中小型水庫溢洪道設計論述

【摘 要】溢洪道在水利工程建設中是最為常見的建筑，在工程項目中發揮出排除水庫存超蓄洪水的作用，使得水庫在汛期泄洪期間處于安全狀態。溢洪道設計的好壞也直接影響水庫的安全狀況。針對水利工程中小型溢洪道設計常出現的問題，筆者從資料收集、規劃布局、水力計算及結構計算層層把關，保證工程安全經濟可行。

【關鍵詞】中小型水庫；溢洪道；設計

1 溢洪道設計中的常見問題

1.1 溢洪道進出口段與壩身距離短

檢查中發現有較多的小型水利工程的溢洪道進出口段與壩身的間隔距離存在一定的問題，主要是間隔過短，壩肩和溢洪道只有單薄的山脊互相隔離。當進口段沒有使用相應的保護措施時尤其是護砌措施，泄洪后則會引起沖刷，給壩肩的安全造成巨大的傷害。

1.2 溢洪道設計尺寸較小

在設計小型水庫時常常要考慮到工程的資金消耗，而又必須要使得設計達到建筑工程的標準，在資金和標準的雙重壓力下，很多設計師常常會將設計尺寸進行改動，縮短尺寸大小，隨之引起參考的洪峰與洪量等洪水數據發生異常變化。這些造成溢洪道設計的尺寸也相應減小，在建筑的巖體出現風化坍落后，發生泄洪渠淤積的概率則大大增加，讓水庫泄流難以正常進行。

1.3 溢洪道平面彎道半徑大小不穩定

平面彎道半徑對溢洪道在設計而言，是一個隱藏的不穩定因素，隨著時間的變化，收縮忽小忽大，對于泄流的完成起阻礙作用。在遇到溢洪道陡坡段布置發生異常后會被彎道流態、流勢等因素干擾而出現變動，最終帶來的結果是出現兩岸的水面差，造成凹岸的水面壅高，很容易造成下游銜接的平直段內出現折沖水流，大大削弱泄流的能力。

1.4 水力設計方法不合理

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引渠段的情況下，由于水力計算中忽略了平流段時進口水位的壅高。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， 致使下游河段發生嚴重沖刷。

1.5 溢洪道陡坡比降過陡

陡坡比降過大對于溢洪道設計是極為重要的問題。部分溢洪道被設置在非巖性的山坡之上，其底部難以采取科學的反濾襯砌，一旦滲水后很容易出現滑坡現象，這會大大降低建筑結構的穩定性。

2 溢洪道設計論述

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安全。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。溢洪道主要由4 個部分組成：引渠段、控制段、泄槽段、消能段。

2.1.1 引渠段

為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≤1-2 m/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。

2.1.2 控制段

為使泄流均勻，可使進口水流垂直于控制段建筑物。根據地形條件和泄流需要設置寬頂堰或實用斷面堰。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°左右為宜。如堰體較寬，則應在其橫向設置溫度縫與沉陷縫，間距可按10-15 m 布設。控制段的基礎應座落在巖基或砂卵石之上，而且要采取相應措施滿足地基承載力的要求。

2.1.3 泄槽段

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 -1.0 m，混凝土0.2 -0.5 m，鋼筋混凝土0.15-0.3 m ，其坡度一般以≤1/2.5為宜。

2.1.4 消能段

在泄槽段末端需設置消能設備，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，使其泄流方向遠離壩腳≥100-150 m。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，此時可考慮采用差動式消力檻形式。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，其工程量小、造價低，因而常被采用。

2.1.5 側槽段

該段布置應垂直于來水流向，其長度可根據等高線向上游延伸，水流特點是側向進流，縱向泄流。側堰與深槽連接的漸變過渡段，收縮角應控制在12°左右，長度一般為槽內水深的3-5 倍，主要作用是避免槽內波動和橫向旋滾的水流直接進入陡坡段。

2.2 水力計算

為使水力計算與工程特性相一致， 故正確選用計算公式十分重要。

2.2.1 引渠段的水力計算：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， 引流段進口處須先計算水位壅高，才能求得泄洪時的正常庫水位。

2.2.2 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。

2.2.3 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。

2.2.4消能設施的水力計算：采取底流式消能可以采用A?C： 巴什基洛娃圖表計算。由于巴氏法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。但是我們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； 至于挑射消能計算，目前還未找到一種比較成熟適用的計算方法。

2.2.5 側槽段的水力計算：根據水流動量或能量關系而建議采用的水面曲線推算的公式比較符合實際泄流情況。

2.3 各結構計算

2.3.1 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排泄力、砌體自重順坡方向的分力及護面凸體產生的阻力；抗滑力則包括砌體自重垂直坡面的分力和水流靜壓力、護面上的上舉力和滲透壓力，其抗滑安全系數≥1.3-1.5 即為安全。

2.3.2 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，以及下游消力池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 即為安全。

2.3.3 挑流鼻坎的尺寸應滿足滑動穩定、傾覆穩定和允許的基礎應力要求。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，針對中小型水庫溢洪道設計中存在的問題采取有效地設計方案是必不可少的工作，這不僅使水利工程使用功能得到有效發揮，在擬定設計方案時應該對地質構造、水文資料做好處理，這樣才能保證工程的功能得到發揮。

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