水庫工程中溢洪道設(shè)計的思考總結(jié)

蘭紹華，龍明星

(貴陽市水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽 550005)

水庫工程中溢洪道設(shè)計的思考總結(jié)

蘭紹華，龍明星

(貴陽市水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽 550005)

溢洪道是水工建筑物中一種最常見和必須設(shè)置的建筑物，用于宣泄規(guī)劃庫容所不能容納的洪水，保證大壩安全。針對工程中不同的地形地質(zhì)條件、水工建筑物組成及設(shè)計洪量，從溢洪道的布置選擇、設(shè)計內(nèi)容上進行了總結(jié)。

水庫工程;規(guī)劃庫容;大壩安全;溢洪道設(shè)計;思考總結(jié)

在水利樞紐中，必須設(shè)置泄水建筑物。溢洪道是一種最常見的泄水建筑物，用于宣泄水庫設(shè)計庫容所不能容納的洪水，防止洪水漫溢壩頂，保證大壩安全。另外，溢洪道的設(shè)計和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關(guān)系到整個工程造價。土石壩一般中小型溢洪道，約占水庫樞紐工程造價的25%～30%，故溢洪道合理的布局和選型，在水庫工程設(shè)計中是一個比較重要的環(huán)節(jié)。

1 溢洪道的布置

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)濟合理又要保證安全。根據(jù)水工建筑物中壩型選擇的不同，溢洪道可以與壩體結(jié)合在一起，也可設(shè)在壩體以外。剛性壩(混凝土壩、砌石壩等)一般適于經(jīng)壩體表孔溢洪或壩身泄洪，如各種溢流壩及壩身泄水孔等。此時壩體既是擋水建筑物又是泄水建筑物，樞紐布置緊湊、管理集中，這種布置一般是經(jīng)濟合理的。而對于柔性壩(土壩、堆石壩等)，一般不容許從壩頂溢流或大量溢流。

除以上兩種受壩型選擇控制的情況外，當(dāng)河谷狹窄而泄洪量大，難于經(jīng)混凝土壩或砌石壩泄放全部泄水時，則需在壩體以外的岸邊或天然埡口處建造溢洪道，通常稱為岸邊溢洪道。其規(guī)劃布置的主要原則是:基礎(chǔ)堅硬均一，線路短，無彎道，出口遠(yuǎn)離壩體;工程嚴(yán)禁布置在滑坡或崩塌體地基上。

2 溢洪道的組成

按溢流堰軸線與泄槽軸線是否正交的情況，溢洪道可分為正槽式溢洪道與側(cè)槽式溢洪道。正槽式溢洪道通常由引水渠、控制段、泄槽、出口消能段及尾水渠等部分組成，而與混凝土壩結(jié)合的壩頂開敞式溢洪道一般只有控制段、泄槽及消能段。

3 溢洪道的設(shè)計

正槽式溢洪道的泄水槽因與堰上水流方向一致，其水流平順，泄流能力大，適用于各種水頭和流量，是一種常用的河岸溢洪道形式。下面就正槽式溢洪道設(shè)計中的幾個問題總結(jié)如下，供參考。

3.1 引水渠的布置

引水渠的作用是將水庫的水平順地引至控制堰前，其設(shè)計原則:①在平面布置上應(yīng)平順，避免斷面突然變化和急劇轉(zhuǎn)變;②在合理的開挖前提下減小渠中水流速度，以減少水頭損失，流速應(yīng)大于懸移質(zhì)不淤流速，小于引水渠道的不沖流速，規(guī)范規(guī)定一般≤4 m/s;③引水渠渠底應(yīng)布置成比堰頂?shù)鸵恍┑钠降谆虿淮蟮哪嫦蚱拢驗樵谝欢ǖ难唔斔^下，行近水深越大，流量系數(shù)也較大，泄放相同流量所需的堰頂長度要小。因此，在設(shè)計時根據(jù)泄洪流量合理確定渠寬及流速就顯得十分重要。

3.2 控制段的堰型選擇

控制段的溢流堰是水庫下泄洪水的口門，是溢洪道泄流能力的關(guān)鍵部位，因此必須合理選擇溢流堰段的形式和尺寸。溢流堰通常選用寬頂堰、實用堰，有時也用駝峰堰、折線形堰等。

1)寬頂堰:其特點是結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，但其流量系數(shù)較小。其適用于泄流量不大或附近地形較平緩的中、小型工程中。

2)實用堰:其優(yōu)點是流量系數(shù)較寬頂堰大，在相同泄流量條件下，需要的溢流前緣較短，但施工較復(fù)雜。大、中型水庫，特別是岸坡較陡時，多采用此種形式。

3)駝峰堰:駝峰堰是一種復(fù)合圓弧低堰，是我國從工程實踐中總結(jié)出來的一種新堰型，其流量系數(shù)可達(dá)0.42以上，經(jīng)模型試驗資料表明，當(dāng)堰上水頭Hd=5.3 m時，m=0.47;Hd=5.57 m時，m=0.458。說明其流量系數(shù)較大，但流量系數(shù)隨堰上水頭增加而有所減小。駝峰堰的堰體低，流量系數(shù)較大，設(shè)計與施工簡便，對地基要求低，是中、小型水庫發(fā)展推薦的一種堰型。

