梁雄毅

（珠海市斗門區(qū)乾務(wù)水庫(kù)工程管理處，廣東 珠海 519000）

水庫(kù)溢洪道作為重要的水利工程結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著防洪、供水、發(fā)電等多重功能。其控制段的穩(wěn)定性和抗沖刷能力對(duì)于水庫(kù)工程的安全運(yùn)行至關(guān)重要。本文研究的對(duì)象是混凝土鉸鏈排防護(hù)方案，通過(guò)深入的模型試驗(yàn)和計(jì)算分析，旨在評(píng)估該方案在不同水流條件下的效果，為水庫(kù)溢洪道控制段的大體積混凝土施工技術(shù)提供有力支持。

1 工程概況

A 水庫(kù)具有防洪、供水、發(fā)電等多重功能。該水庫(kù)建成后，將與相關(guān)工程協(xié)同作用，有效保護(hù)下游地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)保障鐵路、高速公路等交通干線的正常運(yùn)行。水庫(kù)溢洪道的開(kāi)挖使左岸邊坡高度達(dá)到80m。初步設(shè)計(jì)方案中，溢洪道采用以下方案：進(jìn)水渠左、右岸采用1：0.5 的巖石邊坡放坡；左岸設(shè)置了共5 級(jí)馬道，馬道的高程依次為415.0m、423.5m、438.5m、453.5m、468.5m，其寬度分別為3m、10m、3m、3m、3m，其中第二級(jí)馬道兼作泄洪洞控制段，連接通往大壩的交通道路；開(kāi)挖面采用5m 長(zhǎng)的錨桿支護(hù)，每根錨桿直徑25mm，間距為2×2m；右岸邊坡開(kāi)挖后形成的人工坡高度最大不超過(guò)30m，大部分范圍在10～20m之間，不再設(shè)置馬道，也不進(jìn)行支護(hù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察和室內(nèi)巖土體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，為了最大化工程經(jīng)濟(jì)效益，提出以下建議：將邊坡坡度適當(dāng)調(diào)整，由原設(shè)計(jì)的1：0.5 增加至1：0.4；同時(shí)，將第二級(jí)馬道的高程調(diào)整為423.5m，該馬道還將兼作泄洪洞控制段，連接通往大壩的交通道路。原本設(shè)計(jì)的10m 寬度考慮到施工高峰期車流量較大，因此建議將其擴(kuò)展至12m。

2 混凝土鉸鏈排防護(hù)方案

2.1 防護(hù)方案的選擇理由

混凝土鉸鏈排作為水庫(kù)溢洪道的控制段的選擇具有多重合理的理由。首先，混凝土鉸鏈排表現(xiàn)出卓越的耐水性能和耐沖刷性能，這使得它能夠承受高速水流的沖擊，從而降低了控制段受損的風(fēng)險(xiǎn)。其次，混凝土鉸鏈排的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定，能夠有效地分散水流的能量，減少了控制段河床沖淤的情況。此外，鉸鏈排的設(shè)計(jì)和施工相對(duì)簡(jiǎn)單，容易進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)，這在典型的中游河段工程環(huán)境下顯得尤為重要?；炷零q鏈排的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和形狀，使其在水庫(kù)溢洪道中的應(yīng)用變得更加合理和可行。因此，這些理由共同促使了混凝土鉸鏈排成為水庫(kù)溢洪道控制段防護(hù)方案的首選[1]。

2.2 鉸鏈排的設(shè)計(jì)和特點(diǎn)

混凝土鉸鏈排作為一種水利防護(hù)工程，其設(shè)計(jì)和特點(diǎn)具有獨(dú)特之處，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：混凝土鉸鏈排的獨(dú)特之處在于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通常，它由多個(gè)鉸接的混凝土塊組成，這些塊之間可以根據(jù)需要進(jìn)行靈活鉸接。這一設(shè)計(jì)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，它能夠有效分散水流的沖擊力，從而降低塊體受損的可能性。無(wú)論水流條件是增大還是減小，鉸鏈排都能夠自動(dòng)適應(yīng)，保持其穩(wěn)定性和防護(hù)效果。這種結(jié)構(gòu)的靈活性是其設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)之一。

2.形狀特點(diǎn)：鉸鏈排通常呈階梯狀或波浪狀。這種形狀設(shè)計(jì)的目的在于增加水流的摩擦和擾動(dòng)，有效減緩水流速度。通過(guò)在鉸鏈排上引入這些形狀特點(diǎn)，可以降低水流的沖擊力，使水流更加平穩(wěn)地通過(guò)鉸鏈排。這進(jìn)一步有助于保護(hù)水庫(kù)溢洪道的穩(wěn)定性和防護(hù)效果。形狀特點(diǎn)的選擇取決于具體的工程需求和水流條件。

3.材料選擇：鉸鏈排的耐久性至關(guān)重要，因?yàn)樗枰陂L(zhǎng)期水下運(yùn)行，承受不斷的水流沖擊。因此，通常采用高強(qiáng)度混凝土或特殊的耐水材料來(lái)制造鉸鏈排。這些材料具備抵御水流侵蝕和自然環(huán)境影響的特性，確保鉸鏈排能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地履行其防護(hù)職責(zé)。此外，這些材料還具備良好的耐候性，能夠抵御紫外線、酸雨等環(huán)境因素的侵害，延長(zhǎng)了鉸鏈排的使用壽命。

混凝土鉸鏈排以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和特點(diǎn)，為水利工程提供了可靠的防護(hù)和穩(wěn)定性，有效減少了水流沖擊帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于保護(hù)工程設(shè)施和確保水流通暢具有重要作用。這些特點(diǎn)的合理應(yīng)用有助于提高水利工程的可靠性和安全性[2]。

