流平順其進口形狀最好做成喇叭口，為減小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)狻⑦€應(yīng)使彎道與下游銜接段和出口段盡量遠離壩腳，以免沖刷壩腳。引流段截面一般選用梯形或矩形，當流速≤1~2米/秒時一般可不砌護，但與壩端鄰近和緊接控制建筑物的范圍內(nèi)應(yīng)砌護一定長度，同時在彎道二側(cè)的凹岸亦應(yīng)砌護，如為堅硬的巖基則可不考慮。

2、控制段（堰流段）：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)。

3、泄流段（陡坡、急流段）：該段平面均采用直線布置，并盡量避免彎道和設(shè)置扭坡順引流態(tài)的急驟變化甚至產(chǎn)生負壓；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)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)條件選擇進行設(shè)計，一般漿砌石用0.5~1.0m，砼0.2~0.5m，鋼筋砼0.15~0.3m（砼與鋼筋砼基部還應(yīng)設(shè)0.3~05m厚的漿砌石底砌護），其坡度一般以≤1/2.5為宜。

4、消能工：在泄水段末端需設(shè)置消能工，其具體選擇型式可根據(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)使其泄流方向遠離壩腳≥100~150m。對于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；

5、側(cè)槽段（指側(cè)堰深槽式溢洪道）：該段布置應(yīng)垂直于來水流向，其長度可根據(jù)等高線向上游延伸，水流特點是側(cè)向進流，縱向泄流。

側(cè)堰與深槽連接的漸變過渡段，其收縮角應(yīng)控制在12°左右，其長度一般為槽內(nèi)水深的3~5倍，其主要作用是避免槽內(nèi)波動和橫向旋滾的水流直接進入陡坡段。

（二）水利計算：為使水力計算與工程特性相一致，故正確選用計算公式十分重要。

1、引流段的水力計算：可采取自下游控制斷面向上游反推求水面曲線的方法進行（如查爾諾門斯基方法），引流段進口處端須先計算水位壅高，才能求得泄洪時的正確庫水位。

2、控制段的匯流計算：可根據(jù)“溢流堰水力計算設(shè)計規(guī)范”建議的方法計算，同時正確選用流量系數(shù)時并使其與選用的堰型相一致。

3、泄流段陡槽水力計算：推求陡槽段水面曲線的方法較多，如陡槽底寬固定不變時，可采用BⅡ型降水曲線或用查爾諾門斯基方法計算；對底寬漸變的陡槽段則可用查氏方法分段詳算。

4、消能設(shè)施的水力計算：采取底流式消能可以采用A?C:巴什基洛娃圖表計算。由于巴氏對各種消能設(shè)備的計算方法與步驟均較明確、詳細，計算省時又能保證精度；但是我們在選定消能設(shè)施的尺寸時應(yīng)該留有余地，對于一些重要的中型水庫其水力計算成果還應(yīng)通過模型試驗加以驗證；至于挑射消能計算，目前還未找到一種比較成熟適用的計算方法。

5、側(cè)槽段的水力計算：過去采用的“扎馬林法”由于計算時采用了均勻流假定，而實際水流狀態(tài)是沿程變量流，故不符合適用于均勻流的謝才公式，因而與實際泄流情況有較大出入。

（三）結(jié)構(gòu)計算：為保證建筑物安全穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)計算是不可缺少的，除一些護坡及擋土墻的穩(wěn)定可按一般方法計算外，必須進行陡坡面砌護厚度與消力池底板的穩(wěn)定分析，而對挑射消能則應(yīng)進行鼻坎的穩(wěn)定與基礎(chǔ)應(yīng)力計算。

1、陡坡的護砌厚度應(yīng)滿足滑動安全，設(shè)置伸縮縫沉陷縫以后，坡面砌護類似大面積薄板，故對基礎(chǔ)應(yīng)力以及傾復(fù)穩(wěn)定一般可不須計算，其主要控制條件是滑動穩(wěn)定，作用在護面上的滑動力主要有水流拖泄力、砌體自重順坡方向的分力及護面凸體（如伸縮縫）產(chǎn)生的阻力,其抗滑安全系數(shù)應(yīng)≥1.3~1.5即為安全。

2、消力池底板厚度應(yīng)滿足抗浮穩(wěn)定要求，由于底板四周邊界的約束作用，一般沒有滑動問題，因此僅需對其抗浮要求進行穩(wěn)定計算。作用在底板上的上浮力包括滲透壓力、脈動壓力、底板上凸出體產(chǎn)生的上舉力，以及下游消力池水深與水躍段內(nèi)壓力差?？垢×Πǖ装宓母≈睾偷装迳系乃?，其抗浮安全系數(shù)≥1.3~1.5即為安全。