水庫溢洪道控制段大體積混凝土施工技術

梁雄毅

（珠海市斗門區乾務水庫工程管理處，廣東 珠海 519000）

水庫溢洪道作為重要的水利工程結構，承擔著防洪、供水、發電等多重功能。其控制段的穩定性和抗沖刷能力對于水庫工程的安全運行至關重要。本文研究的對象是混凝土鉸鏈排防護方案，通過深入的模型試驗和計算分析，旨在評估該方案在不同水流條件下的效果，為水庫溢洪道控制段的大體積混凝土施工技術提供有力支持。

1 工程概況

A 水庫具有防洪、供水、發電等多重功能。該水庫建成后，將與相關工程協同作用，有效保護下游地區人民的生命財產安全，同時保障鐵路、高速公路等交通干線的正常運行。水庫溢洪道的開挖使左岸邊坡高度達到80m。初步設計方案中，溢洪道采用以下方案：進水渠左、右岸采用1：0.5 的巖石邊坡放坡；左岸設置了共5 級馬道，馬道的高程依次為415.0m、423.5m、438.5m、453.5m、468.5m，其寬度分別為3m、10m、3m、3m、3m，其中第二級馬道兼作泄洪洞控制段，連接通往大壩的交通道路；開挖面采用5m 長的錨桿支護，每根錨桿直徑25mm，間距為2×2m；右岸邊坡開挖后形成的人工坡高度最大不超過30m，大部分范圍在10～20m之間，不再設置馬道，也不進行支護。

根據現場實地考察和室內巖土體強度試驗結果，為了最大化工程經濟效益，提出以下建議：將邊坡坡度適當調整，由原設計的1：0.5 增加至1：0.4；同時，將第二級馬道的高程調整為423.5m，該馬道還將兼作泄洪洞控制段，連接通往大壩的交通道路。原本設計的10m 寬度考慮到施工高峰期車流量較大，因此建議將其擴展至12m。

2 混凝土鉸鏈排防護方案

2.1 防護方案的選擇理由

混凝土鉸鏈排作為水庫溢洪道的控制段的選擇具有多重合理的理由。首先，混凝土鉸鏈排表現出卓越的耐水性能和耐沖刷性能，這使得它能夠承受高速水流的沖擊，從而降低了控制段受損的風險。其次，混凝土鉸鏈排的結構設計穩定，能夠有效地分散水流的能量，減少了控制段河床沖淤的情況。此外，鉸鏈排的設計和施工相對簡單，容易進行維護和修復，這在典型的中游河段工程環境下顯得尤為重要。混凝土鉸鏈排的結構特點和形狀，使其在水庫溢洪道中的應用變得更加合理和可行。因此，這些理由共同促使了混凝土鉸鏈排成為水庫溢洪道控制段防護方案的首選[1]。

2.2 鉸鏈排的設計和特點

混凝土鉸鏈排作為一種水利防護工程，其設計和特點具有獨特之處，主要表現在以下幾個方面：

1.結構特點：混凝土鉸鏈排的獨特之處在于其結構設計。通常，它由多個鉸接的混凝土塊組成，這些塊之間可以根據需要進行靈活鉸接。這一設計的關鍵優勢在于，它能夠有效分散水流的沖擊力，從而降低塊體受損的可能性。無論水流條件是增大還是減小，鉸鏈排都能夠自動適應，保持其穩定性和防護效果。這種結構的靈活性是其設計的重要特點之一。

2.形狀特點：鉸鏈排通常呈階梯狀或波浪狀。這種形狀設計的目的在于增加水流的摩擦和擾動，有效減緩水流速度。通過在鉸鏈排上引入這些形狀特點，可以降低水流的沖擊力，使水流更加平穩地通過鉸鏈排。這進一步有助于保護水庫溢洪道的穩定性和防護效果。形狀特點的選擇取決于具體的工程需求和水流條件。

3.材料選擇：鉸鏈排的耐久性至關重要，因為它需要在長期水下運行，承受不斷的水流沖擊。因此，通常采用高強度混凝土或特殊的耐水材料來制造鉸鏈排。這些材料具備抵御水流侵蝕和自然環境影響的特性，確保鉸鏈排能夠長期穩定地履行其防護職責。此外，這些材料還具備良好的耐候性，能夠抵御紫外線、酸雨等環境因素的侵害，延長了鉸鏈排的使用壽命。