4)折線型堰:為獲得較長的溢流前沿，在平面上將溢流堰做成折線形，堰體由若干個折曲組成，形同迷宮，又稱迷宮堰。工程中應(yīng)用較少。

選擇適宜的堰面定型設(shè)計水頭Hd，對控制堰的泄洪量和工程的安全有著重要的意義。由于溢洪道上的堰多為低堰，下游水深相對較大，選用較小的定型設(shè)計水頭，高水位時一般不會發(fā)生過大的負(fù)壓，有利于渲泄較大的洪水。部分研究認(rèn)為當(dāng)堰頂水頭H=1．4Hd時，堰面負(fù)壓不致產(chǎn)生有害的影響，所以Hd一般采用堰頂最大水頭的0.6～0.75倍。規(guī)范規(guī)定低堰的定型設(shè)計水頭Hd一般取為堰頂最大水頭的65% ～85%。

3.3 泄槽

為溢流堰后與出口消能段相連接的泄水槽，泄槽在平面布置上應(yīng)因地制宜，盡可能采用直線、等寬、對稱的布置。

3.4 出口消能段

水庫工程中由溢流堰下泄的水流具有很大的動能，若不處理，將對下游河床及兩岸邊坡造成沖刷，造成岸坡坍塌和大壩失事。所以，應(yīng)根據(jù)工程實際情況選擇合理的消能措施。在實際工程中，常用的消能工形式有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等，其中，挑流消能方式應(yīng)用最廣。

4 工程實例

貴陽市清鎮(zhèn)席關(guān)水庫工程是清鎮(zhèn)市百花工業(yè)區(qū)規(guī)劃的主要水源點之一，位于清鎮(zhèn)市站街鎮(zhèn)洗馬村鴨蛋寨組，壩址距站街鎮(zhèn)8 km，距清鎮(zhèn)市18 km，現(xiàn)無公路到壩址，交通不便。

席關(guān)水庫總庫容為477萬m3，灌溉面積196.67 hm2，水庫規(guī)模為小⑴型，水庫樞紐為Ⅳ等工程，大壩、溢洪道、取水口等主要建筑物為4級，次要永久建筑物為5級，相應(yīng)的輸水管道及管系建筑物為4級建筑物，臨時建筑為5級。工程以站街工業(yè)區(qū)供水為主，初選水庫正常蓄水位1 255 m，死水位1 246 m，95%供水保證率供水量570萬m3/a。經(jīng)壩址壩型比選，本工程推薦下壩址混凝土砌毛石重力壩方案。主要建筑物包括主壩混凝土砌毛石重力壩、壩頂溢洪道、壩身放空兼沖砂底孔、壩身取水口及渠系建筑物、供水建筑物等組成。

大壩為混凝土砌毛石重力壩，選擇采用壩頂表孔溢流的表孔溢洪道。溢流段寬度根據(jù)溢流時不允許沖刷岸坡進行確定，溢流堰進口凈寬18 m，設(shè)3孔，單孔凈寬6 m，堰頂高程1 252.0 m。

4.1 泄流能力計算

壩頂溢流采用實用堰，泄洪能力按下列公式計算:

經(jīng)計算，校核洪水位時，閘門開度3.5 m，下泄流量Q=428 m3/s;設(shè)計洪水位時，閘門開度3.5 m，下泄流量 Q=270 m3/s。設(shè)計溢洪道滿足泄洪要求。

2.2 堰型計算

堰型為WES實用堰，定型設(shè)計水頭H=(0.75～0.95)

直線段m=0.8，在坐標(biāo)(8.89 m，6.83 m)處與直線相切，堰頂下游采用WES冪曲線，采用方程:Y=0．154X1．85。計算結(jié)果見表1。

表1 WES冪曲線計算坐標(biāo)點

4.3 消能計算

采用挑流消能，反弧半徑 R=(0．25～0．5)(Hd+Zmax)=5.53～11.01 m，取反弧半徑R=10 m，鼻坎高程1 241.05 m，挑角22°。泄水建筑物為4級建筑物，根據(jù)規(guī)范，下游消能設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水，P=5%時，庫水位1 255.16 m，最大下泄流量193 m3/s，相應(yīng)下游水位1 237.62 m，P=2%時，庫水位1 255.74 m，最大下泄流量248 m3/s，相應(yīng)下游水位1 238.09 m，P=0.2%時，庫水位1 257.07 m，最大下泄流量391 m3/s，相應(yīng)下游水位1 239.99 m。

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》SL 319-2005，挑流消能計算公式如下:

泄流采用挑流消能，消能設(shè)計按洪水標(biāo)準(zhǔn)在P=5%，P=2%，P=0.2%情況下，沖刷坑后坡i均小于ik(允許最大后坡)，安全。

5 結(jié)束語

在水利工程樞紐布置中，溢洪道的布置設(shè)計是必不可少的工作內(nèi)容之一，掌握溢洪道的分類及建筑物組成，掌握各組成部分的工作原理及設(shè)計原則。根據(jù)實際工程中的地形地質(zhì)條件及設(shè)計洪量，合理布置和確定溢洪道規(guī)模及各部分尺寸，安全宣泄規(guī)劃庫容所不能容納的洪水，保證下泄水流與其它建筑物妥善銜接，互不影響其正常工作，保證大壩及工程安全顯得尤為重要。故僅以此文共勉，不足之處，多謝指教。

［1］祁慶和.水工建筑物［M］.北京:中國水利水電出版社，1981:340-360.

［2］李啟業(yè)，郭竟章.SL253-2000溢洪道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2000:1-90.

［3］蘭紹華，吳劍. 清鎮(zhèn)席關(guān)水庫工程初步設(shè)計報告［Ｒ］. 貴陽: 貴陽市水利水電勘測設(shè)計研究院，2010: 131 - 134.

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1007-7596(2012)07-0087-02

2012-06-25

蘭紹華(1979-)，男，貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)人，工程師，從事水工設(shè)計工作;龍明星(1985-)，男，貴州貴陽人，助理工程，從事