水庫溢洪道的防洪設(shè)計(jì)分析與探討

劉新莊

【摘 要】溢洪道的設(shè)計(jì)和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關(guān)系到整個(gè)工程造價(jià)。土石壩一般中小型溢洪道，約占水庫樞紐工程造價(jià)的25～30%及勞動(dòng)力的25%，故溢洪道合理的布局和選型，在水庫工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】土石壩；水庫溢洪道；問題

Flood Control Design Analysis and Discussion reservoir spillway

Liu Xin-zhuang

（Hydro and Power Design Institute Turpan area Turpan Xinjiang 838000）

【Abstract】Spillway design and reasonable arrangement or not， not only directly affect the safety of the reservoir， but also to the entire project cost. Most small and medium embankment dam spillway， about 25 to 30% and 25% of the workforce hydraulic project cost， so the spillway reasonable layout and selection， reservoir engineering design is a more important part.

【Key words】Embankment dam；Spillway；Problem

溢洪道的設(shè)計(jì)和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關(guān)系到整個(gè)工程造價(jià)。土石壩一般中小型溢洪道，約占水庫樞紐工程造價(jià)的25～30%及勞動(dòng)力的25%，故溢洪道合理的布局和選型，在水庫工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)。

1. 常見問題

1.1 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(jià)的限制，其設(shè)計(jì)采用的洪水標(biāo)準(zhǔn)往往偏低、選用洪水?dāng)?shù)據(jù)（洪峰、洪量）偏小，因而必然帶來溢洪道設(shè)計(jì)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。

1.2 在布置上，某些工程設(shè)計(jì)的溢洪道其進(jìn)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(jìn)口段如未進(jìn)行有效的護(hù)砌，泄洪時(shí)一旦發(fā)生沖蝕現(xiàn)象，將危及壩肩安全，有些設(shè)計(jì)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(yùn)行安全十分不利。

1.3 溢洪道設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)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(huì)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(hù)過高會(huì)增加投資，砌護(hù)過低了又不安全。

1.4 溢洪道縱橫剖面及平面布置設(shè)計(jì)不當(dāng)，比較突出的問題是陡坡設(shè)計(jì)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(jì)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；平面布置上，存在著上下游斷面連接不配套，形成“瓶頸”現(xiàn)象，從而影響了泄洪能力；此外溢洪道末端與河道銜接部分注意不夠，導(dǎo)致有的末端高出河床很多，有的末端未做砌護(hù)處理，常造成嚴(yán)重沖刷，并向上延伸，直至整個(gè)建筑物破壞。

1.5 現(xiàn)有水力設(shè)計(jì)方法尚不夠完善，如溢洪道進(jìn)口布置有引洪平流段的情況下，由于水力計(jì)算中忽略了平流段時(shí)進(jìn)口水位的壅高（即水頭損失）。而實(shí)際壅高有時(shí)較大，不可忽視。有些設(shè)計(jì)對溢洪道的消能工的設(shè)計(jì)考慮不夠充分，或者型式選擇不當(dāng)，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(yán)重沖刷。

另在側(cè)槽式溢洪道設(shè)計(jì)中，過去大多采用“扎馬林法”進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)多年實(shí)踐及水工模型試驗(yàn)證明：使用該法計(jì)算所確定的水面坡降偏小，導(dǎo)致側(cè)槽深度不夠，流量系數(shù)減小，使側(cè)堰局部呈現(xiàn)淹沒出流，其實(shí)際泄洪流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的泄量，因而對工程是不安全的。

1.6 有些工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對泄洪的特點(diǎn)和基礎(chǔ)特性考慮不周，溢洪道下泄的高速水流具有很強(qiáng)的沖出力、由于急流的摻氣和脈動(dòng)現(xiàn)象十分顯著常會(huì)產(chǎn)生劇烈的震動(dòng)；有些溢洪道采用低標(biāo)號(hào)的漿砌石或砼砌護(hù)，且砌護(hù)厚度與邊坡砌護(hù)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；有些非巖基上的溢洪道設(shè)計(jì)時(shí)，底部幾乎沒有反濾排水設(shè)備，極易發(fā)生塌滑；有些大面積圬工砼襯砌由于未設(shè)伸縮沉陷縫，致使溢洪道襯砌發(fā)生一些裂縫，總之這些都使工程安全受至影響。

2. 設(shè)計(jì)對策

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

2.1 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(jì)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(jiān)硬均一，線路短，無彎道，出口遠(yuǎn)離壩體；工程嚴(yán)禁布置在滑坡或崩塌體地上。溢洪道通常有四個(gè)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。

2.1.1 引流段（近口段）。為引流平順其進(jìn)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(shí)，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(yuǎn)離壩腳，以免沖刷壩腳。引流段截面一般選用梯形或矩形，當(dāng)流速≤1～2米/秒時(shí)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(shí)在彎道二側(cè)的凹岸亦應(yīng)砌護(hù)，如為堅(jiān)硬的巖基則可不考慮。

2.1.2 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)。

2.1.3 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(fù)壓；其縱斷面設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(hù)），其坡度一般以≤1/2.5為宜。

新鮮巖基上的泄水道，可不砌護(hù)；如為松軟風(fēng)化巖石仍須用0.3～0.5m的漿砌石或0.2m厚的砼作砌護(hù)，并加設(shè)錨固筋；如需大面積砼襯砌則應(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(shí)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(diǎn)，邊坡的砌護(hù)高度應(yīng)有適當(dāng)超高。

