潘成

（廣西河池水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院 廣西河池 547000）

中小型水庫溢洪道設(shè)計(jì)中的常見問題及其對(duì)策

潘成

（廣西河池水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院 廣西河池 547000）

在水庫工程設(shè)計(jì)中，溢洪道具有十分重要的作用，此情況下，本文詳細(xì)分析了中小型水庫溢洪道設(shè)計(jì)中的常見問題，并在此基礎(chǔ)上，分析了其發(fā)生原因及解決措施，以供參考。

溢洪道設(shè)計(jì)；存在問題；解決對(duì)策

1 常見問題

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

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(jià)的限制，中小型水庫設(shè)計(jì)往往采用較低的洪水標(biāo)準(zhǔn)與較小的洪水?dāng)?shù)據(jù)，導(dǎo)致溢洪道設(shè)計(jì)尺寸較小。此外，周邊巖體風(fēng)化坍落現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致泄流能力大幅降低，最終導(dǎo)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(shù)工程設(shè)計(jì)的溢洪道緊靠其進(jìn)出口，壩肩和溢洪道間的距離僅為一個(gè)較為單薄的山脊，此時(shí)，如果不在進(jìn)口處進(jìn)行有效的護(hù)砌作業(yè)，當(dāng)發(fā)生泄洪沖蝕情況時(shí)，必將威脅到壩肩安全性。此外，部門溢洪道設(shè)計(jì)的陡槽末端緊靠壩腳，一旦出現(xiàn)橫流沖刷，極容易對(duì)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(yùn)行。

1.3 彎道設(shè)計(jì)

當(dāng)溢洪道設(shè)計(jì)的平面彎道半徑較大，或是收縮較劇烈時(shí)，不利于泄流。尤其是彎道處于溢洪道陡坡處時(shí)，因彎道流態(tài)、流勢變化較為劇烈，引發(fā)了二岸水面差，此時(shí)的凹岸水面壅高，并且還會(huì)引發(fā)下游銜接平直段內(nèi)折沖水流的出現(xiàn)，對(duì)泄洪能力與效能效果造成了嚴(yán)重的影響。此外，當(dāng)陡坡段、緩流段收縮較劇烈時(shí)，同樣也會(huì)出現(xiàn)明顯的壅水與流態(tài)變化現(xiàn)象，進(jìn)而沖擊溢洪道襯砌。

1.4 斷面設(shè)計(jì)

當(dāng)在非巖性山坡上布設(shè)部分溢洪道時(shí)，如果沒有對(duì)其底部進(jìn)行有效的反濾襯砌作業(yè)時(shí)，極容易導(dǎo)致滲水后滑坡問題的發(fā)生，進(jìn)而威脅結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，在設(shè)計(jì)橫斷面時(shí)，少數(shù)工程忽視了兩側(cè)山坡開挖坡度，有些過于陡峭，如果此時(shí)襯砌厚度較為薄弱，并無法確保抗滑抗傾的穩(wěn)定性，也極容易引發(fā)坍方與滑坡。

1.5 水力計(jì)算

當(dāng)前的水力設(shè)計(jì)方式還不是很完善，例如當(dāng)溢洪道進(jìn)口處有引洪平流段時(shí)，因水利計(jì)算過程中沒有加入平流段時(shí)進(jìn)口水位的壅高，但就實(shí)際情況來看，壅高有時(shí)偏大，這是不可忽視的。此外，少數(shù)設(shè)計(jì)沒有充分的考慮溢洪道的消能工設(shè)計(jì)，型式選擇也不合理，導(dǎo)致消力墻長度、深度均無法達(dá)到相關(guān)規(guī)定要求，導(dǎo)致下游河段遭遇嚴(yán)重的沖刷。

1.6 加固措施

部分工程在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，沒有全面的考慮泄洪的特點(diǎn)與基礎(chǔ)特性，此情況下，當(dāng)溢洪道下泄高速水流沖擊力較強(qiáng)時(shí)，再加上存在顯著的急流摻氣與脈動(dòng)，極容易引發(fā)劇烈的震動(dòng)。有些溢洪道運(yùn)用標(biāo)號(hào)較低的漿砌石或是混凝土砌護(hù)進(jìn)行施工，而砌筑的厚度與邊坡砌護(hù)高度也無法滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定需求，所以無法有效抵御流速帶來的沖刷。上述問題都嚴(yán)重影響著工程的安全性。

2 設(shè)計(jì)對(duì)策

2.1 規(guī)劃布局

2.1.1 引流段

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

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(shí)，依據(jù)地形條件與泄流需求，如果由必要，還需要進(jìn)行寬頂堰或是實(shí)用斷面堰的布設(shè)，對(duì)于堰寬度，則可以依據(jù)允許單寬流量進(jìn)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(shè)有引流段之外，對(duì)于堰頂寬度，應(yīng)當(dāng)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(jìn)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(duì)于泄流段平面，通常采用直線布設(shè)的方式進(jìn)行。在設(shè)計(jì)縱斷面時(shí)，需要依據(jù)工程所處地形、地質(zhì)等因素，選擇緩坡、陡坡或多級(jí)躍水等方式。對(duì)于陡坡段，應(yīng)當(dāng)采用均一比降。同時(shí)，因泄水段具有較高的流速，所以應(yīng)當(dāng)在巖基上布設(shè)泄流段。但如果處于非巖基，對(duì)于此段落襯砌厚度，需要按照允許流速與地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(duì)于其坡度，通常需控制在1/2.5范圍內(nèi)。

