小型水庫溢洪道設(shè)計研究

易門縣水利局 云南省玉溪市易門縣 651100

摘要：溢洪道是一種防洪設(shè)備，用來排流超過水庫安全水位及以上的水，以防止水壩被沖毀，保證壩體安全。溢洪道雖然不會經(jīng)常使用，但是它是我們水庫系統(tǒng)中必不可少的部分。溢洪道的設(shè)計，是根據(jù)水庫堤壩的地理位置，當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)特征，水排泄的樞紐位置和施工條件等，各方因素確定的。

關(guān)鍵詞：水庫；溢洪道；設(shè)計

1、工程條件

菜花壩位于浦貝鄉(xiāng)政府住地西北約1.5公里處，距易門縣城7公里，地理坐標(biāo)為東經(jīng)102°10′，北緯24°37′，屬地為浦貝村委會上浦貝村民小組，徑流面積1.5km2，菜花壩水庫徑流區(qū)屬于屬紅河流域綠汁江水系浦貝河上游，壩位海拔高程1590.20m，庫區(qū)多年平均降雨量812mm。多年平均徑流量22.5萬m3。水庫總庫容57.8萬m3，屬已建小（2）型水庫，工程等別為五等5級，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇（P=5%），校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇（P=0.5%），區(qū)域內(nèi)地震烈度為Ⅷ度。該水庫溢洪道為開敞式溢洪道，由漸變段和寬頂堰組成。寬頂堰共設(shè)置為1孔，為漿砌石結(jié)構(gòu)，道泄流段為混凝土襯砌，經(jīng)檢查，結(jié)構(gòu)物表面未發(fā)現(xiàn)裂縫、錯動、傾斜等不穩(wěn)定現(xiàn)象，外觀較完好，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。溢洪道寬頂堰過水能力為Q=0.72m3/s，不能滿足水庫的最大泄流量（Q=2.09m3/s）要求。

2、設(shè)計對策

溢洪道設(shè)計中掌握的基本資料是否充分與完善，選用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是否恰當(dāng)，均直接影響到整個工程的安全及經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)就有關(guān)問題談一些看法：

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上。溢洪道通常有四個主要部分組成：引流段（近口段）、控制段（堰流段）、泄流段（陡坡、急流段）及消能工。

2.1.1引流段（近口段）

為引流平順其進(jìn)口形狀最好做成喇叭口，為減小損失其長度不宜過長。如因地形所限必須在該段內(nèi)設(shè)置彎道時，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。引流段截面一般選用梯形或矩形，當(dāng)流速≤1～2米/秒時一般可不砌護(hù)，但與壩端鄰近和緊接控制建筑物的范圍內(nèi)應(yīng)砌護(hù)一定長度，同時在彎道二側(cè)的凹岸亦應(yīng)砌護(hù)，如為堅硬的巖基則可不考慮。

2.1.2控制段（堰流段）

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)嵱脭嗝嫜撸邔挾瓤砂丛试S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。除近口段設(shè)有引流段外，一般應(yīng)使堰頂寬度≤3h堰（h堰為堰上水頭，單位m）；為使水流平順，堰口與其上游引流段可采用漸變段連接，其收縮角以12度左右為宜。如堰體較寬則應(yīng)在其橫向設(shè)置溫度縫與沉陷縫，其間距可按10～15m布設(shè)。

2.1.3泄流段（陡坡、急流段）

該段平面均采用直線布置，并盡量避免彎道和設(shè)置扭坡順引流態(tài)的急驟變化甚至產(chǎn)生負(fù)壓；其縱斷面設(shè)計應(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，一般漿砌石用0.5～1.0m，砼0.2～0.5m，鋼筋砼0.15～0.3m（砼與鋼筋砼基部還應(yīng)設(shè)0.3～05m厚的漿砌石底砌護(hù)），其坡度一般以≤1/2.5為宜。

新鮮巖基上的泄水道，可不砌護(hù)；如為松軟風(fēng)化巖石仍須用0.3～0.5m的漿砌石或0.2m厚的砼作砌護(hù)，并加設(shè)錨固筋；如需大面積砼襯砌則應(yīng)按地質(zhì)情況，結(jié)合溫度變化布置伸縮縫和沉陷縫，兩側(cè)邊坡可僅設(shè)橫縫，底部則應(yīng)設(shè)縱橫縫，間距一般為8～12m，同時在襯砌底部需敷設(shè)排水的反濾料；考慮高速水流摻氣的特點，邊坡的砌護(hù)高度應(yīng)有適當(dāng)超高。