混凝土鉸鏈排以其獨特的設計和特點，為水利工程提供了可靠的防護和穩定性，有效減少了水流沖擊帶來的風險，對于保護工程設施和確保水流通暢具有重要作用。這些特點的合理應用有助于提高水利工程的可靠性和安全性[2]。

2.3 鉸鏈排的材料和施工要求

在鉸鏈排的設計與施工中，材料選擇和施工要求至關重要，直接影響著防護工程的質量和性能。以下是關鍵詞的擴寫：

1.材料選擇：鉸鏈排的制作材料是工程成功的基礎。應當選擇高質量的混凝土作為主要材料。這種混凝土具有卓越的耐水性，能夠長期承受水流的浸泡而不失效。同時，它還表現出出色的耐沖刷特性，可以抵御水流帶來的沖擊力，不會輕易受損。此外，混凝土必須具備卓越的抗沖擊性能，以應對突發的水流沖擊。所有這些材料特性都必須符合相關的水利工程標準和規范要求，以確保工程質量和長期可靠性。

2.施工要求：鉸鏈排的施工需要高度的專業技術和精密工程測量。施工過程必須確保鉸鏈排的幾何形狀和結構穩定性，以滿足工程設計的要求。特別需要關注鉸鏈排的鉸接部分，必須進行精確的工藝控制，以確保鉸鏈能夠正常運動，塊體之間能夠保持緊密連接。此外，在施工過程中還必須對混凝土的質量進行嚴格的控制，確保混凝土的配比、澆筑工藝和固化時間都符合要求。只有這樣，鉸鏈排才能具備優越的性能，能夠有效應對水庫溢洪道復雜的水流條件。

通過采用混凝土鉸鏈排防護方案，可以確保防護工程具備出色的穩定性和安全性，有效保障水庫溢洪道、副壩和水電樞紐工程的長期可靠運行。深入理解關鍵材料和施工要求的重要性，有助于提高工程質量和減小潛在風險，從而更好地服務社會和人民的安全[3]。

3 防護效果研究

3.1 模型試驗和計算分析

為了全面評估混凝土鉸鏈排防護方案的效果，進行了一系列關鍵的模型試驗和深入的計算分析。這些試驗和分析旨在深入了解鉸鏈排對水庫溢洪道水流的實際影響，以及防護工程在不同條件下的穩定性和抗沖刷能力。

在鉸鏈排的模型試驗中，詳細記錄了在不同洪水流量下的水流速度數據（V）以及水流流態的壓力數據（P）。這些關鍵數據不僅為實驗室測試提供了依據，還在實際工程中具有極高的參考價值。通過記錄和分析這些數據，可以深入了解鉸鏈排在不同水流條件下的表現，評估其對水流的實際影響。

其中，V 表示水流速度（m/s），Q 表示水流量（m3/s），A 表示流動橫截面積（m2）。

在水流速度數據方面，通過測量水流在不同洪水流量情況下的速度，了解鉸鏈排如何影響水流的流動性質。這有助于確定鉸鏈排的實際控制效果，尤其是在高水流條件下，鉸鏈排是否能夠有效減緩水流速度。

同時，也記錄了水流流態的壓力數據，以評估鉸鏈排對水流的壓力分布和力學特性的影響。這些數據對于確定鉸鏈排的穩定性和抗沖刷能力非常重要，特別是在面對洪水沖擊時。

通過模型試驗和計算分析，能夠更全面地了解混凝土鉸鏈排防護方案的實際效果。這些數據和結果為工程設計提供了有力支持，確保了防護工程在復雜的水流條件下具備出色的穩定性和可靠性。這不僅有助于確保工程的成功實施，還為類似工程提供了寶貴的經驗和參考[4]。

3.2 鉸鏈排對洪水流速和水流流態的影響

在模型試驗中，將鉸鏈排置于水流中，并針對不同的洪水流量條件進行了詳盡的測試。試驗結果表明，鉸鏈排在控制段的作用下，對水流具有顯著的影響。

首先，鉸鏈排能夠有效減緩水流的速度。這一效果在高洪水流量條件下尤為明顯，鉸鏈排成功地減緩了水流的流速。這意味著鉸鏈排在洪水期間能夠有效地減輕水流的沖擊力，降低了可能對防護工程造成損壞的風險。

