小型水庫溢洪道工程設(shè)計研究

李勇娟，陳 軍

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽550002)

1 小型水庫常出現(xiàn)的問題

小型水庫常出現(xiàn)的問題主要有以下3類:洪水期間常出現(xiàn)的問題、在水庫溢洪道的布置和設(shè)計上常出現(xiàn)的問題和水庫溢洪道工程設(shè)計方法不完善。

1.1 洪水期間常出現(xiàn)的問題

溢洪道是保證水庫安全的重要設(shè)施，尤其是在洪水期間，它的作用是非常明顯的。

小型水庫由于工程設(shè)施的不完善，造價方面受限制，在設(shè)計洪水的標準上一般偏低，選用洪水的數(shù)據(jù)也偏小，因此在工程設(shè)計溢洪道的尺寸上也就略小［1］。

由于常年的受風體和水體的浸泡，周圍的巖石也風化嚴重，導致泄洪能力不足，造成在洪水期間的不安全隱患。

1.2 在水庫溢洪道的布置和設(shè)計上常出現(xiàn)的問題

在小型水庫的工程位置布置上，溢洪道的設(shè)計往往離壩身的進出口太近，壩肩與溢洪道之間的距離也比較單薄。

進口處也沒有護砌，所以一旦發(fā)生沖蝕的泄洪現(xiàn)象，壩肩則是不太安全的。

另外，在小型水庫的溢洪道設(shè)計上，平面的彎道過大，并且收縮性太猛，在洪水期間對泄洪的現(xiàn)象非常不利，而且一般的小型水庫溢洪道布置的彎道一般在比較陡的下坡處［2］。

由于不斷變化的水流流式和流態(tài)，造成兩岸的水面差距很大，這時在水庫凹岸上的水面就會增高，并且直直地向下流沖去。導致延平直段內(nèi)常出現(xiàn)水流的拆沖現(xiàn)象，大大的影響了泄洪的能力和效果。

并且由于水庫的緩流處和陡坡處的收縮過于劇烈，也會出現(xiàn)比較強烈的流態(tài)變化，對溢洪道的周圍砌面造成巨大的沖擊，這就使得建設(shè)師們有些為難，因為小型水庫的資金投入是比較受限制的，如果砌護砌的較高，資金投入就比較大，反之就會影響水庫泄洪的安全。

1.3 水庫溢洪道工程設(shè)計方法不完善

由于小型水庫的溢洪道平面或剖面設(shè)計不當，就會使溢洪道的陡坡設(shè)計問題突出。

因為，有一些溢洪道的布置是非山坡性的，在偏頗的底部也沒有做反濾的砌護，所以就會出現(xiàn)嚴重的滲水現(xiàn)象，造成滑坡，直接影響水庫溢洪道的穩(wěn)定性［3］。

還有些是因為在設(shè)計時不夠注意，坡的薄后不均，使得穩(wěn)定性不能被滿足，造成塌方和滑坡現(xiàn)象。從而是泄洪的能力下降，造成沖刷力量過大。

現(xiàn)如今，我國小型水庫在水利設(shè)計方面還不夠完善，在工程的設(shè)計中常常忽略平流段的進口水位損失。

還有一些由于觀察的不夠準確或者選擇的模式不對，也使得工程效果不理想。

另外，有些工程在泄洪的特點、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上考慮的不周全，常出現(xiàn)水流流量沖擊過大，排水反濾設(shè)備發(fā)生滑塌，使得水庫的砌護出現(xiàn)裂縫，影響工程安全性［4］。

2 小型水庫溢洪道的設(shè)計規(guī)劃

在小型水庫的設(shè)建設(shè)過程中，溢洪道設(shè)計所需資料的完善程度和選用設(shè)計的標準是否合理，是影響工程安全和資金投入的直接因素。

2.1 水庫溢洪道的設(shè)計布局

在建設(shè)水庫的溢洪道時，一定要利用規(guī)劃地區(qū)的地形和地貌，要保證經(jīng)濟投入的合理性和質(zhì)量建設(shè)的安全性［5］。

如果一個水庫的附近有山，那么在這里建設(shè)溢洪道就是最為理想的。如果是在狹窄的無法進行開鑿的地方進行施工，那么水庫的溢洪道就要建設(shè)為側(cè)槽式的，方便泄洪。

而對于水庫設(shè)計布置的原則，一般是要在堅硬均勻的平面上，線路比較短，沒有彎道最佳。并且，它的出口遠離壩體，因為這樣可以防止滑坡、崩塌對溢洪道的損壞。

還包括進口段、控制段、陡坡急流段和消能池是溢洪道的主要組成部分。

2.1.1 進口段

進口段的進口形狀一般都做成喇叭口，這樣可以減小損失，所以不易做的過長，如果在建設(shè)溢洪道時要受地形因素的限制，必須在段內(nèi)設(shè)置彎道［6-7］。

那么這條彎道一定要盡量平緩，并且在上下游銜接處與出口處遠離壩尾，以免沖刷。

溢洪道的壩面一般都成四邊形和梯形，當水流速度＜1～2 s/h，砌護墻是可以不用的。

但如果她與附近的建筑物在一定范圍上是連接的話，就要相應的切戶一定的長度，如果有彎道則要加強兩旁的切和厚度。

2.1.2 控制段

要使得洪水期間泄流段的水流速度均勻，就要使進口的水流與建筑物呈垂直狀態(tài)，也可根據(jù)地形條件和洪水泄流的需要設(shè)置相應的控制斷面，并要按照斷面的寬度選定洪流值，一般的巖基單寬流量都在50～0 m3/s，工基為30 m3/s。除了在小型水庫的進水口處設(shè)置水流的引流外，一般的水庫溢洪道的寬度也≤3 h。

