中小型水庫溢洪道結構的設計探討

李昌華

摘要：溢洪道是中小型水庫的重要組成部分，在水利工程建設和應用過程中起到了非常重要的作用。本文將對中小型水庫溢洪道的四個部分，即引流段、控制段以及泄流段和消能段的結構設計問題進行分析，并在此基礎上對水力、結構進行計算，以供參考。

關鍵詞：中小型水庫；溢洪道；結構設計；研究

在中小型水庫溢洪道結構規劃設計過程中，應當結合實際條件和水文地質情況，利用有利地形進行布設，既要確保工程項目的科學、合理，又要保證工程結構設計的經濟性。比如，水庫附近若有天然的山坳，則溢洪道的布設和應用效果就是非常的理想；若主壩口子過于狹窄，則就無法布設正堰，建議考慮側槽式溢洪道的結構設計方案。中小型水庫溢洪道的四個部分，即引流段、控制段以及泄流段和消能段的結構設計方案如下：

1、中小型水庫溢洪道主體工程設計

1.1引流段結構設計

引水渠的主要作用在于將水庫中存儲的水有效地引到控制堰前，設計的主要原則是在合理的開挖方量條件下盡可能低減小水頭損失，增加水庫溢洪道泄水能力。在此過程中，引水渠的橫斷面建議選用梯形、矩形，為確保引流的平順性，進口形狀以喇叭口形為宜；為了有效減小水頭損失，其長度不能太長。實踐中，如果受到地形的限制，必須在這一段設彎道，則需使彎曲段盡可能的平緩，而且彎道、下游之間的銜接段，與出口段應當遠離壩腳位置，以免被水沖刷。為了有效防范泄洪過程中引水渠兩側位置出現不對稱性回流，或者因旋渦轉向慣性力而導致堰前橫向坡降等。

引流段的水渠中，水流流速是設計的重點，而且對水頭損失、工程量等，產生的影響比較大。實踐中，通過對30多個水庫工程建設資料對比分析得知，溢洪道引流段的水流速度小于3m/s的共6個；水流速度在3至5m/s的有17個；流速超過5m/s的有7個。上述水庫工程之間相差較大，比如某水庫流速只有僅0.8/s，而另一個水庫的水流速度超過了6.5m/s。根據水庫設計要求，進水渠水流速度不能超過4m/s，一般以1至2m/s為宜。如果水庫所處位置地勢比較高，而且山坡也比較陡，則溢洪道進水渠設計過程中，水流速度可適當加大一些，但應當盡可能低縮短進水渠長度，以此來有效減少水頭損失。在進水渠進口位置，水流的速度應當小于渠中的水流速度，以2.5m/s為宜。當水流速度在1至2m/s范圍以內時，可不必對其進行砌護。

1.2控制段結構設計

中小型水庫溢洪道的控制段又稱為堰流段，為確保泄流的均勻性，可使進口

與建筑物相互垂直。同時，根據地形環境條件、泄流實際需求，設計寬頂堰，堰寬可根據允許的單寬流量確定，巖基上的單寬流量一般在每秒40至70立方米，非巖基上的流量以每秒20至40立方米為宜，土基上的流量每秒20立方米。如果堰體相對較寬，則應當在橫向上設溫度縫以及沉陷縫，保持間距10至15米。

1.3泄流段結構設計

泄流段又稱為是陡坡段或者急流段，其平面以直線型布設為主，應當盡可能地避免出現彎道或者扭坡順引流態急驟變化，更不能產生負壓。縱斷面設計過程中，應當堅持因地制宜的原則，結合地形、水文和地質條件，以緩坡、多級躍水形式為宜。在陡坡段，建議采用均一比降，因泄水段水流速度比較快，所以應當盡量可能的將其設在巖基之上。若為非巖基漿砌石用0.5至1米、混凝土用0.2至0.5米的材料對其進行砌護；對于新鮮巖基泄水道而言，可不對進行砌護。實際設計過程中，如果需要進行大面積的混凝土襯砌，則應當嚴格按照地質條件，結合擬建地點的溫度變化，對伸縮縫、沉陷縫進行設備，并確保兩側邊坡位置能夠設橫縫即可；底部位置應當布設橫縫，而且其間距以8至12米為宜。同時，在襯砌底部位置，應當敷設適量的排水反濾料；考慮到水流速度太大，會產生摻氣現象，因此邊坡襯砌高度應當適當地高一些。

