試析中小型水庫溢洪道設計過程中存在的問題及其改進措施

代興勇 范文仁

昆明龍慧工程設計咨詢有限公司，云南昆明 650000

溢洪道設計具有非常重要的作用，它直接影響著整個工程是否能夠用到現實中，充分發揮它的防洪作用，溢洪道設計的合理性能夠提高施工的效率，降低成本，可控制投資成本，按照預算的資金進行施工。溢洪道在中小型水庫樞紐工程中一般占到30%的造價，因此，其布局、選型等都是中小型水庫設計中的重要環節。

1 中小型水庫溢洪道設計中的問題

1.1 溢洪道實際設計中所采用的標準較低

溢洪道是確保汛期水庫安全的基礎設施，但是受到水利工程建設造價的限制，中小型水庫的設計所采取的標準一般較低，如針對的洪水洪峰、洪量都較小，這種低標準必然會造成溢洪道設計尺寸不足，特別是在汛期會出現泄流能力不足的情況，無法保證中小型水庫的整體安全[1]。

1.2 溢洪道設計的進出口布局、彎道半徑、平面布置和縱橫剖面設計存在缺陷

中小型水庫的溢洪道進、出口距離水壩的壩身較近，在溢洪道、壩肩之間的間隔只有較為薄弱的山脊，在溢洪道的進口段部分未能進行砌筑保護，若在泄洪過程中出現沖蝕問題，就會造成壩肩失穩，產生安全問題；部分溢洪道設計過程中，陡槽末端緊貼壩腳，若存在橫流沖刷問題，會造成壩腳安全問題，這兩種形式的布局都存在缺陷，容易引發相應的安全問題。

中小型水庫的溢洪道彎道半徑若設計的過大、過小都會影響溢洪道泄洪，特別是當溢洪道陡坡段存在彎道時，水利勢能會在有限的區域內出現劇烈變化，正規泄洪彎道的流態也在變化，會造成水庫兩側坡岸位置產生水位差，而在下游平直段又會出現折沖水流，影響溢洪道的整體泄流能力。

在泄洪道的平面布置、縱橫剖面設計過程中，由于其整體的陡坡設計不合理，整體的陡坡設計比降過快，加上部分溢洪道分布于非巖性山坡區域，底部缺少反濾襯砌，造成滲水后出現滑坡危險。整體的橫斷面設計過程中，部分工程存在開挖山坡坡度不足的情況，加上底部的襯砌厚度較薄，無法起到應有的穩定性，容易出現塌方、滑坡等類型的問題。而平面布置上，存在一系列的上下游斷面連接問題，容易形成“瓶頸”，影響整體泄洪能力[2]。

1.3 水力設計及其計算存在問題

中小型水庫設計過程中必須進行水力計算，但是當前的計算方式存在缺陷，如：溢洪道進口位置一般布有引洪平流的區段，但是實際計算過程中會忽略這部分區段的影響，造成計算水頭存在損失。若實際的壅水高度較大時是無法忽略這部分影響的。因此，實際設計過程中必須對溢洪道的消能工設計進行合理考量，但是實際設計過程中卻會存在忽略這部分內容的情況，或者整個形式選擇不恰當，造成消力墻長度、深度無法滿足施工需求，不能充分消能，對下游河段造成嚴重的沖刷問題。

1.4 結構設計時未充分考慮基礎特點

中小型水庫的溢洪道結構設計期間，泄洪的特征和基礎的特點考慮不足，造成泄洪道中的水流沖擊力較強，整體的急流摻氣和脈動現象較為嚴重，帶來了非常嚴重的劇烈震動。部分溢洪道砌護過程中強度較低，整體的砌護系統不能確保溢洪道的結構穩定，無法保證其能夠經受高速水流的沖擊。而對于一些非巖基溢洪道，在實際設計過程中，其底部由于缺少必要的反濾排水系統，容易造成發生塌方、滑坡問題；部分大面積砼襯砌沒有設置合理的伸縮沉陷縫，襯砌出現裂縫，工程安全受到嚴重影響。

1.5 溢洪道工程設計方式存在缺陷

中小型水庫的溢洪道平面、剖面設計存在問題，造成溢洪道陡坡設計出現問題，部分溢洪道布置在非山坡區域，在邊坡底部還缺少必要的反濾砌護，造成溢洪道整體滲水較為嚴重，甚至引發滑坡災害問題，直接影響了水庫的整體運營安全。而且，在工程設計過程中，由于現場溢洪道坡道的厚薄不均，穩定性不能滿足工程需求，容易出現塌方、滑坡現象，整體的泄洪能力下降，沖刷力量較大。當前，我國中小型水庫溢洪道工程設計體系仍舊存在缺陷，經常忽略平流段的進口水位損失，加上部分工程勘察水平不足、選擇的設計模式存在問題，最終形成的工程建設效果差強人意，部分工程的泄洪特征、結構基礎考慮不全面，經常出現高速水流沖擊問題、排水反濾系統無法發揮作用甚至損毀，整個水庫的砌護存在裂縫等問題，直接影響工程建設的安全以及后續運營期的安全性能。

