淺述中小型水庫溢洪道設計中存在問題分析

繆康能

摘要：溢洪道在水庫工程中的作用是防止設計標準下的洪水漫頂。工程設計者應從實際出發，根據工程現狀及工程的地質構造、水文資料的收集，在規劃布局、水力計算及結構計算層層把關，既要保證工程安全運行，又要確保經濟合理。

關鍵詞：溢洪道；問題；設計

1設計中存在的問題

（1）溢洪道是發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，泄洪渠淤積，造成泄流能力不足.

（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，進口段若未進行有效的護砌，泄洪時一旦發生沖刷，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，便危及壩腳安全，因此這兩種情況均對大壩的運行安全十分不利。

（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，導致兩岸產生了水面差，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。

（4）溢洪道在設計中比較突出的問題是陡坡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。如過陡、加上襯砌厚度偏薄，不能滿足抗滑抗傾穩定，也易造成崩塌或滑坡。

（5）一般水力設計方法尚不夠完善，如果在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，導致消力池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。

（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擊力，由于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混凝土砌護，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，極易發生崩陷；有些大面積圬工混凝土襯砌由于未設伸縮沉降縫，致使溢洪道襯砌發生裂縫。這些都使工程安全受到影響。

2 設計中的應對措施

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。

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，即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：基礎堅硬均勻，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4個主要部分組成：進口段、控制段、泄槽段、消能工及海漫。

（1）進口段

為引流平順其進口形狀應為喇叭口，為減小損失其長度不宜過長。如因地形所限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。

（2）控制段

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。除進口段設有引流段外，一般應使堰頂寬度≤3h堰（h堰為堰上水頭）。

（3）泄槽段

該段平面一般采用直線布置，并盡量避免彎道和設置扭坡，以適應流態的急驟變化，避免產生負壓；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0.5～1.0，混凝土設0.2～0.5m，鋼筋混凝土0.15～0.30（混凝土與鋼筋混凝土基部還應設0.3～0.5m厚的漿砌石底砌護），其坡度一般以≤1/2.5為宜。

（4）消能工

在泄水段末端需設置消能工，其具體選擇型式可根據地形、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。對于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，應采用消力檻形式；在巖基上，如溢洪道尾端有較陡邊坎時，采用挑射消能較為有利，由于這種形式可省去消力池、護坦與海漫等工程，由于其工程量小、造價低，因而常被采用。鼻坎以上陡坡應為矩形斷面，不可作成梯形斷面以免需用扭坡 與鼻坎銜接。

2.2水力計算

為使水力計算與工程特性相一致，故正確選用計算方法十分重要

（1）進口段的水力計算。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“溢流堰水力計算設計規范”建議的方法計算，同時正確選用流量系數并使其與選用的堰型相一致。

（3）泄槽段陡槽水力計算。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）消能設施的水力計算。采取底流式消能可以采用巴什基洛娃圖表計算。由于巴氏對各種消能設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；但是在選定消能設施的尺寸時應該留有余地，對于一些重要的中型水庫其水力計算成果還應通過模型試驗加以驗證。

2.3結構計算

為保證建筑物安全穩定的結構計算是不可缺少的，除一些護坡及擋土墻的穩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定分析，而對挑射消能則應進行鼻坎的穩定與基礎應力計算。

（1）陡坡的護砌厚度應滿足滑動安全，設置伸縮縫沉陷縫以后，坡面砌護類似大面積薄板，故對基礎應力以及傾復穩定一般可不須計算，其主要控制條件是滑動穩定，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壓力）、護面的上舉力和滲透壓力，其抗滑安全系數應≥1.3～1.5。

（2）消力池底板厚度應滿足抗浮穩定要求，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、底板上凸出體產生的上舉力，以及消力池下游水深與水躍段內壓力差。抗浮力包括底板的浮重和底板上的水重，其抗浮安全系數≥1.3～1.5。

（3）挑流鼻坎的尺寸應滿足滑動穩定、傾復穩定和允許的基礎應力。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，挑流時其鼻壩曲面離心力的水平分力，以及鼻坎上凸出體產生的水平分力。按一般力學方法計算鼻坎的滑動與傾復穩定時其要求抗滑安全系數≥1.3～1.5，抗傾安全系數≥1.5，同時計算上述各力的合力，其作用點應位于基礎面中三分點之內，且基礎最大與最小應力比值，≤3～5以避免發生不均勻沉陷。

3結語

綜上所述；溢洪道在壩體以外的河岸上修建稱為河岸溢洪道，當攔河壩是土石壩時，幾乎都采用河岸溢洪道。但是，溢洪道的設計和布置合理與否，直接影響到水庫的安全。故溢洪道合理的布局和選型，在水庫工程設計中十分重要。