中小型水庫溢洪道設計中的常見問題及其對策

潘成

（廣西河池水利電力勘測設計研究院 廣西河池 547000）

中小型水庫溢洪道設計中的常見問題及其對策

潘成

（廣西河池水利電力勘測設計研究院 廣西河池 547000）

在水庫工程設計中，溢洪道具有十分重要的作用，此情況下，本文詳細分析了中小型水庫溢洪道設計中的常見問題，并在此基礎上，分析了其發生原因及解決措施，以供參考。

溢洪道設計；存在問題；解決對策

1 常見問題

1.1 設計標準

在供水期間，通過溢洪道，可有效確保水庫安全。一般情況下，因受到工程造價的限制，中小型水庫設計往往采用較低的洪水標準與較小的洪水數據，導致溢洪道設計尺寸較小。此外，周邊巖體風化坍落現象的發生，導致泄流能力大幅降低，最終導致泄洪安全性無法得到保障。

1.2 安全距離

在布置方面，由于少數工程設計的溢洪道緊靠其進出口，壩肩和溢洪道間的距離僅為一個較為單薄的山脊，此時，如果不在進口處進行有效的護砌作業，當發生泄洪沖蝕情況時，必將威脅到壩肩安全性。此外，部門溢洪道設計的陡槽末端緊靠壩腳，一旦出現橫流沖刷，極容易對壩腳安全性造成威脅。由此可知，上述兩種情況不利于大壩的安全運行。

1.3 彎道設計

當溢洪道設計的平面彎道半徑較大，或是收縮較劇烈時，不利于泄流。尤其是彎道處于溢洪道陡坡處時，因彎道流態、流勢變化較為劇烈，引發了二岸水面差，此時的凹岸水面壅高，并且還會引發下游銜接平直段內折沖水流的出現，對泄洪能力與效能效果造成了嚴重的影響。此外，當陡坡段、緩流段收縮較劇烈時，同樣也會出現明顯的壅水與流態變化現象，進而沖擊溢洪道襯砌。

1.4 斷面設計

當在非巖性山坡上布設部分溢洪道時，如果沒有對其底部進行有效的反濾襯砌作業時，極容易導致滲水后滑坡問題的發生，進而威脅結構的穩定性。此外，在設計橫斷面時，少數工程忽視了兩側山坡開挖坡度，有些過于陡峭，如果此時襯砌厚度較為薄弱，并無法確保抗滑抗傾的穩定性，也極容易引發坍方與滑坡。

1.5 水力計算

當前的水力設計方式還不是很完善，例如當溢洪道進口處有引洪平流段時，因水利計算過程中沒有加入平流段時進口水位的壅高，但就實際情況來看，壅高有時偏大，這是不可忽視的。此外，少數設計沒有充分的考慮溢洪道的消能工設計，型式選擇也不合理，導致消力墻長度、深度均無法達到相關規定要求，導致下游河段遭遇嚴重的沖刷。

1.6 加固措施

部分工程在進行結構設計時，沒有全面的考慮泄洪的特點與基礎特性，此情況下，當溢洪道下泄高速水流沖擊力較強時，再加上存在顯著的急流摻氣與脈動，極容易引發劇烈的震動。有些溢洪道運用標號較低的漿砌石或是混凝土砌護進行施工，而砌筑的厚度與邊坡砌護高度也無法滿足結構穩定需求，所以無法有效抵御流速帶來的沖刷。上述問題都嚴重影響著工程的安全性。

2 設計對策

2.1 規劃布局

2.1.1 引流段

為了確保引流的平順，對于其進口形狀，應當盡可能做成喇叭口，同時，為了避免損失，應當確保其長度的適宜。例如由于地形限制必須在該段進行彎道的布設時，應當盡量確保彎曲段的平緩，對于彎道與下游連接段、出口段，應當盡可能的遠離壩腳，避免對壩腳造成沖刷。對于引流段截面，通常采用梯形或矩形，而當流速不超過1～2m/s時，可不進行砌護施工，但如果其緊鄰壩端、建筑物，則需進行一定的長度的砌護，此時還需在彎道兩側的凹岸處進行砌護作業，但如果是堅硬的巖基，可不進行砌護作業。

2.1.2 控制段

為了均勻泄流，可使得近口水流垂直于控制段建筑物。同時，依據地形條件與泄流需求，如果由必要，還需要進行寬頂堰或是實用斷面堰的布設，對于堰寬度，則可以依據允許單寬流量進行選擇，通常情況下，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。此外，除了近口段設有引流段之外，對于堰頂寬度，應當確保其不超過3h堰（h堰為堰上水頭，單位m）。而為了確保水流的平順，可采用漸變段進行堰口及其上游引流段的銜接，但需將收縮角控制在12°。

2.1.3 泄流段

對于泄流段平面，通常采用直線布設的方式進行。在設計縱斷面時，需要依據工程所處地形、地質等因素，選擇緩坡、陡坡或多級躍水等方式。對于陡坡段，應當采用均一比降。同時，因泄水段具有較高的流速，所以應當在巖基上布設泄流段。但如果處于非巖基，對于此段落襯砌厚度，需要按照允許流速與地質條件進行設計，通常情況下，漿砌石為0.5～1.0m，混凝土為0.2～0.5m，鋼筋混凝土為0.15～0.3m，對于其坡度，通常需控制在1/2.5范圍內。