1.4消能段結構設計

在泄槽段末端位置，需設計消能結構，即根據地形條件、水力情況確定采用何種的消能結構。可選的方式主要有多級躍水、溢洪道末端躍流段等，這樣可以使泄流方向遠離壩腳。對于非巖基上而言，通常采用底流消能方式，在末端位置布設消力池等。如果泄流量較小，則建議采用消力檻形式；如果為遠驅式水躍方式，則因其容易被沖刷而建議采用差動式消力檻模式。巖基上若溢洪道尾端位置邊坎較陡，則建議采用挑射消能。在此過程中，需要充分考慮高空擴散氣流、下游沖刷等，可能對周圍環境產生的影響；因該種形式可以有效省去消力池、以及海漫和護坦等工程建設，所以既可以減小工程量，又可以降低造價，既經濟又實用。在消能結構設計過程中，根據工程建設實踐，采用的鼻坎形式建議以矩形差動式，同時鼻坎以上陡坡做成矩形斷面形式最好，堅決避免做成梯形斷面形式，以免用扭坡和鼻坎進行銜接，這樣就會增大工程量，而且也不經濟合理。

2、中小型水庫溢洪道結構設計過程中的水力、結構計算

2.水力計算

第一，引流段計算。在此過程中，建議采取自下而上的反推方法，求出水面曲線，然后引流段進口位置須先對水位壅高情況進行計算，這樣才能指導泄洪過程中的正常庫水位。

第二，控制段計算。根據溢流堰水力計算設計規范和要求，對控制段的匯流進行計算，正確選用合適的流量系數，使其與選用堰型保持一致。

第三，泄槽段陡槽計算。在此過程中，若陡槽底部位置的寬度保持不變，則建議采用BⅡ型降水曲線法對其進行計算；陡槽段底寬漸變時，則建議采用查氏法進行分段計算。

第四，消能段計算。消能段水力計算過程中，可采用巴氏法進行計算，對消能設備計算較為明確而且詳細具體。然而，在消能設備尺寸選定過程中，應當留有一定的余地。比如，對于重要的水庫，其水力計算成果應通過模型試驗進行驗證。

2.2結構計算

中小型水庫溢洪道結構設計過程中，為確保建筑物的自身安全穩定性，對溢洪道結構進行計算是非常有必要的。實踐中，除了護坡、擋土墻的穩定性可利用普通的方法進行計算外，還要對陡坡面砌護厚度、消力池底板穩定性進行對比分析，挑射消能則需計算鼻坎的穩定、基礎應力。

第一，陡坡護砌厚度。伸縮縫沉陷縫設計完成后，坡面砌護就像是大面積薄板，因此可不計算基礎應力、傾復穩定性，主要控制條件為滑動穩定。作用于護面之上的相應滑動力包括水流排泄力、伸縮縫以及砌體自重順坡分力等，抗滑力則主要是指砌體自重垂直坡面產生的分力、以及水流靜壓力等，通常情況下抗滑安全系數在1.3至1.5以上。

第二，消力池底板厚度。在底板周邊約束力的影響下，通常不存在滑動問題，所以只需對抗浮穩定進行計算即可。作用于底板之上的上浮力，主要是指滲透壓力、底板上凸力以及脈動壓力和下游的消力池水深、水躍段之間的壓力差。對于抗浮力而言，其主要是指底板浮重、板上水重，抗浮安全系數不能小于1.3。

第三，挑流鼻坎尺寸。作用在鼻坎上的垂直力，主要是指鼻坎自重、水重以及挑流曲面離心力產生的垂直分力等。其中，向上垂直力主要是指脈動力、鼻坎下游尾部上浮力、滲透力和鼻坎上凸舉力等。鼻坎滑動、傾復穩定計算過程中，抗滑安全系數應當在1.3以上，抗傾安全系數應當在1.5以上，并且計算合力，作用點處于基礎面三分點之內，以免出現不均勻沉陷現象。

結語：總而言之，中小型水庫溢洪道結構設計過程中，應當把握好正文中所述的四個主要部分，從水力、結構計算的合理性、經濟性方面進行全面考慮，只有這樣才能確保設計質量，才能確保水庫的應用安全可靠性。

參考文獻：

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