小水庫加固設計中溢洪道優化設計探討

鄭濟恩

（屏南縣水利局，福建 屏南 352300）

屏南屬山區農業縣，小型水庫數量較多，分布區域廣，主要是為農業生產提供灌溉水源，也為人民生活用水和工業用水提供水源，同時在防御洪水災害中也發揮了重要作用。然而，由于建設年代早，限于當時的施工條件等種種原因，當前許多水庫都不同程度存在一些病險問題，除險加固工作勢在必行。而溢洪道是水庫樞紐三大建筑物之一，是汛期泄洪和保證水庫安全的重要設施，因此，除險加固工程中必須重視溢洪道的優化設計問題。

1 小型水庫溢洪道設計存在的普遍問題

1.1 溢洪道泄流量設計的計算有問題

在計算溢洪道泄流量時，往往選用寬頂堰、實用堰、明渠等不同的進口型式，因為所用的流量系數不同，泄流量亦不同，有的甚至相差甚大。小型水庫的溢洪道，除有閘門控制的實用堰外，絕大部分按寬頂堰計算，但實際上有些堰沒有按寬頂堰去做，導致計算出來的泄洪能力與實際情況不相符合。

1.2 布置不合理

某些工程設計的溢洪道其進出口段離壩身太近，壩肩與溢洪道之間僅有單薄的山脊相隔，如果未對進口段進行有效的護砌，泄洪時一旦發生沖蝕現象，將直接對壩肩的安全構成威脅；有些設計的陡槽末端與壩腳緊貼，如果發生橫流沖刷，更易危及壩腳安全，這兩種情況均對大壩的運行安全十分不利。

1.3 洪水設計標準偏低

由于歷史問題，一些小水庫是在對水庫集雨面積、來水量、庫容和地質條件均不清的情況下建設的，設計時沒有土地測量，僅僅在大比例地形圖上量算集雨面積和庫容，其設計采用的洪水標準往往偏低，選用洪水數據偏小，從而影響水庫的安全。同時，許多小型水庫工程由于造價有限，設計人員采用的洪水標準往往偏低，選用洪水數據（洪峰、洪量）偏小，從而造成溢洪道設計尺寸偏小，不能保證安全泄洪。

1.4 水力設計方法不合理

設計人員在溢洪道的設計過程中沒有從專業的角度出發，沒有采用科學的設計方案，這就讓設計結果與方案難以達到實際工程的需要，給工程項目造成很大的阻礙。如溢洪道進口布置有引洪平流段的情況下，由于水力計算中忽略了平流段進口水位的壅高（即水頭損失），導致有些設計對溢洪道的消能工的設計考慮不夠充分，或者型式選擇不當，導致消力池長度和深度均不能滿足需要，消能不夠充分，致使下游河段發生嚴重沖刷。

1.5 泄槽（陡坡）段存在問題

一是坡度問題。陡坡不陡，坡降太小；二是彎道問題。由于泄洪時會在陡坡段的彎道處產生水面橫比降，同時由于邊界的變化會產生沖擊波，使橫斷面上的水深局部急劇加大，使下游幾處水流部分集中，給消能增加困難，有可能使消能設施遭到破壞。

1.6 消力池問題

由于歷史原因，受資金和技術條件限制，相當數量的小型水庫基都沒有消能防沖設施。幾乎每年汛期都會有溢洪道水毀事故發生。有溢洪道消力池的水庫主要存在以下問題：①消力池出口水流受阻或陡坡段有彎道影響。水流條件惡化，導致消力池破壞，有的消力池太短、太淺，水流在池內消能不充分，淘刷底板，致使消力池破壞。有的消力墩設置不當，水流紊亂，流速大時，在消力墩上會產生氣蝕；②消力池下游尾水位過低，泄洪時可能形成遠驅水躍，嚴重沖刷下游海漫；③消能不充分，下游遭受沖刷，嚴重時會發展成沖刷坑，影響溢洪道安全，當出口離壩腳太近時，水流沖刷壩腳，危及大壩安全。

