淺述中小型水庫溢洪道設(shè)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下的洪水漫頂。工程設(shè)計者應(yīng)從實際出發(fā)，根據(jù)工程現(xiàn)狀及工程的地質(zhì)構(gòu)造、水文資料的收集，在規(guī)劃布局、水力計算及結(jié)構(gòu)計算層層把關(guān)，既要保證工程安全運行，又要確保經(jīng)濟(jì)合理。

關(guān)鍵詞：溢洪道；問題；設(shè)計

1設(shè)計中存在的問題

（1）溢洪道是發(fā)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的限制，其設(shè)計采用的洪水標(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)計尺寸偏小，再加上周邊巖體風(fēng)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(shè)計的溢洪道其進(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)口段若未進(jìn)行有效的護(hù)砌，泄洪時一旦發(fā)生沖刷，將危及壩肩安全，有些設(shè)計的陡槽末端與壩腳緊貼，如果發(fā)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(shè)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(tài)、流勢劇烈變化，導(dǎo)致兩岸產(chǎn)生了水面差，這時凹岸水面壅高，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。

（4）溢洪道在設(shè)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?jié)B水后易產(chǎn)生滑坡；結(jié)構(gòu)上也不穩(wěn)定。如過陡、加上襯砌厚度偏薄，不能滿足抗滑抗傾穩(wěn)定，也易造成崩塌或滑坡。

（5）一般水力設(shè)計方法尚不夠完善，如果在溢洪道進(jìn)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(jìn)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(shè)計對溢洪道的消能工的設(shè)計考慮不夠充分，或者型式選擇不當(dāng)，導(dǎo)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(fā)生嚴(yán)重沖刷。

（6）有些工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計中對泄洪的特點和基礎(chǔ)特性考慮不周，溢洪道下泄的高速水流具有很強(qiáng)的沖擊力，由于急流的摻氣和脈動現(xiàn)象十分顯著常會產(chǎn)生劇烈的震動；有些溢洪道采用低標(biāo)號的漿砌石或混凝土砌護(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)計時，底部幾乎沒有反濾排水設(shè)備，極易發(fā)生崩陷；有些大面積圬工混凝土襯砌由于未設(shè)伸縮沉降縫，致使溢洪道襯砌發(fā)生裂縫。這些都使工程安全受到影響。

2 設(shè)計中的應(yīng)對措施

溢洪道設(shè)計中掌握的基本資料是否充分與完善，選用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是否恰當(dāng)，均直接影響到整個工程的安全及經(jīng)濟(jì)。

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)堅硬均勻，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。溢洪道通常由4個主要部分組成：進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消能工及海漫。

（1）進(jìn)口段

為引流平順其進(jìn)口形狀應(yīng)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(nèi)設(shè)置彎道時，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。

（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(jù)地形條件和泄流需要必需設(shè)置寬頂堰或?qū)嵱脭嗝嫜撸邔挾瓤砂丛试S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(jìn)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）。

（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(shè)置扭坡，以適應(yīng)流態(tài)的急驟變化，避免產(chǎn)生負(fù)壓；其縱斷面設(shè)計應(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，一般漿砌石用0.5～1.0，混凝土設(shè)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(yīng)設(shè)0.3～0.5m厚的漿砌石底砌護(hù)），其坡度一般以≤1/2.5為宜。

（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，應(yīng)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(hù)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(yīng)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(jìn)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(jìn)行（如查爾諾門斯基方法），引流段進(jìn)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(jù)“溢流堰水力計算設(shè)計規(guī)范”建議的方法計算，同時正確選用流量系數(shù)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(shè)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(shè)備的計算方法與步驟均較明確、詳細(xì)，計算省時又能保證精度；但是在選定消能設(shè)施的尺寸時應(yīng)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(yīng)通過模型試驗加以驗證。

2.3結(jié)構(gòu)計算

為保證建筑物安全穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)計算是不可缺少的，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)力計算。

（1）陡坡的護(hù)砌厚度應(yīng)滿足滑動安全，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)定一般可不須計算，其主要控制條件是滑動穩(wěn)定，作用在護(hù)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(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壓力）、護(hù)面的上舉力和滲透壓力，其抗滑安全系數(shù)應(yīng)≥1.3～1.5。

（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，一般沒有滑動問題，因此僅需對其抗浮要求進(jìn)行穩(wěn)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(chǎn)生的上舉力，以及消力池下游水深與水躍段內(nèi)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(shù)≥1.3～1.5。

（3）挑流鼻坎的尺寸應(yīng)滿足滑動穩(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)方法計算鼻坎的滑動與傾復(fù)穩(wěn)定時其要求抗滑安全系數(shù)≥1.3～1.5，抗傾安全系數(shù)≥1.5，同時計算上述各力的合力，其作用點應(yīng)位于基礎(chǔ)面中三分點之內(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結(jié)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(dāng)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(shè)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(shè)計中十分重要。