試析中小型水庫溢洪道設計過程中存在的問題及其改進措施

代興勇 范文仁

昆明龍慧工程設計咨詢有限公司，云南昆明 650000

溢洪道設計具有非常重要的作用，它直接影響著整個工程是否能夠用到現(xiàn)實中，充分發(fā)揮它的防洪作用，溢洪道設計的合理性能夠提高施工的效率，降低成本，可控制投資成本，按照預算的資金進行施工。溢洪道在中小型水庫樞紐工程中一般占到30%的造價，因此，其布局、選型等都是中小型水庫設計中的重要環(huán)節(jié)。

1 中小型水庫溢洪道設計中的問題

1.1 溢洪道實際設計中所采用的標準較低

溢洪道是確保汛期水庫安全的基礎設施，但是受到水利工程建設造價的限制，中小型水庫的設計所采取的標準一般較低，如針對的洪水洪峰、洪量都較小，這種低標準必然會造成溢洪道設計尺寸不足，特別是在汛期會出現(xiàn)泄流能力不足的情況，無法保證中小型水庫的整體安全[1]。

1.2 溢洪道設計的進出口布局、彎道半徑、平面布置和縱橫剖面設計存在缺陷

中小型水庫的溢洪道進、出口距離水壩的壩身較近，在溢洪道、壩肩之間的間隔只有較為薄弱的山脊，在溢洪道的進口段部分未能進行砌筑保護，若在泄洪過程中出現(xiàn)沖蝕問題，就會造成壩肩失穩(wěn)，產(chǎn)生安全問題；部分溢洪道設計過程中，陡槽末端緊貼壩腳，若存在橫流沖刷問題，會造成壩腳安全問題，這兩種形式的布局都存在缺陷，容易引發(fā)相應的安全問題。

中小型水庫的溢洪道彎道半徑若設計的過大、過小都會影響溢洪道泄洪，特別是當溢洪道陡坡段存在彎道時，水利勢能會在有限的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)劇烈變化，正規(guī)泄洪彎道的流態(tài)也在變化，會造成水庫兩側坡岸位置產(chǎn)生水位差，而在下游平直段又會出現(xiàn)折沖水流，影響溢洪道的整體泄流能力。

在泄洪道的平面布置、縱橫剖面設計過程中，由于其整體的陡坡設計不合理，整體的陡坡設計比降過快，加上部分溢洪道分布于非巖性山坡區(qū)域，底部缺少反濾襯砌，造成滲水后出現(xiàn)滑坡危險。整體的橫斷面設計過程中，部分工程存在開挖山坡坡度不足的情況，加上底部的襯砌厚度較薄，無法起到應有的穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)塌方、滑坡等類型的問題。而平面布置上，存在一系列的上下游斷面連接問題，容易形成“瓶頸”，影響整體泄洪能力[2]。

1.3 水力設計及其計算存在問題

中小型水庫設計過程中必須進行水力計算，但是當前的計算方式存在缺陷，如：溢洪道進口位置一般布有引洪平流的區(qū)段，但是實際計算過程中會忽略這部分區(qū)段的影響，造成計算水頭存在損失。若實際的壅水高度較大時是無法忽略這部分影響的。因此，實際設計過程中必須對溢洪道的消能工設計進行合理考量，但是實際設計過程中卻會存在忽略這部分內(nèi)容的情況，或者整個形式選擇不恰當，造成消力墻長度、深度無法滿足施工需求，不能充分消能，對下游河段造成嚴重的沖刷問題。

1.4 結構設計時未充分考慮基礎特點

中小型水庫的溢洪道結構設計期間，泄洪的特征和基礎的特點考慮不足，造成泄洪道中的水流沖擊力較強，整體的急流摻氣和脈動現(xiàn)象較為嚴重，帶來了非常嚴重的劇烈震動。部分溢洪道砌護過程中強度較低，整體的砌護系統(tǒng)不能確保溢洪道的結構穩(wěn)定，無法保證其能夠經(jīng)受高速水流的沖擊。而對于一些非巖基溢洪道，在實際設計過程中，其底部由于缺少必要的反濾排水系統(tǒng)，容易造成發(fā)生塌方、滑坡問題；部分大面積砼襯砌沒有設置合理的伸縮沉陷縫，襯砌出現(xiàn)裂縫，工程安全受到嚴重影響。

1.5 溢洪道工程設計方式存在缺陷

中小型水庫的溢洪道平面、剖面設計存在問題，造成溢洪道陡坡設計出現(xiàn)問題，部分溢洪道布置在非山坡區(qū)域，在邊坡底部還缺少必要的反濾砌護，造成溢洪道整體滲水較為嚴重，甚至引發(fā)滑坡災害問題，直接影響了水庫的整體運營安全。而且，在工程設計過程中，由于現(xiàn)場溢洪道坡道的厚薄不均，穩(wěn)定性不能滿足工程需求，容易出現(xiàn)塌方、滑坡現(xiàn)象，整體的泄洪能力下降，沖刷力量較大。當前，我國中小型水庫溢洪道工程設計體系仍舊存在缺陷，經(jīng)常忽略平流段的進口水位損失，加上部分工程勘察水平不足、選擇的設計模式存在問題，最終形成的工程建設效果差強人意，部分工程的泄洪特征、結構基礎考慮不全面，經(jīng)常出現(xiàn)高速水流沖擊問題、排水反濾系統(tǒng)無法發(fā)揮作用甚至損毀，整個水庫的砌護存在裂縫等問題，直接影響工程建設的安全以及后續(xù)運營期的安全性能。

