環(huán)形溢洪道的設(shè)計與試驗研究

楊宇

摘 要：在水利工程建設(shè)過程中，溢洪道的設(shè)計和建設(shè)是必不可少的施工步驟。一般溢洪道的設(shè)計形狀可以根據(jù)地勢狀況和工程需要而定，但根據(jù)以往的設(shè)計施工經(jīng)驗來看，環(huán)形溢洪道的設(shè)計和應(yīng)用是較為廣泛而且實用的。環(huán)形溢洪道具有施工成本低，防洪效果好的優(yōu)勢，應(yīng)予以大力推廣和使用。文章將以一項具體工程作為例，對環(huán)形溢洪道工程設(shè)計和施工的各項參數(shù)加以系統(tǒng)分析和研究，以更好的發(fā)揮環(huán)形溢洪道的防災(zāi)功效。

關(guān)鍵詞：設(shè)計方案；消力井設(shè)計；防渦施工

1 工程概況

河流是一條由北向南縱貫貴陽市城區(qū)的河流，流域面積為21km2，為山區(qū)雨源型小河流，洪水由暴雨形成；洪水具有峰量集中，漲峰歷時短的特點。城市的發(fā)展導(dǎo)致地面硬化，水流下滲量減少，加大了短時地表徑流。由于歷史的原因，貫城河河道過水?dāng)嗝鏈p小，阻水建筑物多，河道行洪能力差，加上局部河段地勢低洼，致使上游地區(qū)及市區(qū)暴雨強(qiáng)度較大時，極易形成內(nèi)澇，尤以噴水池附近地區(qū)最為嚴(yán)重，給人民生命財產(chǎn)帶來巨大的損失。1998年貴陽市政府為解決貫城河的水環(huán)境問題，擬在化龍橋附近修建一條排污分洪隧洞。工程的主要任務(wù)是分泄化龍橋以上河道汛期大部分洪水，提高噴水池附近繁華商業(yè)區(qū)的防洪能力。樞紐工程由環(huán)形溢洪道、隧洞等兩大部分組成，其最大排洪量為100m3/s。該工程于2000年建成。

2 進(jìn)口方案比較

該工程進(jìn)口位置只能選擇在人口較密、商業(yè)較繁華的化龍橋至沙河橋一帶。這一帶受地形及規(guī)劃用地的限制，加之泄洪流量較大，這給進(jìn)口的設(shè)計帶來了一定的難度。在布置設(shè)計時研究過豎井式溢洪道、環(huán)形溢洪道、龍?zhí)ь^式溢洪道加消力池消能三種可能的布置形式。豎井式溢洪道與環(huán)形溢洪道相比雖然工程投資相當(dāng)，但其水墊較淺，消能效果沒有環(huán)形溢洪道好；再加上漸變段、豎井，尤其彎管的曲率半徑不能滿足2～5倍控制段直徑要求，使得輸水隧洞內(nèi)會出現(xiàn)不穩(wěn)定的流態(tài)，甚至在彎管部位會出現(xiàn)很大的負(fù)壓。而環(huán)形溢洪道正好克服了這些缺點被確定為實施方案。環(huán)形溢洪道與龍?zhí)ь^式溢洪道加消力池消能相比減少占地約40%。

3 環(huán)形溢洪道的設(shè)計

3.1 環(huán)形堰設(shè)計

環(huán)形堰的設(shè)計施工要根據(jù)不同的泄洪要求采取相應(yīng)的施工標(biāo)準(zhǔn)和施工方法。我國根據(jù)不同的防洪標(biāo)準(zhǔn)制定了不同級別的安全等級系數(shù)，此案例中應(yīng)該以二級作為建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。要想保證泄洪效果，環(huán)形堰的堰體設(shè)計十分重要，堰體設(shè)計要考慮到多方面影響因素，如泄流的均勻程度，堰體的高度寬度以及傾斜的坡度，一般情況下，要采用緩坡的設(shè)計方式，避免水流變化過于迅速，根據(jù)特殊地質(zhì)情況也可以適當(dāng)采用陡坡設(shè)計以及連續(xù)坡體設(shè)計，以降低水壓差。本案中對地區(qū)水流速度測定為四米每秒，水流有高差并有一定傾斜角度，對于其水利工程的設(shè)計不能嚴(yán)格按照以往的經(jīng)驗，要在實際區(qū)域進(jìn)行水力的測量和調(diào)研，以最大程度的設(shè)計出符合泄洪標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)形堰。

3.1.1 定型水頭的確定

現(xiàn)行《溢洪道設(shè)計規(guī)范》SL253-2000明確規(guī)定：當(dāng)采用低堰時其定型水頭取Hd=0.65～0.85Hmax，結(jié)合本工程大多數(shù)情況是在低水頭運行和洪水有陡漲陡落的特點，同時考慮到引渠內(nèi)有4m/s左右的初始流速，為增加泄流量，確定采用定型水頭Hd=0.808Hmax的定型水頭。

3.1.2 堰面曲線的設(shè)計

根據(jù)進(jìn)口處的實際地形條件，環(huán)形溢流堰布設(shè)為低堰，堰高Hp=0.5m。堰面曲線的設(shè)計像一般實用堰和豎井式溢洪道一樣，環(huán)形堰的形狀（漏斗段）是根據(jù)銳緣薄壁環(huán)堰的水舌下緣剖面繪制。R堰頂半徑為3.3m及Hp=0.5m。

