中小型水庫溢洪道設計常見問題及對策

□ 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。為防止泄洪時引水渠兩側產生不對稱的回流或立軸旋渦轉向慣性力引起的堰前橫向坡降，導致過堰水流不均，減小泄流能力，規范規定引渠底寬可為等寬或順水流方向收縮，在與控制段連接處應與溢流前沿等寬。

引水渠內水流流速對工程量和水頭損失有較大影響。按規范對34個工程資料統計分析，設計流速低于3m/s的共9個，占26.47%；設計流速在 3m/s～5m/s之間的共 18個，占52.94%；設計流速高于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，而碧口的流速在設計工況下為5.58m/s，保壩工況下為8.63m/s。一般規定進水渠設計流速不大于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，進水渠設計流速可以適當提高，但應盡量縮短進水渠的長度，減少進水渠的水頭損失。進水渠進口的流速應低于渠內流速，一般控制在2.5m/s以下為宜。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，同時在彎道兩側的凹岸亦應砌護，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。其常用的堰型有寬頂堰、實用堰。

寬頂堰結構簡單，施工方便。但流量系數較低，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大，當岸坡較陡時，采用實用堰可以減少開挖方量，多用于大中型工程。在溢洪道上經常采用的實用堰型有WES型和駝峰堰。WES堰的流量系數較大，堰型較優，推薦優先采用。駝峰堰的堰面是由幾個半徑不同的圓弧組成，施工簡單，地基應力分布比較均勻，整體穩定性較好，適用于軟弱地基條件，其流量系數要比寬頂堰大。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，有學者對機翼形堰進行了水工物理模型和數學模型的綜合研究，結果表明機翼形堰是很適用于高水頭溢洪道上以低堰狀態工作的堰型，而以盡可能大的流量系數和盡可能小的負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少、便于設計施工，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點。筆者認為，機翼堰也是一種值得推廣應用的堰型。

三、泄流段（陡坡、急流段）結構設計

該段平面均采用直線布置，盡量避免彎道和設置扭坡順引流態的急驟變化產生負壓；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。陡坡段應盡量采用均一比降，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設30～50cm厚的漿砌石底砌護），其坡度一般以≤1/2.5為宜。

新鮮巖基上的陡坡段可不砌護；如為松軟風化巖石仍須用30～50cm的漿砌石或20cm厚的混凝土作砌護，并加設錨固筋；如需大面積混凝土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。

四、消能設施的選擇

在泄水段末端需設置消能工，其具體選擇形式可根據地形、地質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使其泄流方向遠離壩腳≥100～150m。在非巖基上，一般均采用底流消能，并在末端設置消力池。如泄流量不大，亦可考慮消力檻形式；如為遠驅式水躍，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、護坦與海漫等工程，因而工程量小、造價低，常被采用。根據工程實踐經驗，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

以上提出的幾個問題只是筆者在溢洪道設計工作中總結出來的一部分，希望能給相關的工程技術人員提供一些參考。針對中小型溢洪道常出現的問題，應從資料收集、規劃布局、水利計算及結構計算等方面層層把關，保證工程安全經濟可行。