試析中小型水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題及其改進(jìn)措施

代興勇 范文仁

昆明龍慧工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，云南昆明 650000

溢洪道設(shè)計(jì)具有非常重要的作用，它直接影響著整個(gè)工程是否能夠用到現(xiàn)實(shí)中，充分發(fā)揮它的防洪作用，溢洪道設(shè)計(jì)的合理性能夠提高施工的效率，降低成本，可控制投資成本，按照預(yù)算的資金進(jìn)行施工。溢洪道在中小型水庫(kù)樞紐工程中一般占到30%的造價(jià)，因此，其布局、選型等都是中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。

1 中小型水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

1.1 溢洪道實(shí)際設(shè)計(jì)中所采用的標(biāo)準(zhǔn)較低

溢洪道是確保汛期水庫(kù)安全的基礎(chǔ)設(shè)施，但是受到水利工程建設(shè)造價(jià)的限制，中小型水庫(kù)的設(shè)計(jì)所采取的標(biāo)準(zhǔn)一般較低，如針對(duì)的洪水洪峰、洪量都較小，這種低標(biāo)準(zhǔn)必然會(huì)造成溢洪道設(shè)計(jì)尺寸不足，特別是在汛期會(huì)出現(xiàn)泄流能力不足的情況，無(wú)法保證中小型水庫(kù)的整體安全[1]。

1.2 溢洪道設(shè)計(jì)的進(jìn)出口布局、彎道半徑、平面布置和縱橫剖面設(shè)計(jì)存在缺陷

中小型水庫(kù)的溢洪道進(jìn)、出口距離水壩的壩身較近，在溢洪道、壩肩之間的間隔只有較為薄弱的山脊，在溢洪道的進(jìn)口段部分未能進(jìn)行砌筑保護(hù)，若在泄洪過(guò)程中出現(xiàn)沖蝕問(wèn)題，就會(huì)造成壩肩失穩(wěn)，產(chǎn)生安全問(wèn)題；部分溢洪道設(shè)計(jì)過(guò)程中，陡槽末端緊貼壩腳，若存在橫流沖刷問(wèn)題，會(huì)造成壩腳安全問(wèn)題，這兩種形式的布局都存在缺陷，容易引發(fā)相應(yīng)的安全問(wèn)題。

中小型水庫(kù)的溢洪道彎道半徑若設(shè)計(jì)的過(guò)大、過(guò)小都會(huì)影響溢洪道泄洪，特別是當(dāng)溢洪道陡坡段存在彎道時(shí)，水利勢(shì)能會(huì)在有限的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)劇烈變化，正規(guī)泄洪彎道的流態(tài)也在變化，會(huì)造成水庫(kù)兩側(cè)坡岸位置產(chǎn)生水位差，而在下游平直段又會(huì)出現(xiàn)折沖水流，影響溢洪道的整體泄流能力。

在泄洪道的平面布置、縱橫剖面設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于其整體的陡坡設(shè)計(jì)不合理，整體的陡坡設(shè)計(jì)比降過(guò)快，加上部分溢洪道分布于非巖性山坡區(qū)域，底部缺少反濾襯砌，造成滲水后出現(xiàn)滑坡危險(xiǎn)。整體的橫斷面設(shè)計(jì)過(guò)程中，部分工程存在開(kāi)挖山坡坡度不足的情況，加上底部的襯砌厚度較薄，無(wú)法起到應(yīng)有的穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)塌方、滑坡等類型的問(wèn)題。而平面布置上，存在一系列的上下游斷面連接問(wèn)題，容易形成“瓶頸”，影響整體泄洪能力[2]。

1.3 水力設(shè)計(jì)及其計(jì)算存在問(wèn)題

中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須進(jìn)行水力計(jì)算，但是當(dāng)前的計(jì)算方式存在缺陷，如：溢洪道進(jìn)口位置一般布有引洪平流的區(qū)段，但是實(shí)際計(jì)算過(guò)程中會(huì)忽略這部分區(qū)段的影響，造成計(jì)算水頭存在損失。若實(shí)際的壅水高度較大時(shí)是無(wú)法忽略這部分影響的。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)溢洪道的消能工設(shè)計(jì)進(jìn)行合理考量，但是實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中卻會(huì)存在忽略這部分內(nèi)容的情況，或者整個(gè)形式選擇不恰當(dāng)，造成消力墻長(zhǎng)度、深度無(wú)法滿足施工需求，不能充分消能，對(duì)下游河段造成嚴(yán)重的沖刷問(wèn)題。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮基礎(chǔ)特點(diǎn)