其次，鉸鏈排的波浪狀結構在試驗中顯示出卓越的效果。這種波浪狀結構擾動了水流的流態，使其更加復雜和多變。通過引入這種擾動，成功地減小了水流的沖擊力，使其變得更為平穩和均勻。這對于保護防護工程的穩定性具有非常積極的影響。

在模型試驗中，詳細記錄了不同洪水流量下的水流速度數據（V）和水流流態的壓力數據（P）。這些數據是評估鉸鏈排對水流影響的關鍵依據。試驗結果強調了鉸鏈排作為水利防護工程的優勢，特別是在處理洪水和高水流條件下，它能夠有效地維護工程的穩定性，降低水流沖擊的威力。這些發現為工程設計和實施提供了有力的支持，確保了工程的可靠性和持久性。

水流流態的壓力（P）可以使用以下公式計算：

其中，P 表示壓力（Pa），ρ 表示水的密度（kg/m3），V 表示水流速度（m/s）。

在模型試驗中，可以測量水流的速度和壓力，并根據這些數據進行分析，以了解鉸鏈排對水流的影響。

水庫溢洪道的下距水利樞紐為63.5km，上距雅口航運樞紐為58.0km。因此，水庫溢洪道的總長度為5.5km。水庫溢洪道的河床底寬為250m。進口高程為39.0m，出口高程為38.0m。水庫溢洪道的導流標準為全年10 年一遇。對應的設計流量為13500m3/s。這些效果對于減小明渠邊坡的沖刷風險和維護防護工程的穩定性具有重要意義。

3.3 防護工程的穩定性和抗沖刷能力

為了評估防護工程的穩定性，可以使用以下公式來計算明渠邊坡的穩定性分析：

其中，FS 表示穩定性安全系數，τs 表示剪切應力（Pa），τc 表示抗剪強度（Pa），N 表示正應力（Pa），Nc 表示臨界正應力（Pa）。

為了計算沖刷深度，使用以下四個公式進行計算：

張瑞瑾公式：

其中：

P為孔隙水壓力（Pa）；ρ 為水的密度（kg/m3）；g 為重力加速度（m/s2）；h為水深（m）；c為常數。

崗恰洛夫公式：

其中：

Q為排水或滲透的速率（m3/s）；K為滲透系數（m/s）；A為截面積（m2）；h1為起始水頭（m）；h2為終點水頭（m）；L為滲透路徑長度（m）。

唐存本公式：

其中：

Q 為滲流速率（m3/s）；K為滲透系數（m/s）；h1為起始水頭（m）；h2為終點水頭（m）；L為滲透路徑長度（m）。

沙玉清公式：

其中：

σc為巖石的抗壓強度（Pa）；c為巖石的內聚力（Pa）；σtg為巖石的摩擦力（Pa）。

通過模型試驗和計算分析，對防護工程的穩定性和抗沖刷能力進行了評估，沖刷深度計算結果統計如表1 所示。

表1 沖刷深度計算結果統計

結果表明，鉸鏈排的設計和材料選擇能夠滿足工程要求，保證了防護工程在不同水流條件下的穩定性。特別是在洪水條件下，鉸鏈排能夠有效分散水流沖擊力，減少明渠邊坡的沖刷和坍塌風險。

通過以上的研究，可以得出混凝土鉸鏈排防護方案對水庫溢洪道的控制段效果良好，具有穩定性和抗沖刷能力，能夠有效保障水庫大壩和水電樞紐工程的安全運行。這些研究結果為類似水利工程的防護設計和施工提供了有價值的經驗和參考[5]。

4 結語

深入研究水庫溢洪道控制段大體積混凝土施工技術是確保水利工程安全和穩定運行的重要一環。本文通過對混凝土鉸鏈排防護方案的評估，證明了其在防洪、抗沖刷等方面的出色性能。這不僅為水庫溢洪道工程提供了可行的防護方案，也為類似工程的設計和施工提供了有價值的經驗和指導。期待這項研究能夠為水利工程領域的發展和進步做出貢獻，確保人民生命財產安全和水資源的有效利用。