2.1.4 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(yuǎn)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(yuǎn)驅(qū)式水躍，由于極易造成沖刷，此時(shí)可考慮采用差動(dòng)式消力檻形式；在巖基上，如溢洪道尾端有較陡邊坎時(shí)，采用挑射消能較為有利（但需考慮高空擴(kuò)散氣流及下游沖刷對周圍影響），由于這種形式可省去消力池、護(hù)坦與海漫等工程，由于其工程量小、造價(jià)低，因而常被采用。根據(jù)工程實(shí)踐鼻坎形式以矩形差動(dòng)式最好，但鼻坎以上陡坡最好做成矩形斷面，千萬不可作成梯形斷面以免需用扭坡與鼻坎銜接。

2.1.5 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(diǎn)是側(cè)向進(jìn)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(dòng)和橫向旋滾的水流直接進(jìn)入陡坡段。

2.2 水利計(jì)算。為使水力計(jì)算與工程特性相一致，故正確選用計(jì)算公式十分重要。

2.2.1 引流段的水力計(jì)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(jìn)行（如查爾諾門斯基方法），引流段進(jìn)口處端須先計(jì)算水位壅高，才能求得泄洪時(shí)的正確庫水位。

2.2.2 控制段的匯流計(jì)算：可根據(jù)“溢流堰水力計(jì)算設(shè)計(jì)規(guī)范”建議的方法計(jì)算，同時(shí)正確選用流量系數(shù)時(shí)并使其與選用的堰型相一致。

2.2.3 泄流段陡槽水力計(jì)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(shí)，可采用BⅡ型降水曲線或用查爾諾門斯基方法計(jì)算；對底寬漸變的陡槽段則可用查氏方法分段詳算。

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

2.2.5 側(cè)槽段的水力計(jì)算：過去采用的“扎馬林法”由于計(jì)算時(shí)采用了均勻流假定，而實(shí)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(shí)際泄流情況有較大出入。

（1）近年來有些水利科技工作者根據(jù)水流動(dòng)量或能量關(guān)系而建議采用的水面曲線推算的公式比較符合實(shí)際泄流情況，如“西南水工所在《中小型水庫側(cè)槽式溢洪道的設(shè)計(jì)》一書中介紹的公式”、“美國《小壩設(shè)計(jì)》一書中用的公式”、以及“浙江省《水利科技情報(bào)》77年第三期介紹的南斯拉夫哈丁公式”等均與水工模型試驗(yàn)吻合。其中南斯拉夫的哈丁公式又可結(jié)合實(shí)際驗(yàn)算，計(jì)算方法簡便、省時(shí)，故可供設(shè)計(jì)參考。由于側(cè)槽內(nèi)實(shí)際的流態(tài)十分復(fù)雜，故在堰頂對面的岸坡水面要比平均水位抬高5～20%，因此其設(shè)計(jì)的襯砌的高度、厚度要要考慮上述影響。

（2）由于側(cè)槽式溢洪道在側(cè)向進(jìn)流時(shí)，水流的沖擊、摻氣和槽內(nèi)水流波動(dòng)很大，流態(tài)十分復(fù)雜，故精確計(jì)算十分困難，因此對于重要的大中型水庫其側(cè)槽式溢洪道設(shè)計(jì)需依據(jù)水工模型試驗(yàn)來確定其相應(yīng)尺寸。

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

2.3.1 陡坡的護(hù)砌厚度應(yīng)滿足滑動(dòng)安全，設(shè)置伸縮縫沉陷縫以后，坡面砌護(hù)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(jì)算，其主要控制條件是滑動(dòng)穩(wěn)定，作用在護(hù)面上的滑動(dòng)力主要有水流拖泄力、砌體自重順坡方向的分力及護(hù)面凸體（如伸縮縫）產(chǎn)生的阻力；抗滑力則包括砌體自重垂直坡面的分力和水流靜壓力（需扣除高速水流的脈動(dòng)壓力）、護(hù)面上的上舉力和滲透壓力，其抗滑安全系數(shù)應(yīng)≥1.3～1.5即為安全。

2.3.2 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(dòng)問題，因此僅需對其抗浮要求進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。作用在底板上的上浮力包括滲透壓力、脈動(dòng)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。

2.3.3 挑流鼻坎的尺寸應(yīng)滿足滑動(dòng)穩(wěn)定、傾復(fù)穩(wěn)定和允許的基礎(chǔ)應(yīng)力。作用于鼻坎上的向下的垂直力包括鼻坎自重、鼻坎上的水重，挑流曲面離心力的垂直分力；向上的垂直力包括脈動(dòng)力、滲透壓力、鼻坎下游尾部形成的上浮力、以及鼻坎上凸出體產(chǎn)生的上舉力。作用于鼻坎的水平推力包括水流的拖泄力，挑流時(shí)其鼻壩曲面離心力的水平分力，以及鼻坎上凸出體產(chǎn)生的水平分力。按一般力學(xué)方法計(jì)算鼻坎的滑動(dòng)與傾復(fù)穩(wěn)定時(shí)其要求抗滑安全系數(shù)≥1.3～1.5，抗傾安全系數(shù)≥1.5，同時(shí)計(jì)算上述各力的合力，其作用點(diǎn)應(yīng)位于基礎(chǔ)面中三分點(diǎn)之內(nèi)，且基礎(chǔ)最大與最小應(yīng)力比值≤3～5，以避免發(fā)生不均勻沉陷。

3. 小結(jié)

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(jì)算及結(jié)構(gòu)計(jì)算層層把關(guān)，保證工程安全經(jīng)濟(jì)可行。