環形溢洪道的設計與試驗研究

楊宇

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

關鍵詞：設計方案；消力井設計；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的河流，流域面積為21km2，為山區雨源型小河流，洪水由暴雨形成；洪水具有峰量集中，漲峰歷時短的特點。城市的發展導致地面硬化，水流下滲量減少，加大了短時地表徑流。由于歷史的原因，貫城河河道過水斷面減小，阻水建筑物多，河道行洪能力差，加上局部河段地勢低洼，致使上游地區及市區暴雨強度較大時，極易形成內澇，尤以噴水池附近地區最為嚴重，給人民生命財產帶來巨大的損失。1998年貴陽市政府為解決貫城河的水環境問題，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區的防洪能力。樞紐工程由環形溢洪道、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 進口方案比較

該工程進口位置只能選擇在人口較密、商業較繁華的化龍橋至沙河橋一帶。這一帶受地形及規劃用地的限制，加之泄洪流量較大，這給進口的設計帶來了一定的難度。在布置設計時研究過豎井式溢洪道、環形溢洪道、龍抬頭式溢洪道加消力池消能三種可能的布置形式。豎井式溢洪道與環形溢洪道相比雖然工程投資相當，但其水墊較淺，消能效果沒有環形溢洪道好；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，使得輸水隧洞內會出現不穩定的流態，甚至在彎管部位會出現很大的負壓。而環形溢洪道正好克服了這些缺點被確定為實施方案。環形溢洪道與龍抬頭式溢洪道加消力池消能相比減少占地約40%。

3 環形溢洪道的設計

3.1 環形堰設計

環形堰的設計施工要根據不同的泄洪要求采取相應的施工標準和施工方法。我國根據不同的防洪標準制定了不同級別的安全等級系數，此案例中應該以二級作為建筑設計標準。要想保證泄洪效果，環形堰的堰體設計十分重要，堰體設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，要采用緩坡的設計方式，避免水流變化過于迅速，根據特殊地質情況也可以適當采用陡坡設計以及連續坡體設計，以降低水壓差。本案中對地區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計不能嚴格按照以往的經驗，要在實際區域進行水力的測量和調研，以最大程度的設計出符合泄洪標準的環形堰。

3.1.1 定型水頭的確定

現行《溢洪道設計規范》SL253-2000明確規定：當采用低堰時其定型水頭取Hd=0.65～0.85Hmax，結合本工程大多數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 堰面曲線的設計

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

3.2 消力井的初步設計

消力井施工是指在水流流經途徑中進行井體的設計和挖掘作業，以降低水流由上游流下時的沖擊力，減緩水流的速度，在消力井的設計過程中，要進行精確的角度值和深度值計算，在此過程中，要充分將當地水流情況考慮在內，包括水流速度，方向，徑流值等等，以便科學的進行消力設計，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則設計為正態模型，幾何比尺采用1：20，滿足糙率相似。經過對五種方案的試驗研究，實測了模型中的各種水力參數、流態和消能特性，并為工程設計推薦了一個比較合理的方案。

4.1 進流水力特性

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量，造成進流流速分布極不均勻，引渠左右流速差達4.00m/s。且存在較大橫向水面差，橫向水面差值為0.5～0.8m，并且在進口上游無任何調節及穩流設施，水流從河道經寬頂堰直接進入環形溢洪道，致使水流流速較大，高達8m/s，極大影響了進流流態，因此，需要在施工中加入防渦設計和施工。

4.2 如何科學確定防渦墩和防渦墻的位置和數量

水流中強烈的漩渦會對渠道的設計和施工產生較大的影響，漩渦不僅會影響改地段的水流穩定性，導致水流方向發射不規則變化，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，要在此施工設計時加入防渦墩和防渦墻的設計考慮。

4.2.1 不加設防渦設計可能引發的后果

在進水口加設防渦設計是十分必要的。進水口處出現漩渦可以突然使進水水流速度增大，對泄洪道帶來嚴重的沖擊，而且還會導致溢洪道不能夠適應水流的突然變化，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，如果不加設防渦設計和施工將直接導致泄洪道的效能降低，無法起到防洪泄洪的作用。

4.2.2 不同的防渦設計和施工方案

在防渦設計和施工的過程中，可以根據情況不同選擇不同的設計和施工方案，以達到防渦的目的。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域，因此，要在實際操作中靈活選擇防渦施工設計方案。首先，本案中可以采用加設3個防渦墩和1個外防渦墻來實現基本防渦需要，防渦位置的布置要事先進行科學的測量和定位，對水流速度變化較為突然和激烈的位置要加設防渦墩，為了攔截水流湍急的整片區域，可以建構防渦墻，防渦墻的設計高度和寬度要能夠符合防渦需要，以實現最好的防渦效果。為了達到更為理想的防渦效果，還可以加設一個防渦墻，使之與防渦墩聯合作業，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揮排洪泄洪功效的有力保障，對水利工程主體結構的安全具有強大的防護作用。溢洪道在設計建筑過程中，要注重其自身位置設計的科學性，同時還要注意其施工質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揮。在溢洪道的設計施工中，經常會面臨不良條件的制約，例如地勢的特點和施工當地水流結構的復雜性，因此，要因地制宜，在水流形勢較為復雜的區域適當加設防渦設計，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，溢洪道的主體設計施工要進行科學的布局與規劃，并進行各項設計參數的設計和計算，將溢洪道分為不同階段進行施工，提高整體工程質量，總體溢洪道的設計要符合經濟性和安全性原則，另外還可以依據當地地勢情況進行特殊施工設計。

參考文獻

[1]水工設計手冊（第六卷）.泄水與過壩建筑物[M].北京：水利電力出版社.

[2]水流旋流器流場理論[M].北京：科學出版社.