中小型水庫(kù)的溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，泄洪的特征和基礎(chǔ)的特點(diǎn)考慮不足，造成泄洪道中的水流沖擊力較強(qiáng)，整體的急流摻氣和脈動(dòng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，帶來(lái)了非常嚴(yán)重的劇烈震動(dòng)。部分溢洪道砌護(hù)過(guò)程中強(qiáng)度較低，整體的砌護(hù)系統(tǒng)不能確保溢洪道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無(wú)法保證其能夠經(jīng)受高速水流的沖擊。而對(duì)于一些非巖基溢洪道，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，其底部由于缺少必要的反濾排水系統(tǒng)，容易造成發(fā)生塌方、滑坡問(wèn)題；部分大面積砼襯砌沒(méi)有設(shè)置合理的伸縮沉陷縫，襯砌出現(xiàn)裂縫，工程安全受到嚴(yán)重影響。

1.5 溢洪道工程設(shè)計(jì)方式存在缺陷

中小型水庫(kù)的溢洪道平面、剖面設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，造成溢洪道陡坡設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題，部分溢洪道布置在非山坡區(qū)域，在邊坡底部還缺少必要的反濾砌護(hù)，造成溢洪道整體滲水較為嚴(yán)重，甚至引發(fā)滑坡災(zāi)害問(wèn)題，直接影響了水庫(kù)的整體運(yùn)營(yíng)安全。而且，在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)溢洪道坡道的厚薄不均，穩(wěn)定性不能滿足工程需求，容易出現(xiàn)塌方、滑坡現(xiàn)象，整體的泄洪能力下降，沖刷力量較大。當(dāng)前，我國(guó)中小型水庫(kù)溢洪道工程設(shè)計(jì)體系仍舊存在缺陷，經(jīng)常忽略平流段的進(jìn)口水位損失，加上部分工程勘察水平不足、選擇的設(shè)計(jì)模式存在問(wèn)題，最終形成的工程建設(shè)效果差強(qiáng)人意，部分工程的泄洪特征、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)考慮不全面，經(jīng)常出現(xiàn)高速水流沖擊問(wèn)題、排水反濾系統(tǒng)無(wú)法發(fā)揮作用甚至損毀，整個(gè)水庫(kù)的砌護(hù)存在裂縫等問(wèn)題，直接影響工程建設(shè)的安全以及后續(xù)運(yùn)營(yíng)期的安全性能。

2 中小型水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)存在問(wèn)題的改進(jìn)措施

2.1 掌握設(shè)計(jì)原則，合理進(jìn)行系統(tǒng)布局

中小型水庫(kù)的溢洪道設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮工程建設(shè)區(qū)域的實(shí)際情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地理、水文、地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)判，在此基礎(chǔ)上對(duì)工程整體造價(jià)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。若水庫(kù)周邊存在可以利用的自然環(huán)境，要將其充分利用起來(lái)，作為溢洪道的布置區(qū)域。若出口區(qū)域較小，就不能布置正堰，應(yīng)使用側(cè)槽溢洪道模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須掌握基本的設(shè)計(jì)原則，確保設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)可靠、堅(jiān)固，線路較短、合理性高，在出水口無(wú)主要建筑，避免在存在滑坡隱患的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程建設(shè)。

2.2 重視各個(gè)區(qū)段的設(shè)計(jì)，根據(jù)不同需求合理控制

2.2.1 近口段部分

針對(duì)近口段部分的設(shè)計(jì)，可以將出口位置設(shè)計(jì)成長(zhǎng)度適中的喇叭狀，以便確保出水平順。若施工區(qū)域的地形存在問(wèn)題必須在出口位置設(shè)計(jì)彎道的話，要盡量確保平緩，并保證與壩體的距離合理，將其對(duì)壩體的影響降至最低。引流段橫斷面要采用梯形模式設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際水流速度選擇是否需要砌護(hù)，但是對(duì)接近壩體、建筑的區(qū)域要進(jìn)行必要的砌護(hù)。

2.2.2 堰流段部分

近口水流要與控制建筑保持垂直，才能保證泄洪均勻。在實(shí)際工程當(dāng)中，要根據(jù)實(shí)際的地勢(shì)情況、出水需求采取實(shí)際的斷面堰設(shè)計(jì)，整體寬度要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和單寬流量來(lái)進(jìn)行確定，并針對(duì)堰口、上游引流段的角度進(jìn)行控制，確保水流平順。

