淺述中小型水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)中存在問(wèn)題分析

繆康能

摘要：溢洪道在水庫(kù)工程中的作用是防止設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的洪水漫頂。工程設(shè)計(jì)者應(yīng)從實(shí)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(jì)算及結(jié)構(gòu)計(jì)算層層把關(guān)，既要保證工程安全運(yùn)行，又要確保經(jīng)濟(jì)合理。

關(guān)鍵詞：溢洪道；問(wèn)題；設(shè)計(jì)

1設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

（1）溢洪道是發(fā)洪水期間保證水庫(kù)安全的重要設(shè)施，中小型水庫(kù)由于受工程造價(jià)的限制，其設(shè)計(jì)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(lái)溢洪道設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)一旦發(fā)生沖刷，將危及壩肩安全，有些設(shè)計(jì)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(duì)大壩的運(yùn)行安全十分不利。

（3）溢洪道設(shè)計(jì)的平面彎道半徑過(guò)大和收縮過(guò)劇，對(duì)泄流十分不利。特別在溢洪道陡坡段布置有彎道時(shí)，由于彎道流態(tài)、流勢(shì)劇烈變化，導(dǎo)致兩岸產(chǎn)生了水面差，這時(shí)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(jì)中比較突出的問(wèn)題是陡坡比降過(guò)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(guò)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(jì)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(jì)算中忽略了平流段進(jìn)口水位的壅高（即水頭損失）。而實(shí)際壅高有時(shí)較大，不可忽視。有些設(shè)計(jì)對(duì)溢洪道的消能工的設(shè)計(jì)考慮不夠充分，或者型式選擇不當(dāng)，導(dǎo)致消力池長(zhǎng)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(jì)中對(duì)泄洪的特點(diǎn)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(dòng)現(xiàn)象十分顯著常會(huì)產(chǎn)生劇烈的震動(dòng)；有些溢洪道采用低標(biāo)號(hào)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(jì)時(shí)，底部幾乎沒(méi)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(jì)中的應(yīng)對(duì)措施

溢洪道設(shè)計(jì)中掌握的基本資料是否充分與完善，選用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是否恰當(dāng)，均直接影響到整個(gè)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(wú)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(jiān)硬均勻，線路短，無(wú)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(gè)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(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)。如因地形所限須在該段內(nèi)設(shè)置彎道時(shí)，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?，堰寬度可按允許單寬流量選定，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(jì)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(jí)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(jì)，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(jí)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(duì)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(shí)，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(jià)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(jì)算

為使水力計(jì)算與工程特性相一致，故正確選用計(jì)算方法十分重要

（1）進(jìn)口段的水力計(jì)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(jì)算水位壅高，才能求得泄洪時(shí)的正確庫(kù)水位。

（2）控制段的匯流計(jì)算?？筛鶕?jù)“溢流堰水力計(jì)算設(shè)計(jì)規(guī)范”建議的方法計(jì)算，同時(shí)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(jì)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(shí)，可采用BⅡ型降水曲線或用查爾諾門斯基方法計(jì)算；對(duì)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(jì)算。采取底流式消能可以采用巴什基洛娃圖表計(jì)算。由于巴氏對(duì)各種消能設(shè)備的計(jì)算方法與步驟均較明確、詳細(xì)，計(jì)算省時(shí)又能保證精度；但是在選定消能設(shè)施的尺寸時(shí)應(yīng)該留有余地，對(duì)于一些重要的中型水庫(kù)其水力計(jì)算成果還應(yīng)通過(guò)模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

2.3結(jié)構(gòu)計(jì)算

為保證建筑物安全穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)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(duì)挑射消能則應(yīng)進(jìn)行鼻坎的穩(wěn)定與基礎(chǔ)應(yīng)力計(jì)算。

（1）陡坡的護(hù)砌厚度應(yīng)滿足滑動(dòng)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(duì)基礎(chǔ)應(yīng)力以及傾復(fù)穩(wěn)定一般可不須計(jì)算，其主要控制條件是滑動(dòng)穩(wěn)定，作用在護(hù)面上的滑動(dòng)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(dòng)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(méi)有滑動(dòng)問(wèn)題，因此僅需對(duì)其抗浮要求進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。作用在底板上的上浮力包括滲透壓力、脈動(dòng)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?？垢×Πǖ装宓母≈睾偷装迳系乃?，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(dòng)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(dòng)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(shí)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(jì)算鼻坎的滑動(dòng)與傾復(fù)穩(wěn)定時(shí)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(shí)計(jì)算上述各力的合力，其作用點(diǎn)應(yīng)位于基礎(chǔ)面中三分點(diǎn)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(yǔ)

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(shí)，幾乎都采用河岸溢洪道。但是，溢洪道的設(shè)計(jì)和布置合理與否，直接影響到水庫(kù)的安全。故溢洪道合理的布局和選型，在水庫(kù)工程設(shè)計(jì)中十分重要。