2.1.4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，此時可考慮采用差動式消力檻形式；在巖基上，如溢洪道尾端有較陡邊坎時，采用挑射消能較為有利（但需考慮高空擴(kuò)散氣流及下游沖刷對周圍影響），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、造價低，因而常被采用。根據(jù)工程實踐鼻坎形式以矩形差動式最好，但鼻坎以上陡坡最好做成矩形斷面，千萬不可作成梯形斷面以免需用扭坡與鼻坎銜接。

2.1.5側(cè)槽段（指側(cè)堰深槽式溢洪道）

該段布置應(yīng)垂直于來水流向，其長度可根據(jù)等高線向上游延伸，水流特點是側(cè)向進(jìn)流，縱向泄流。

側(cè)堰與深槽連接的漸變過渡段，其收縮角應(yīng)控制在12°左右，其長度一般為槽內(nèi)水深的3～5倍，其主要作用是避免槽內(nèi)波動和橫向旋滾的水流直接進(jìn)入陡坡段。

2.2水利計算

為使水力計算與工程特性相一致，故正確選用計算公式十分重要。

2.2.1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(jìn)行（如查爾諾門斯基方法），引流段進(jìn)口處端須先計算水位壅高，才能求得泄洪時的正確庫水位。

2.2.2控制段的匯流計算

可根據(jù)“溢流堰水力計算設(shè)計規(guī)范”建議的方法計算，同時正確選用流量系數(shù)時并使其與選用的堰型相一致。

2.2.3泄流段陡槽水力計算

推求陡槽段水面曲線的方法較多，如陡槽底寬固定不變時，可采用BⅡ型降水曲線或用查爾諾門斯基方法計算；對底寬漸變的陡槽段則可用查氏方法分段詳算。

2.2.4消能設(shè)施的水力計算

采取底流式消能可以采用A·C：巴什基洛娃圖表計算。由于巴氏對各種消能設(shè)備的計算方法與步驟均較明確、詳細(xì)，計算省時又能保證精度；但是我們在選定消能設(shè)施的尺寸時應(yīng)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(yīng)通過模型試驗加以驗證；至于挑射消能計算，目前還未找到一種比較成熟適用的計算方法。

2.2.5側(cè)槽段的水力計算

過去采用的“扎馬林法”由于計算時采用了均勻流假定，而實際水流狀態(tài)是沿程變量流，故不符合適用于均勻流的謝才公式，因而與實際泄流情況有較大出入。

由于側(cè)槽式溢洪道在側(cè)向進(jìn)流時，水流的沖擊、摻氣和槽內(nèi)水流波動很大，流態(tài)十分復(fù)雜，故精確計算十分困難，因此對于重要的大中型水庫其側(cè)槽式溢洪道設(shè)計需依據(jù)水工模型試驗來確定其相應(yīng)尺寸。

2.3結(jié)構(gòu)計算

為保證建筑物安全穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)計算是不可缺少的，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，而對挑射消能則應(yīng)進(jìn)行鼻坎的穩(wěn)定與基礎(chǔ)應(yīng)力計算。

2.3.1陡坡的護(hù)砌厚度應(yīng)滿足滑動安全，設(shè)置伸縮縫沉陷縫以后，坡面砌護(hù)類似大面積薄板，故對基礎(chǔ)應(yīng)力以及傾復(fù)穩(wěn)定一般可不須計算，其主要控制條件是滑動穩(wěn)定，作用在護(hù)面上的滑動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壓力）、護(hù)面上的上舉力和滲透壓力，其抗滑安全系數(shù)應(yīng)≥1.3～1.5即為安全。

2.3.2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，一般沒有滑動問題，因此僅需對其抗浮要求進(jìn)行穩(wěn)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(chǎn)生的上舉力，以及下游消力池水深與水躍段內(nèi)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(shù)≥1.3～1.5即為安全。

2.3.3挑流鼻坎的尺寸應(yīng)滿足滑動穩(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)方法計算鼻坎的滑動與傾復(fù)穩(wěn)定時其要求抗滑安全系數(shù)≥1.3～1.5，抗傾安全系數(shù)≥1.5，同時計算上述各力的合力，其作用點應(yīng)位于基礎(chǔ)面中三分點之內(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

針對中小型溢洪道常出現(xiàn)的問題，應(yīng)從資料收集、規(guī)劃布局、水利計算及結(jié)構(gòu)計算層層把關(guān)，保證工程安全經(jīng)濟(jì)可行。