2.2.3 泄流段部分

在進(jìn)行泄流段設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以選擇直線形式進(jìn)行合理布置，盡量減少?gòu)澋?、扭坡的出現(xiàn)，避免流態(tài)變化產(chǎn)生的負(fù)壓?jiǎn)栴}。針對(duì)陡坡段，可選擇均一比降來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于大流速的泄洪段要將其設(shè)計(jì)在堅(jiān)固基巖上，若條件不足，就要通過(guò)合理計(jì)算找出合理的砌筑厚度。而新鮮巖基泄水道不必砌筑，風(fēng)化巖石需要進(jìn)行漿砌石并配以錨固筋，若需要進(jìn)行大面積砌筑，必須研究清楚施工區(qū)域的水文地質(zhì)狀態(tài)和溫度變化情況，通過(guò)設(shè)置合理的伸縮縫、安置縱橫縫，在砌筑底部鋪置排水反濾料。

2.2.4 消能工部分

中小型水庫(kù)的溢洪道當(dāng)中，泄洪段未端需要進(jìn)行消能工設(shè)計(jì)，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中使用多級(jí)躍水、末端躍流段設(shè)計(jì)，通過(guò)控制泄水方向與壩體間距來(lái)進(jìn)行控制。對(duì)于非巖基礎(chǔ)，一般采用底流消能的方式，在其尾端設(shè)計(jì)相應(yīng)的消能池。而對(duì)于遠(yuǎn)驅(qū)水躍的問(wèn)題，由于其容易形成沖刷，必須對(duì)其采用差動(dòng)式消力檻的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)于巖石基礎(chǔ)，若其末端存在陡坡，就要進(jìn)行挑射消能設(shè)計(jì)，以便起到節(jié)省消能池或護(hù)坦的作用，并且這種設(shè)計(jì)方式造價(jià)低、工作量效，應(yīng)用較為廣泛。

2.2.5 側(cè)槽段部分

中小型水庫(kù)的溢洪道側(cè)槽段的設(shè)計(jì)必須遵循垂直來(lái)水流向原則，根據(jù)等高線的延伸情況確定合理的長(zhǎng)度。通過(guò)側(cè)向進(jìn)流，通過(guò)縱向泄流。對(duì)于側(cè)堰同深槽連接部分的角度要控制在合理范圍，其長(zhǎng)度也要根據(jù)水深情況進(jìn)行確定，整體設(shè)計(jì)要求要確保槽內(nèi)波動(dòng)、橫向旋滾水流能夠直接進(jìn)行陡坡段中去。

2.3 做好設(shè)計(jì)中的水力計(jì)算工作，合理安排不同區(qū)段需求

對(duì)于引流段入口首先要計(jì)算出壅水高度，確定水庫(kù)泄洪期水位，計(jì)算過(guò)程中可以由下游控制面向上游反求的方式進(jìn)行計(jì)算；泄流段計(jì)算過(guò)程中可以獲得陡槽段水面曲線計(jì)算結(jié)果，若陡槽底寬變化時(shí)可以利用查爾諾門(mén)斯基法進(jìn)行計(jì)算；側(cè)槽段的水力計(jì)算，需要假定均勻流，但是實(shí)際當(dāng)中水流會(huì)出現(xiàn)沿程變量流，計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)差距，要想改變這種情況可以通過(guò)水流動(dòng)量以水面曲線推導(dǎo)方式獲取結(jié)果，這種方式與實(shí)際泄流狀況吻合度較高；陡坡護(hù)砌過(guò)程中必須嚴(yán)格滿足避免滑坡、塌方，保證整體安全的基本原則，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工的伸縮縫，必須合理設(shè)置，并且在設(shè)置完成后，由于陡坡外表砌筑類似于大面積的薄板砌筑，必須充分考慮其滑動(dòng)穩(wěn)定性，對(duì)于基礎(chǔ)應(yīng)力、傾復(fù)穩(wěn)定性可以忽略。實(shí)際情況當(dāng)中，陡坡的砌筑表面滑動(dòng)力包含了水流拖泄、砌體自重順坡方向的分力、護(hù)面凸體產(chǎn)生的阻力等多種類型。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)中小型水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題與對(duì)策進(jìn)行分析探討，具有十分重要的意義，不僅能提高中小型水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)水平，為保證溢洪道施工質(zhì)量奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并確保整個(gè)工程的質(zhì)量，還能增加水利企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，更有助于推進(jìn)我國(guó)水利建設(shè)事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 張松斌. 關(guān)于中小型水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)中常見(jiàn)問(wèn)題的研究[J]. 陜西水利，2017（S1）：52.

[2] 郭東. 中小型水庫(kù)加固設(shè)計(jì)及其管理問(wèn)題研究[J]. 四川水泥，2015（5） ：162.