2 溢洪道優化設計策略

（1）在泄流量設計計算中，要正確分清寬頂堰、實用堰、明渠等三種水流形態和工作條件，這樣才能落實溢洪道的實際過水能力，以避免造成與設計條件不相符的情況。

（2）溢洪道的布置應根據地形、地質、工程特點、樞紐布置、施工及運用條件等綜合因素進行全面考慮。如大壩附近有天然山坳可以布設溢洪道則最為理想；如主壩口狹窄無法布置正堰，則可考慮選擇側槽式溢洪道。其規劃布置的主要原則是：基礎堅硬均一，線路短，無彎道，出口遠離壩體，工程嚴禁布置在滑坡或崩塌體地上。

（3）針對眾多小型水庫現狀，對不滿足防洪要求的水庫可進行溢洪道拓寬、拓深；對溢洪道拓寬、拓深均有困難的水庫，也可考慮加高大壩與拓寬溢洪道相結合等方案的比較，選取最優方案。工程規模可通過調洪演算確定。此外，在洪水復核中，若為滿足防洪要求的泄洪流量與現行泄洪流量相差不大時，也可改變溢洪道形式。

（4）為了使水力計算與工程特性相一致，選擇正確的計算公式十分重要。具體如下：引流段的水力計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行，引流段進口處端須先計算水位雍高，才能求得泄洪時的正確庫水位；控制段的匯流計算可根據“溢流堰水力計算設計規范”建議的方法計算，同時正確選用流量系數時并使其與選用的堰型相一致；泄流段陡槽水力計算方法較多，如對底寬漸變的陡槽段可用查氏方法分段詳算，陡槽底寬固定不變時，可采用 BⅡ型降水曲線方法計算；消能設施的水力計算采取底流式消能，可以采用巴什基洛娃圖表計算。在選定消能設施的尺寸時應該留有余地。對于一些重要的中型水庫，其水力計算成果還應通過模型試驗加以驗證；側槽段的水力計算過去常采用“扎馬林法”，但由于該法計算時采用了均勻流假定，而實際水流狀態是沿程變量流，故不符合適用于均勻流的泄流公式，因而與實際泄流情況有較大出入。根據水流動量或能量關系而采用的水面曲線推算的公式比較符合實際泄流情況。由于側槽內實際的流態十分復雜，故在堰頂對面的岸坡水面要比平均水位抬高5%～20%，因此其設計的襯砌的高度、厚度要考慮上述影響。

（5）溢洪道末端的消能設施主要有底流消能、面流消能和挑流消能。對消能存在的問題，土石壩大部分采用修建消力池淌能的方式處理。消力池底板厚度應滿足抗浮穩定要求，由于底板四周邊界的約束作用，一般沒有滑動問題，因此僅需對其抗浮要求進行穩定計算。作用在底板上的上浮力包括滲透壓力、脈動壓力、底板上凸出體產生的上舉力以及下游消力池水深與水躍段內壓力差。抗浮力包括底板的浮重和底板上的水重，其抗浮安全系數≥1.3～1.5即為安全。

（6）在設計陡坡時，該段平面應采用直線布置，并盡量避免彎道和設置扭坡順引流態的急驟變化，甚至產生負壓；其縱斷面設計應因地制宜地，根據地形、地質而選用緩坡、陡坡或多級躍水等多種形式；陡坡段應采用均一比降，由于泄水段流速很高，襯砌厚度應按允許流速與地質條件選擇進行設計，一般漿砌石用0.50～1 m，砼0.20～0.50 m，鋼筋砼0.15～0.30 m（砼與鋼筋砼基部還應設0.304LSOm厚的漿砌石底砌護），其坡度一般以≤1/2.50為宜。

小型水庫溢洪道的作用不容忽視。在除險加固工程中，應因地制宜，采用科學的方法對溢洪道進行合理設計，保證溢洪道本身及水庫工程安全經濟可行。