3.2 消力井的初步設(shè)計

消力井施工是指在水流流經(jīng)途徑中進(jìn)行井體的設(shè)計和挖掘作業(yè)，以降低水流由上游流下時的沖擊力，減緩水流的速度，在消力井的設(shè)計過程中，要進(jìn)行精確的角度值和深度值計算，在此過程中，要充分將當(dāng)?shù)厮髑闆r考慮在內(nèi)，包括水流速度，方向，徑流值等等，以便科學(xué)的進(jìn)行消力設(shè)計，確定井深和寬度。

4 試驗研究

試驗主要研究泄洪隧洞單獨泄洪和泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪兩種方式。上游河道控制最高水位1067m時，泄洪隧洞單獨泄洪最大泄流量100m3/s，泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪時，最大泄流量140m3/s，下游河道控制流量40m3/s，泄洪隧洞泄洪流量100m3/s。水工模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計為正態(tài)模型，幾何比尺采用1：20，滿足糙率相似。經(jīng)過對五種方案的試驗研究，實測了模型中的各種水力參數(shù)、流態(tài)和消能特性，并為工程設(shè)計推薦了一個比較合理的方案。

4.1 進(jìn)流水力特性

本工程引渠方向與河道呈83度的交角，使得行近水流具有較大的初始環(huán)量，造成進(jìn)流流速分布極不均勻，引渠左右流速差達(dá)4.00m/s。且存在較大橫向水面差，橫向水面差值為0.5～0.8m，并且在進(jìn)口上游無任何調(diào)節(jié)及穩(wěn)流設(shè)施，水流從河道經(jīng)寬頂堰直接進(jìn)入環(huán)形溢洪道，致使水流流速較大，高達(dá)8m/s，極大影響了進(jìn)流流態(tài)，因此，需要在施工中加入防渦設(shè)計和施工。

4.2 如何科學(xué)確定防渦墩和防渦墻的位置和數(shù)量

水流中強(qiáng)烈的漩渦會對渠道的設(shè)計和施工產(chǎn)生較大的影響，漩渦不僅會影響改地段的水流穩(wěn)定性，導(dǎo)致水流方向發(fā)射不規(guī)則變化，而且還有可能帶來更多的雜物堵塞排洪泄洪通道，造成對工程的破壞。因此，為了降低水流漩渦的不良影響，要在此施工設(shè)計時加入防渦墩和防渦墻的設(shè)計考慮。

4.2.1 不加設(shè)防渦設(shè)計可能引發(fā)的后果

在進(jìn)水口加設(shè)防渦設(shè)計是十分必要的。進(jìn)水口處出現(xiàn)漩渦可以突然使進(jìn)水水流速度增大，對泄洪道帶來嚴(yán)重的沖擊，而且還會導(dǎo)致溢洪道不能夠適應(yīng)水流的突然變化，影響其防洪排洪效果。在上述案例中，水流速度明顯超出了泄洪道的水流承受范圍，如果不加設(shè)防渦設(shè)計和施工將直接導(dǎo)致泄洪道的效能降低，無法起到防洪泄洪的作用。

4.2.2 不同的防渦設(shè)計和施工方案

在防渦設(shè)計和施工的過程中，可以根據(jù)情況不同選擇不同的設(shè)計和施工方案，以達(dá)到防渦的目的。通常情況下，防渦的施工手段可以分為防渦墩和防渦墻施工兩大類，二者的主要區(qū)別是防渦效果不同，防渦墩適用于局部水流的變化和漩渦點的改善，而防渦墻主要是針對漩渦影響面積較為廣泛的整個區(qū)域，因此，要在實際操作中靈活選擇防渦施工設(shè)計方案。首先，本案中可以采用加設(shè)3個防渦墩和1個外防渦墻來實現(xiàn)基本防渦需要，防渦位置的布置要事先進(jìn)行科學(xué)的測量和定位，對水流速度變化較為突然和激烈的位置要加設(shè)防渦墩，為了攔截水流湍急的整片區(qū)域，可以建構(gòu)防渦墻，防渦墻的設(shè)計高度和寬度要能夠符合防渦需要，以實現(xiàn)最好的防渦效果。為了達(dá)到更為理想的防渦效果，還可以加設(shè)一個防渦墻，使之與防渦墩聯(lián)合作業(yè)，有效攔截水流，改變水流的方向，并減緩水流的速度，保證溢洪道的排洪效果。

5 結(jié)束語

水利工程中溢洪道的作用十分重要，溢洪道是保證水利工程發(fā)揮排洪泄洪功效的有力保障，對水利工程主體結(jié)構(gòu)的安全具有強(qiáng)大的防護(hù)作用。溢洪道在設(shè)計建筑過程中，要注重其自身位置設(shè)計的科學(xué)性，同時還要注意其施工質(zhì)量一定要符合洪水沖擊的需要，以保證其泄洪能力的正常發(fā)揮。在溢洪道的設(shè)計施工中，經(jīng)常會面臨不良條件的制約，例如地勢的特點和施工當(dāng)?shù)厮鹘Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此，要因地制宜，在水流形勢較為復(fù)雜的區(qū)域適當(dāng)加設(shè)防渦設(shè)計，以最大限度的降低水流的速度和沖擊力，改變水流的方向，保證泄洪道的泄洪功能。除此之外，溢洪道的主體設(shè)計施工要進(jìn)行科學(xué)的布局與規(guī)劃，并進(jìn)行各項設(shè)計參數(shù)的設(shè)計和計算，將溢洪道分為不同階段進(jìn)行施工，提高整體工程質(zhì)量，總體溢洪道的設(shè)計要符合經(jīng)濟(jì)性和安全性原則，另外還可以依據(jù)當(dāng)?shù)氐貏萸闆r進(jìn)行特殊施工設(shè)計。

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