對于新鮮巖基上的泄水道，可不進行砌護。但如果是松軟風化巖石，依舊需要采用0.3～0.5m的漿砌石，或者是0.2m厚的混凝土進行砌護作業，并且還要設置錨固筋。如果需要進行大面積混凝土襯砌作業，應當按照場地地質情況與溫度辯護，合理布設伸縮縫與沉陷縫，并在兩側邊坡處設置橫縫，底部位置設置縱橫縫，對于縫隙的間距，需控制在8～12m范圍內，此情況下，還需要將排水的反濾敷設在襯砌底部位置。

2.1.4 消能工

在泄水段末端，通常需要布設消能工，對于消能工型式，需要確保其滿足地形、地質與水力條件的要求。當采用多級躍水或是溢洪道末端的躍流段時，應當確保其泄流方向與壩腳間的距離超過100～150m。如果要在非巖基上設置消能工，通常采用底流消能的方式進行，并且在末端位置布設消力池。

此外，如果泄流量處于可控范圍內，則需要對消力檻形式進行全面的考慮。如果是遠驅式水躍，因極容易遭遇沖刷作用，應盡量采用差動式消力檻形式。如果要在巖基上設置消能工，此時若是溢洪道尾端存在較為陡峭的邊坎，應當采用挑射消能形式，可不必進行消力池等作業，再加上其工程量較小、造價較低，目前已獲得了較為廣泛的應用。對于鼻坎形式，應當選用矩形差動式，但對于鼻坎以上陡坡，必須采用矩形斷面。

2.2 水利計算

2.2.1 引流段的水力計算

對于引流段的水力計算，可通過自下游控制斷面向上游反推求水面曲線的方式實現。此外，對于引流段進口處端計算，必須要先進行水位壅高的計算，之后才可獲得泄洪時的正確庫水位。

2.2.2 控制段的匯流計算

對于控制段的匯流計算，需要遵循“溢洪道設計規范”要求。此外，對于選用的流量系數，不僅需確保其正確性，還需與選用的堰型一致。

2.2.3 泄流段陡槽水力計算

通常情況下，計算陡槽段水面曲線的方式由多種，例如當陡槽底寬確定時，可采用BⅡ型降水曲線或是采用查爾諾門斯基方法進行計算。此外，對于底寬漸變的陡槽段，此時可采用查氏方法分段，之后就可進行詳細的計算。

2.2.4 消能設施的水力計算

對于采取底流式的消能設施水力計算，可采用A·C：巴什基洛娃圖表方式進行。由于巴氏對各種消能設備的計算方法與步驟較為明確、詳細，可在確保精度的情況下節省大量計算時間。但在進行消能設施尺寸的選用時，應當留置一定的余地。此外，在獲得部分具有重要作用的中型水庫其水力計算結果時，還需通過模型試驗進行驗證。而對于挑射消能計算，當前還存在較為成熟的、適用的計算方式。

2.3 結構計算

2.3.1 襯砌抗滑穩定

對于陡坡護砌厚度，需確保其滿足滑動安全要求。同時，在完成了伸縮縫與沉陷縫的布設作業之后，坡面砌護相等于大面積薄板，此情況下，對于基礎應力、傾復穩定，通常可不進行計算。滑動穩定是其主要控制條件，對于作用在護面上的滑動力，主要包括水流拖泄力、護面凸體阻力等。此外，對于抗滑力，則主要包括砌體自重垂直坡面的分力、水流靜壓力等，此時需確保其抗滑安全系數不小于1.3～1.5，則表示其處于安全狀態。

2.3.2 底板抗浮穩定

對于消力池底板厚度，需確保其滿足抗浮穩定要求。同時，因受到底板四周邊界的約束影響，通常不存在滑動問題，此時只需要進行抗浮要求的穩定計算即可。對于作用在底板上的上浮力，主要有滲透壓力、脈動壓力等。而對于抗浮力，則主要涉及底板的浮重與底板上的水重。此外，當其抗浮安全系數不小于1.3～1.5時，表示其為安全的。

2.3.3 消能安全

通常情況下，對于挑流鼻坎的尺寸，需要滿足滑動穩定、傾復穩定及基礎應力要求。同時，對于作用于鼻坎部位的向下垂直力，主要涉及鼻坎自重、鼻坎上的水重、挑流曲面離心力的垂直分力。而對于向上的垂直力，通常包含脈動力及滲透壓力等。對于作用于鼻坎的水平推力，一般有水流的拖泄力。

此外，按照常用力學方法進行鼻坎滑動與傾復穩定的計算時，需確保其抗滑安全系數不小于1.3～1.5，并且還需確保其抗傾安全系數不小于1.5，之后還需計算上述各力的合力，對于其作用點，應保證其處于基礎面中三分點之內，對于基礎最大與最小應力比值，需超過3～5，從而有效規避不均勻沉陷問題的發生。

3 結語

總而言之，溢洪道設計與布置的合理性，不僅直接影響著水庫的安全運行，還緊密聯系著整體工程的造價。通常情況下，對于中小型水庫溢洪道，大約占據水庫樞紐工程造價的25～30%以及勞動力的25%。此外，對于溢洪道設計過程中經常會出現的問題，應當嚴格把控資料收集、規劃布局、水利計算以及結構計算，以確保工程安全經濟的可行性。

[1]《溢洪道設計規范》（SL253-2000）.

[2]《溢洪道設計規范》（DL/T5166-2002）.

[3]《水利水電工程結構可靠性設計統一標準》（GB50199-2013）.

TV651.1

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2016-2-10