2 中小型水庫溢洪道設計存在問題的改進措施

2.1 掌握設計原則，合理進行系統布局

中小型水庫的溢洪道設計過程中要充分考慮工程建設區域的實際情況，根據現場實際地理、水文、地質環境進行綜合評判，在此基礎上對工程整體造價進行合理設計。若水庫周邊存在可以利用的自然環境，要將其充分利用起來，作為溢洪道的布置區域。若出口區域較小，就不能布置正堰，應使用側槽溢洪道模式進行設計。在整個設計過程中必須掌握基本的設計原則，確保設計的基礎可靠、堅固，線路較短、合理性高，在出水口無主要建筑，避免在存在滑坡隱患的基礎上進行工程建設。

2.2 重視各個區段的設計，根據不同需求合理控制

2.2.1 近口段部分

針對近口段部分的設計，可以將出口位置設計成長度適中的喇叭狀，以便確保出水平順。若施工區域的地形存在問題必須在出口位置設計彎道的話，要盡量確保平緩，并保證與壩體的距離合理，將其對壩體的影響降至最低。引流段橫斷面要采用梯形模式設計，根據實際水流速度選擇是否需要砌護，但是對接近壩體、建筑的區域要進行必要的砌護。

2.2.2 堰流段部分

近口水流要與控制建筑保持垂直，才能保證泄洪均勻。在實際工程當中，要根據實際的地勢情況、出水需求采取實際的斷面堰設計，整體寬度要根據現場實際和單寬流量來進行確定，并針對堰口、上游引流段的角度進行控制，確保水流平順。

2.2.3 泄流段部分

在進行泄流段設計過程中，可以選擇直線形式進行合理布置，盡量減少彎道、扭坡的出現，避免流態變化產生的負壓問題。針對陡坡段，可選擇均一比降來進行設計。對于大流速的泄洪段要將其設計在堅固基巖上，若條件不足，就要通過合理計算找出合理的砌筑厚度。而新鮮巖基泄水道不必砌筑，風化巖石需要進行漿砌石并配以錨固筋，若需要進行大面積砌筑，必須研究清楚施工區域的水文地質狀態和溫度變化情況，通過設置合理的伸縮縫、安置縱橫縫，在砌筑底部鋪置排水反濾料。

2.2.4 消能工部分

中小型水庫的溢洪道當中，泄洪段未端需要進行消能工設計，實際設計過程中使用多級躍水、末端躍流段設計，通過控制泄水方向與壩體間距來進行控制。對于非巖基礎，一般采用底流消能的方式，在其尾端設計相應的消能池。而對于遠驅水躍的問題，由于其容易形成沖刷，必須對其采用差動式消力檻的方式進行設計；對于巖石基礎，若其末端存在陡坡，就要進行挑射消能設計，以便起到節省消能池或護坦的作用，并且這種設計方式造價低、工作量效，應用較為廣泛。

2.2.5 側槽段部分

中小型水庫的溢洪道側槽段的設計必須遵循垂直來水流向原則，根據等高線的延伸情況確定合理的長度。通過側向進流，通過縱向泄流。對于側堰同深槽連接部分的角度要控制在合理范圍，其長度也要根據水深情況進行確定，整體設計要求要確保槽內波動、橫向旋滾水流能夠直接進行陡坡段中去。

2.3 做好設計中的水力計算工作，合理安排不同區段需求

對于引流段入口首先要計算出壅水高度，確定水庫泄洪期水位，計算過程中可以由下游控制面向上游反求的方式進行計算；泄流段計算過程中可以獲得陡槽段水面曲線計算結果，若陡槽底寬變化時可以利用查爾諾門斯基法進行計算；側槽段的水力計算，需要假定均勻流，但是實際當中水流會出現沿程變量流，計算結果會出現差距，要想改變這種情況可以通過水流動量以水面曲線推導方式獲取結果，這種方式與實際泄流狀況吻合度較高；陡坡護砌過程中必須嚴格滿足避免滑坡、塌方，保證整體安全的基本原則，對于現場施工的伸縮縫，必須合理設置，并且在設置完成后，由于陡坡外表砌筑類似于大面積的薄板砌筑，必須充分考慮其滑動穩定性，對于基礎應力、傾復穩定性可以忽略。實際情況當中，陡坡的砌筑表面滑動力包含了水流拖泄、砌體自重順坡方向的分力、護面凸體產生的阻力等多種類型。

3 結語

對中小型水庫溢洪道設計中的常見問題與對策進行分析探討，具有十分重要的意義，不僅能提高中小型水庫溢洪道設計水平，為保證溢洪道施工質量奠定堅實的基礎，并確保整個工程的質量，還能增加水利企業的經濟效益，更有助于推進我國水利建設事業的可持續發展。

[1] 張松斌. 關于中小型水庫溢洪道設計中常見問題的研究[J]. 陜西水利，2017（S1）：52.

[2] 郭東. 中小型水庫加固設計及其管理問題研究[J]. 四川水泥，2015（5） ：162.