對(duì)于新鮮巖基上的泄水道，可不進(jìn)行砌護(hù)。但如果是松軟風(fēng)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(jìn)行砌護(hù)作業(yè)，并且還要設(shè)置錨固筋。如果需要進(jìn)行大面積混凝土襯砌作業(yè)，應(yīng)當(dāng)按照場地地質(zhì)情況與溫度辯護(hù)，合理布設(shè)伸縮縫與沉陷縫，并在兩側(cè)邊坡處設(shè)置橫縫，底部位置設(shè)置縱橫縫，對(duì)于縫隙的間距，需控制在8～12m范圍內(nèi)，此情況下，還需要將排水的反濾敷設(shè)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(shè)消能工，對(duì)于消能工型式，需要確保其滿足地形、地質(zhì)與水力條件的要求。當(dāng)采用多級(jí)躍水或是溢洪道末端的躍流段時(shí)，應(yīng)當(dāng)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(shè)置消能工，通常采用底流消能的方式進(jìn)行，并且在末端位置布設(shè)消力池。

此外，如果泄流量處于可控范圍內(nèi)，則需要對(duì)消力檻形式進(jìn)行全面的考慮。如果是遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，因極容易遭遇沖刷作用，應(yīng)盡量采用差動(dòng)式消力檻形式。如果要在巖基上設(shè)置消能工，此時(shí)若是溢洪道尾端存在較為陡峭的邊坎，應(yīng)當(dāng)采用挑射消能形式，可不必進(jìn)行消力池等作業(yè)，再加上其工程量較小、造價(jià)較低，目前已獲得了較為廣泛的應(yīng)用。對(duì)于鼻坎形式，應(yīng)當(dāng)選用矩形差動(dòng)式，但對(duì)于鼻坎以上陡坡，必須采用矩形斷面。

2.2 水利計(jì)算

2.2.1 引流段的水力計(jì)算

對(duì)于引流段的水力計(jì)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(shí)現(xiàn)。此外，對(duì)于引流段進(jìn)口處端計(jì)算，必須要先進(jìn)行水位壅高的計(jì)算，之后才可獲得泄洪時(shí)的正確庫水位。

2.2.2 控制段的匯流計(jì)算

對(duì)于控制段的匯流計(jì)算，需要遵循“溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范”要求。此外，對(duì)于選用的流量系數(shù)，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(jì)算

通常情況下，計(jì)算陡槽段水面曲線的方式由多種，例如當(dāng)陡槽底寬確定時(shí)，可采用BⅡ型降水曲線或是采用查爾諾門斯基方法進(jìn)行計(jì)算。此外，對(duì)于底寬漸變的陡槽段，此時(shí)可采用查氏方法分段，之后就可進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。

2.2.4 消能設(shè)施的水力計(jì)算

對(duì)于采取底流式的消能設(shè)施水力計(jì)算，可采用A·C：巴什基洛娃圖表方式進(jìn)行。由于巴氏對(duì)各種消能設(shè)備的計(jì)算方法與步驟較為明確、詳細(xì)，可在確保精度的情況下節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間。但在進(jìn)行消能設(shè)施尺寸的選用時(shí)，應(yīng)當(dāng)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(jì)算結(jié)果時(shí)，還需通過模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。而對(duì)于挑射消能計(jì)算，當(dāng)前還存在較為成熟的、適用的計(jì)算方式。

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.3.1 襯砌抗滑穩(wěn)定

對(duì)于陡坡護(hù)砌厚度，需確保其滿足滑動(dòng)安全要求。同時(shí)，在完成了伸縮縫與沉陷縫的布設(shè)作業(yè)之后，坡面砌護(hù)相等于大面積薄板，此情況下，對(duì)于基礎(chǔ)應(yīng)力、傾復(fù)穩(wěn)定，通?？刹贿M(jìn)行計(jì)算?；瑒?dòng)穩(wěn)定是其主要控制條件，對(duì)于作用在護(hù)面上的滑動(dòng)力，主要包括水流拖泄力、護(hù)面凸體阻力等。此外，對(duì)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(shí)需確保其抗滑安全系數(shù)不小于1.3～1.5，則表示其處于安全狀態(tài)。

2.3.2 底板抗浮穩(wěn)定

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

2.3.3 消能安全

通常情況下，對(duì)于挑流鼻坎的尺寸，需要滿足滑動(dòng)穩(wěn)定、傾復(fù)穩(wěn)定及基礎(chǔ)應(yīng)力要求。同時(shí)，對(duì)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(duì)于向上的垂直力，通常包含脈動(dòng)力及滲透壓力等。對(duì)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(xué)方法進(jìn)行鼻坎滑動(dòng)與傾復(fù)穩(wěn)定的計(jì)算時(shí)，需確保其抗滑安全系數(shù)不小于1.3～1.5，并且還需確保其抗傾安全系數(shù)不小于1.5，之后還需計(jì)算上述各力的合力，對(duì)于其作用點(diǎn)，應(yīng)保證其處于基礎(chǔ)面中三分點(diǎn)之內(nèi)，對(duì)于基礎(chǔ)最大與最小應(yīng)力比值，需超過3～5，從而有效規(guī)避不均勻沉陷問題的發(fā)生。

3 結(jié)語

總而言之，溢洪道設(shè)計(jì)與布置的合理性，不僅直接影響著水庫的安全運(yùn)行，還緊密聯(lián)系著整體工程的造價(jià)。通常情況下，對(duì)于中小型水庫溢洪道，大約占據(jù)水庫樞紐工程造價(jià)的25～30%以及勞動(dòng)力的25%。此外，對(duì)于溢洪道設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的問題，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格把控資料收集、規(guī)劃布局、水利計(jì)算以及結(jié)構(gòu)計(jì)算，以確保工程安全經(jīng)濟(jì)的可行性。

[1]《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2000）.

[2]《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5166-2002）.

[3]《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50199-2013）.

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2016-2-10