關于水庫溢洪道設計中問題的探討

[摘要] 平和縣上峰水庫位于文峰鎮黃井村境內、九龍江西溪支流黃井溪中上游河段，集雨面積40.5平方公里，三級水電站總裝機容量為4300kw， 水庫總庫容2580萬m3。水庫建設中溢洪道的設計和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關系到整個工程造價。該文就峰欣水庫溢洪道設計中的常見問題進行探討，并提出相應的設計對策。

[關鍵詞] 土石壩 水庫溢洪道 設計問題

溢洪道的設計和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關系到整個工程造價。土石壩一般中小型溢洪道，約占水庫樞紐工程造價的24~31%及勞動力的26%，故溢洪道合理的布局和選型，在水庫工程設計中是一個比較重要的環節。

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施

中小型水庫由于受工程造價的限制，其設計采用的洪水標準往往偏低，選用洪水數據（洪峰、洪量）偏小，因而必然帶來溢洪道設計尺寸偏小，再加上周邊巖體風化坍落，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，泄洪時一旦發生沖蝕現象，將危及壩肩安全，有些設計的陡槽末端與壩腳緊貼，如果發生橫流沖刷，更易危及壩腳安全，這兩種情況均對大壩的運行安全十分不利。

1.3 溢洪道設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、流勢劇烈變化，導致二岸產生了水面差，這時凹岸水面壅高，并在下游銜接的平直段內產生折沖水流，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，也會發生顯著的壅水和流態變化，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。

1.4 溢洪道縱橫剖面及平面布置設計不當，陡坡設計比降過陡

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，致使滲水后易產生滑坡；結構上也不穩定。在橫斷面設計中，有些工程對兩側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，導致有的末端高出河床很多，有的末端未做砌護處理，常造成嚴重沖刷，并向上延伸，直至整個建筑物破壞。

1.5 現有水力設計方法尚不夠完善

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。有些設計對溢洪道的消能工的設計考慮不夠充分，或者型式選擇不當，導致消力墻長度和深度均不能滿足需要，消能不夠充分，致使下游河段發生嚴重沖刷。

另在側槽式溢洪道設計中，過去大多采用“扎馬林法”進行計算。經多年實踐及水工模型試驗證明：使用該法計算所確定的水面坡降偏小，導致側槽深度不夠，流量系數減小，使側堰局部呈現淹沒出流，其實際泄洪流量達不到設計要求的泄量，因而對工程是不安全的。

1.6有些工程在結構設計中對泄洪的特點和基礎特性考慮不周

溢洪道下泄的高速水流具有很強的沖出力、急流的摻氣和脈動現象十分顯著，常會產生劇烈的震動；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結構穩定要求，因而不能抵御高流速的沖刷；有些非巖基上的溢洪道設計時，底部幾乎沒有反濾排水設備，極易發生塌滑；有些大面積圬工砼襯砌由于未設伸縮沉陷縫，致使溢洪道襯砌發生一些裂縫，總之這些都使工程安全受到影響。

2 設計對策

溢洪道設計中掌握的基本資料是否充分與完善，選用的設計標準是否恰當，均直接影響到整個工程的安全及經濟，現就對此提出一些設計對策：

2.1 規劃布局

溢洪道工程的規劃布局應盡量利用有利地形地貌，既要經濟合理又要保證安全。如大壩附近有天然山坳可以布設溢洪道則最為理想，如主壩口子狹窄無法布置正堰則可考慮選擇側槽式溢洪道。其規劃布置的主要原則是：基礎堅硬均一，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。溢洪道通常由四個主要部分組成：引流段（近口段）、控制段（堰流段）、泄流段（陡坡、急流段）及消能工。

2.2 引流段（近口段）

為使引流平順，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設置彎道時，則應使彎曲段盡量平緩外、還應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≤1~2m/s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應砌護一定長度，同時在彎道二側的凹岸亦應砌護，如為堅硬的巖基則可不考慮。

2.3 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；根據地形條件和泄流需要必需設置寬頂堰或實用斷面堰，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。除近口段設有引流段外，一般應使堰頂寬度≤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。如堰體較寬則應在其橫向設置溫度縫與沉陷縫，其間距可按10~15m布設。

2.4 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置扭坡順引流態的急驟變化甚至產生負壓；其縱斷面設計應因地制宜地根據地形、地質而選用緩坡、陡坡或多級躍水等多種形式；陡坡段應采用均一比降；由于泄水段流速很高，故應盡量布置在巖基上，如為非巖基則該段襯砌厚度應按允許流速與地質條件選擇進行設計，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設0.3~0.5m厚的漿砌石底砌護），其坡度一般以≤1/2.5為宜。

新鮮巖基上的泄水道，可不砌護。如為松軟風化巖石，仍須用0.3~0.5m的漿砌石或0.2m厚的砼作砌護，并加設錨固筋。如需大面積砼襯砌則應按地質情況，結合溫度變化布置伸縮縫和沉陷縫，兩側邊坡可僅設橫縫，底部則應設縱橫縫，間距一般為8~12m，同時在襯砌底部需敷設排水的反濾料。考慮高速水流摻氣的特點，邊坡的砌護高度應有適當超高。