淺談水庫溢洪道工程設計思路

摘 要：溢洪道是水庫等防洪建筑物的重要組成部分，其設計的好壞直接影響到水庫的安全狀況。為此，本文結合工程實例，圍繞溢洪道設計計算、基礎處理及安全監測等方面探討了水庫溢洪道工程的設計思路，并闡述了溢洪道設計過程中的注意事項，可供設計人員參考。

關鍵詞：溢洪道；設計計算；結構布置；安全監測

溢洪道是水利工程建設中最為常見的建筑，是水庫等防洪建筑的重要設備。當水庫里水位超過安全限度時，溢洪道能夠發揮出排除水庫存超蓄洪水的作用，使水從溢洪道向下游流出，防止水壩被毀壞，以確保水庫在汛期及泄洪期間的安全。但在水庫建設過程中，若溢洪道設計不合理，則容易出現側墻混凝土脫落、伸縮縫開裂和底板破碎等質量問題，不僅影響到溢洪道的使用性能，而且對水庫的安全狀況也構成極大的威脅。因此，工程設計人員應做好水庫溢洪道設計工作，確保水庫的質量安全。

1工程概況

某水庫是一座以農田灌溉為主，兼顧防洪、水產養殖等綜合效益水庫，主要由攔河壩、溢洪道等建筑物組成。溢洪道位于大壩右端，堰寬15.0m，堰頂高程277.00m，最大泄量21.30m3/s。

2溢洪道設計

2.1規模確定

考慮水庫為中型水庫，選擇4m堰寬，跟國內同規模水庫比較，相對較小；同時，水庫洪水主要靠溢洪道宣泄，堰寬太小，溢洪道超泄能力弱，水庫安全度相對較低。

2.2結構布置

引水渠長35.0m，底高程144.50m，寬8.0m。

進口平直段采用鋼筋混凝土“U”型槽結構，長12.0m，底板頂高程144.50m，凈寬8.0m，墻頂高程150.90m。

閘室段采用鋼筋混凝土“U”型槽結構，總凈寬8m，分1孔，閘室順水流方向長15m。采用駝峰堰，堰頂高程145.50m，邊墩寬1.5m，墩頂高程150.90m。設平板工作門與平板檢修門，均采用卷揚式啟閉機。墩頂設交通橋，寬6.0m，橋面高程150.90m。邊墩與山體間設一道鋼筋混凝土刺墻，墻頂高程為150.90m，刺墻底部位于弱風化花崗巖，刺墻下布置帷幕灌漿，與閘室帷幕灌漿連接成整體。

陡坡段長72m，起點高程142.98m，斷面為矩形，底寬8m，陡坡比降1∶5，陡坡兩側為衡重式擋墻，擋墻頂高程按陡坡水面線加摻氣高度和超高后確定，陡槽底部為鋼筋混凝土底板，擋墻后及底板下布置排水系統。

挑流段長15m，反弧半徑10m，挑角20°，鼻坎頂高程127.00m。尾水渠長663m，起點底高程125.50m，比降1∶500，寬8.0m。

2.3設計計算

2.3.1堰型設計

堰型采用駝峰堰，根據定型設計水頭和堰高關系，選擇a型堰面曲線，上游堰高1.0m，中圓弧半徑2.5m，上下圓弧半徑6.0m。

2.3.2泄流能力計算

泄流能力計算采用《溢洪道設計規范》（SL253-2000）中，開敞式駝峰堰的泄流能力公式計算：

Q=mεB槡2gH03/2ε=1-0.2[ζk+（n-1）ζ]0H0nbm=0.385+0.171（P/H0）0.657（1）

式中：Q為流量，m3/s；B為溢流堰總凈寬，B=8m；n為閘孔數目，n=1；g為重力加速度，m/s2；H0為計入行近流速水頭的堰上總水頭，m；ζk為邊墩形狀系數，取ζk=0；ε為閘墩側收縮系數；m為流量系數。

經計算：設計情況，Q計算=106m3/s，Q設計=93m3/s；校核情況Q計算=179m3/s，Q設計=155m3/s，泄洪能力滿足設計要求。

2.3.3泄槽水面線計算

泄槽水面線根據能量方程，用分段求和法計算，計算公式為：

式中：Δ1-2為分段長度，m；h1、h2為分段始、末斷面水深，m；v1、v2為分段始、末斷面平均流速，m/s；、為流速分布不均勻系數，取1.05；i為泄槽底坡，i=1：5；θ為泄槽底坡角度；n為泄槽槽身糙率系數；為分段平均流速，m/s；為分段平均水力半徑，m；為分段內平均摩阻坡降。