2 中小型水庫溢洪道設計存在問題的改進措施

2.1 掌握設計原則，合理進行系統(tǒng)布局

中小型水庫的溢洪道設計過程中要充分考慮工程建設區(qū)域的實際情況，根據(jù)現(xiàn)場實際地理、水文、地質(zhì)環(huán)境進行綜合評判，在此基礎上對工程整體造價進行合理設計。若水庫周邊存在可以利用的自然環(huán)境，要將其充分利用起來，作為溢洪道的布置區(qū)域。若出口區(qū)域較小，就不能布置正堰，應使用側槽溢洪道模式進行設計。在整個設計過程中必須掌握基本的設計原則，確保設計的基礎可靠、堅固，線路較短、合理性高，在出水口無主要建筑，避免在存在滑坡隱患的基礎上進行工程建設。

2.2 重視各個區(qū)段的設計，根據(jù)不同需求合理控制

2.2.1 近口段部分

針對近口段部分的設計，可以將出口位置設計成長度適中的喇叭狀，以便確保出水平順。若施工區(qū)域的地形存在問題必須在出口位置設計彎道的話，要盡量確保平緩，并保證與壩體的距離合理，將其對壩體的影響降至最低。引流段橫斷面要采用梯形模式設計，根據(jù)實際水流速度選擇是否需要砌護，但是對接近壩體、建筑的區(qū)域要進行必要的砌護。

2.2.2 堰流段部分

近口水流要與控制建筑保持垂直，才能保證泄洪均勻。在實際工程當中，要根據(jù)實際的地勢情況、出水需求采取實際的斷面堰設計，整體寬度要根據(jù)現(xiàn)場實際和單寬流量來進行確定，并針對堰口、上游引流段的角度進行控制，確保水流平順。

2.2.3 泄流段部分

在進行泄流段設計過程中，可以選擇直線形式進行合理布置，盡量減少彎道、扭坡的出現(xiàn)，避免流態(tài)變化產(chǎn)生的負壓問題。針對陡坡段，可選擇均一比降來進行設計。對于大流速的泄洪段要將其設計在堅固基巖上，若條件不足，就要通過合理計算找出合理的砌筑厚度。而新鮮巖基泄水道不必砌筑，風化巖石需要進行漿砌石并配以錨固筋，若需要進行大面積砌筑，必須研究清楚施工區(qū)域的水文地質(zhì)狀態(tài)和溫度變化情況，通過設置合理的伸縮縫、安置縱橫縫，在砌筑底部鋪置排水反濾料。

2.2.4 消能工部分

中小型水庫的溢洪道當中，泄洪段未端需要進行消能工設計，實際設計過程中使用多級躍水、末端躍流段設計，通過控制泄水方向與壩體間距來進行控制。對于非巖基礎，一般采用底流消能的方式，在其尾端設計相應的消能池。而對于遠驅水躍的問題，由于其容易形成沖刷，必須對其采用差動式消力檻的方式進行設計；對于巖石基礎，若其末端存在陡坡，就要進行挑射消能設計，以便起到節(jié)省消能池或護坦的作用，并且這種設計方式造價低、工作量效，應用較為廣泛。

2.2.5 側槽段部分

中小型水庫的溢洪道側槽段的設計必須遵循垂直來水流向原則，根據(jù)等高線的延伸情況確定合理的長度。通過側向進流，通過縱向泄流。對于側堰同深槽連接部分的角度要控制在合理范圍，其長度也要根據(jù)水深情況進行確定，整體設計要求要確保槽內(nèi)波動、橫向旋滾水流能夠直接進行陡坡段中去。

2.3 做好設計中的水力計算工作，合理安排不同區(qū)段需求

對于引流段入口首先要計算出壅水高度，確定水庫泄洪期水位，計算過程中可以由下游控制面向上游反求的方式進行計算；泄流段計算過程中可以獲得陡槽段水面曲線計算結果，若陡槽底寬變化時可以利用查爾諾門斯基法進行計算；側槽段的水力計算，需要假定均勻流，但是實際當中水流會出現(xiàn)沿程變量流，計算結果會出現(xiàn)差距，要想改變這種情況可以通過水流動量以水面曲線推導方式獲取結果，這種方式與實際泄流狀況吻合度較高；陡坡護砌過程中必須嚴格滿足避免滑坡、塌方，保證整體安全的基本原則，對于現(xiàn)場施工的伸縮縫，必須合理設置，并且在設置完成后，由于陡坡外表砌筑類似于大面積的薄板砌筑，必須充分考慮其滑動穩(wěn)定性，對于基礎應力、傾復穩(wěn)定性可以忽略。實際情況當中，陡坡的砌筑表面滑動力包含了水流拖泄、砌體自重順坡方向的分力、護面凸體產(chǎn)生的阻力等多種類型。

3 結語

對中小型水庫溢洪道設計中的常見問題與對策進行分析探討，具有十分重要的意義，不僅能提高中小型水庫溢洪道設計水平，為保證溢洪道施工質(zhì)量奠定堅實的基礎，并確保整個工程的質(zhì)量，還能增加水利企業(yè)的經(jīng)濟效益，更有助于推進我國水利建設事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 張松斌. 關于中小型水庫溢洪道設計中常見問題的研究[J]. 陜西水利，2017（S1）：52.

[2] 郭東. 中小型水庫加固設計及其管理問題研究[J]. 四川水泥，2015（5） ：162.