因為堰口與上、下游的引流處采用的是變化鏈接，所以為了使水流平穩(wěn)≤的收縮角最好是≤12度為最佳。

如果，它的斷面比較寬，那么它的布設(shè)間距在10～15 m為宜。

2.1.3 陡坡、急流段

在陡坡、急流段這兩部分采用的布設(shè)方式為直線法，并且要盡量避免坡體或彎道所產(chǎn)生的流態(tài)負壓現(xiàn)象。

所以，在溢洪道設(shè)計的時候要因地而異，根據(jù)所選地勢的地形、地質(zhì)決定建設(shè)的引流形式，坡體也可采用均一比降的方式。

由于洪流的速度非常的快，所以在設(shè)置巖基上要加厚砌護的寬度，一般砌石的漿液在0.5～1.0 m，混凝土0.2～0.6 m，坡度在1/3 m厚最好。

2.1.4 消能段

在急流段的尾端要設(shè)置一個消能的工具，而其選擇型號就要根據(jù)溢洪道選擇的地形、地質(zhì)和水利條件而定。

并且，在溢流道的末端多采用多級躍流形式，使水庫的泄流方向離壩角100～150 m不等。

然而，對于非巖基上的消能工具，一般采用的是底流消能，并且還要在最尾端處放置一個消能池。如果在水庫的洪流期間，池流量不大，那么可以考慮使用消能檻的形式。如果水庫的洪流是遠驅(qū)式的就特別容易造成對砌護的沖刷。

在這樣的情況下，就要采用差動式的消能檻模式了。如果水庫的溢流道尾端有陡坡時，挑射效能的模式就比較有利了。還可以省去對消能池的使用，并且這種方式會減少工程的工作量和投資資金。

2.2 水庫溢洪道水力計算

為了使工程特征與水利計算相一致，所以在工程建設(shè)過程中的計算公式運算是非常重要的。

2.2.1 進口段的水力計算模式

這個部分可以采用查爾諾門斯基方法，就是從下游得控制面向上游的控制斷面反推求水面曲線的方法。

并且，在進口段處要先計算水位的高度，這樣才能正確的計算泄洪時水庫的水位。

2.2.2 控制斷匯流量統(tǒng)計模式

根據(jù)益洪道進口段的水力計算的計算方法，選用正確的流量系數(shù)使其選用的控制段坡形一致。

2.2.3 陡坡、急流段的水力計算模式

其實推算急流段水面的曲線方法非常的多，例如:在溢洪道的陡槽底處，如果底寬是隨時變換的，那么就可以采用b2型的降水曲線模式或運用進口水段的查爾諾門斯基方法。如果它的底寬是運用查爾諾門斯基方法算的，就要對各個段落進行詳細的分解。

b2型降水曲線見圖1。

圖1 b2型降水曲線

2.2.4 消能工具的水力計算模式

在計算溢洪道的底流式的消能設(shè)備時，可以采用巴什基洛娃圖表計算。由于這種消能的計算方法非常的明顯，步驟與計算的目標也非常的明確、詳細，所以它又能在精度被保證的情況下，節(jié)省計算的時間，一舉兩得。

但是，在建設(shè)溢洪道時，往往選定消費設(shè)備都是尺寸稍微大一些的，所以想要得到準確的小型水庫的水利消能結(jié)果，就要通過模型的方式加以試驗，從而得到驗證后的結(jié)果。

2.2.5 側(cè)槽段的水力計算模式

扎馬林法是計算陡坡溢洪道的側(cè)槽段的水力模式，由于在這個計算的模式里，流假定值被認為是均勻的，而實際上則是變化的，所以在計算時只能得出大概的結(jié)果，與真實的數(shù)值仍有很大的出入。

近些年，水利工程的研究人員都將計算水庫水流量和能量關(guān)系的計算方式，采用符合實際的水面曲線推算模式。

了解真實的池流情況，另外側(cè)槽式的溢洪道水流在向內(nèi)進時沖擊力度很大，波動性強，水流的流態(tài)也十分的復雜。

所以，計算起來也特別的困難，因此小型的水庫在計算時一般以模型的方式計算。

2.3 小型水庫的結(jié)構(gòu)計算

為了使水庫建筑物的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)計算是不可或缺的，除了一些坡面的擋土墻外，其他地方都要進行了詳細的分析和計算。

小型水庫的結(jié)構(gòu)計算模式有2種:陡坡砌護厚度的計算模式和消力設(shè)備的抗浮穩(wěn)定計算。

2.3.1 陡坡砌護厚度的計算模式

它的砌護厚度一般應滿足滑動的安全，并要設(shè)置一個可伸縮的沉陷縫，作用在護面上，主要是阻止洪水期水流拖池力使砌護體的坡向產(chǎn)生變化，并且阻力加大。然后，是溢洪道的抗滑力。它是砌護的垂直坡面和水流產(chǎn)生的靜壓力，其抗滑的系數(shù)為1.3～1.5。

2.3.2 消力設(shè)備的抗浮穩(wěn)定計算

溢洪道尾端的消力設(shè)備應滿足抗浮度的穩(wěn)定要求，并且底板的四周與邊界之間也有一定的約束限制。

它的浮力包括了:滲透水的壓力、脈動的壓力、體系突出體所產(chǎn)生的上舉力和下游深水池中的內(nèi)段壓力，其在1.3～1.5為抗浮的安全系數(shù)。

3 結(jié)語

水庫的溢洪道布置與設(shè)計的合理性將直接影響水庫的安全性，所以它的布置和選型都非常重要，也是水庫工程設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。

在設(shè)計工作開始前就要收集完備可靠的資料，合理規(guī)劃整體布局，并進行嚴謹?shù)乃τ嬎愫徒Y(jié)構(gòu)計算，從而保證它的可行性和安全性。

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