起始斷面水深h1可按下式計算：

式中：q為起始計算斷面單寬流量，m3/（s·m）；H0為起始計算斷面渠底以上總水頭，m；θ為泄槽底坡角度；為起始計算斷面流速系數，取0.95。計算結果見表1。

表1泄槽水面線計算成果表

2.3.4挑流消能計算

挑流水舌外緣挑距按下式計算：

（4）

式中：L為自挑流鼻坎末端起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m；θ為挑流水舌水面出射角，取θ=20°；h1為挑流鼻坎末端法向水深，m；h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差，m；v1為鼻坎坎頂水面流速，m/s，按鼻坎處平均流速v的1.1倍計。

鼻坎平均流速按下式計算：

式中：v為鼻坎末端斷面平均流速，m/s；Z0為鼻坎末端斷面水面以上的水頭，m；為流速系數；為泄槽沿程損失，m；hj為泄槽各項局部損失水頭之和，m；S為泄槽流程長度，m；q為泄槽單寬流量，m3/（s·m）。

沖刷坑最大水墊深度按下式計算：

式中：T為自下游水面至坑底最大水墊深度，m；q為鼻坎末端斷面單寬流量，m3/（s·m）；Z為上、下游水位差，m；K為綜合沖刷系數，取k=1.1。計算結果見表2。

表2挑流計算成果表

沖坑上游坡比為1∶3.7，能夠滿足規范要求。

2.3.5控制段穩定分析

堰基底面的抗滑穩定安全系數按下列抗剪斷強度公式計算：

式中：K為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；fˊ為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數，取fˊ=0.8；cˊ為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力，取cˊ=0.7Mpa；ΣW為作用于堰體上的全部荷載對計算滑動面的法向分量；ΣP為作用于堰體上的全部荷載對計算滑動面的切向分量；A為堰體與基巖接觸面的截面積。

計算了工程完建期、正常蓄水位擋水和校核洪水泄洪三種工況，成果見表3。

表3閘室穩定計算成果表

根據《溢洪道設計規范》（SL253—2000）要求，按抗剪斷強度公式計算的允許最小安全系數，基本組合〔K〕=3.0，特殊組合〔K〕=2.5，計算結果均大于規范允許最小值，閘室抗滑穩定能夠滿足設計要求。

3基礎處理和排水

溢洪道基礎為弱風化花崗巖，考慮在閘室及刺墻下布置一排帷幕灌漿，并向兩側山體各延伸8m，擬定帷幕灌漿的孔距為1.5m，深度為8.0m。根據物探成果，有2條構造破碎帶分別位于閘室、陡坡段，采用回填混凝土塞的方法處理。

為減弱閘室基底揚壓力，在帷幕灌漿下游3m處設置一排排水孔，孔深5m，孔距1.5m。為減弱滲水對陡坡段底板和邊墻的滲透壓力，在底板底部和擋土墻后設置縱橫溝槽式碎石排水，構成縱橫排水系統，縱向排水通向挑流鼻坎下面，將滲水排向下游。

4安全監測

4.1變形監測

包括垂直、水平位移監測，共設置位移觀測點10個，兩岸設4個工作基點和4個校核基點。

4.2滲流監測

選擇閘室軸線布置1個滲流觀測斷面，共設置4支滲壓計（揚壓力計），用來監測溢洪道的揚壓力。

4.3水位觀測

分別在堰前、閘室段、陡坡段及出口段設水尺以觀測水位，共設水尺5根。

5 結語

在水利工程建設中，水庫溢洪道設計質量的好壞直接影響到水庫投入使用后的安全狀況。因此，工程設計人員應加強水庫溢洪道設計工作的力度，做好堰高和堰寬的選擇、泄洪能力計算、挑流效能計算和安全監測等方面的工作，同時積極學習國內外成熟的溢洪道設計經驗，不斷提高工程設計水平，以確保溢洪道設計達到工程的需要。

參考文獻

[1] 蔡忠平.水利水電工程中的水庫溢洪道設計[J].建筑與文化，2012年第07期

[2] 王振業.淺談中小型水庫的溢洪道設計[J].建筑科技與管理，2011年第12期