2.3 鉸鏈排的材料和施工要求

在鉸鏈排的設(shè)計(jì)與施工中，材料選擇和施工要求至關(guān)重要，直接影響著防護(hù)工程的質(zhì)量和性能。以下是關(guān)鍵詞的擴(kuò)寫：

1.材料選擇：鉸鏈排的制作材料是工程成功的基礎(chǔ)。應(yīng)當(dāng)選擇高質(zhì)量的混凝土作為主要材料。這種混凝土具有卓越的耐水性，能夠長(zhǎng)期承受水流的浸泡而不失效。同時(shí)，它還表現(xiàn)出出色的耐沖刷特性，可以抵御水流帶來(lái)的沖擊力，不會(huì)輕易受損。此外，混凝土必須具備卓越的抗沖擊性能，以應(yīng)對(duì)突發(fā)的水流沖擊。所有這些材料特性都必須符合相關(guān)的水利工程標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，以確保工程質(zhì)量和長(zhǎng)期可靠性。

2.施工要求：鉸鏈排的施工需要高度的專業(yè)技術(shù)和精密工程測(cè)量。施工過(guò)程必須確保鉸鏈排的幾何形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以滿足工程設(shè)計(jì)的要求。特別需要關(guān)注鉸鏈排的鉸接部分，必須進(jìn)行精確的工藝控制，以確保鉸鏈能夠正常運(yùn)動(dòng)，塊體之間能夠保持緊密連接。此外，在施工過(guò)程中還必須對(duì)混凝土的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，確?；炷恋呐浔?、澆筑工藝和固化時(shí)間都符合要求。只有這樣，鉸鏈排才能具備優(yōu)越的性能，能夠有效應(yīng)對(duì)水庫(kù)溢洪道復(fù)雜的水流條件。

通過(guò)采用混凝土鉸鏈排防護(hù)方案，可以確保防護(hù)工程具備出色的穩(wěn)定性和安全性，有效保障水庫(kù)溢洪道、副壩和水電樞紐工程的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。深入理解關(guān)鍵材料和施工要求的重要性，有助于提高工程質(zhì)量和減小潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而更好地服務(wù)社會(huì)和人民的安全[3]。

3 防護(hù)效果研究

3.1 模型試驗(yàn)和計(jì)算分析

為了全面評(píng)估混凝土鉸鏈排防護(hù)方案的效果，進(jìn)行了一系列關(guān)鍵的模型試驗(yàn)和深入的計(jì)算分析。這些試驗(yàn)和分析旨在深入了解鉸鏈排對(duì)水庫(kù)溢洪道水流的實(shí)際影響，以及防護(hù)工程在不同條件下的穩(wěn)定性和抗沖刷能力。

在鉸鏈排的模型試驗(yàn)中，詳細(xì)記錄了在不同洪水流量下的水流速度數(shù)據(jù)（V）以及水流流態(tài)的壓力數(shù)據(jù)（P）。這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)不僅為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試提供了依據(jù)，還在實(shí)際工程中具有極高的參考價(jià)值。通過(guò)記錄和分析這些數(shù)據(jù)，可以深入了解鉸鏈排在不同水流條件下的表現(xiàn)，評(píng)估其對(duì)水流的實(shí)際影響。

其中，V 表示水流速度（m/s），Q 表示水流量（m3/s），A 表示流動(dòng)橫截面積（m2）。

在水流速度數(shù)據(jù)方面，通過(guò)測(cè)量水流在不同洪水流量情況下的速度，了解鉸鏈排如何影響水流的流動(dòng)性質(zhì)。這有助于確定鉸鏈排的實(shí)際控制效果，尤其是在高水流條件下，鉸鏈排是否能夠有效減緩水流速度。

同時(shí)，也記錄了水流流態(tài)的壓力數(shù)據(jù)，以評(píng)估鉸鏈排對(duì)水流的壓力分布和力學(xué)特性的影響。這些數(shù)據(jù)對(duì)于確定鉸鏈排的穩(wěn)定性和抗沖刷能力非常重要，特別是在面對(duì)洪水沖擊時(shí)。

通過(guò)模型試驗(yàn)和計(jì)算分析，能夠更全面地了解混凝土鉸鏈排防護(hù)方案的實(shí)際效果。這些數(shù)據(jù)和結(jié)果為工程設(shè)計(jì)提供了有力支持，確保了防護(hù)工程在復(fù)雜的水流條件下具備出色的穩(wěn)定性和可靠性。這不僅有助于確保工程的成功實(shí)施，還為類似工程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考[4]。

3.2 鉸鏈排對(duì)洪水流速和水流流態(tài)的影響

在模型試驗(yàn)中，將鉸鏈排置于水流中，并針對(duì)不同的洪水流量條件進(jìn)行了詳盡的測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，鉸鏈排在控制段的作用下，對(duì)水流具有顯著的影響。

首先，鉸鏈排能夠有效減緩水流的速度。這一效果在高洪水流量條件下尤為明顯，鉸鏈排成功地減緩了水流的流速。這意味著鉸鏈排在洪水期間能夠有效地減輕水流的沖擊力，降低了可能對(duì)防護(hù)工程造成損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

其次，鉸鏈排的波浪狀結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中顯示出卓越的效果。這種波浪狀結(jié)構(gòu)擾動(dòng)了水流的流態(tài)，使其更加復(fù)雜和多變。通過(guò)引入這種擾動(dòng)，成功地減小了水流的沖擊力，使其變得更為平穩(wěn)和均勻。這對(duì)于保護(hù)防護(hù)工程的穩(wěn)定性具有非常積極的影響。

在模型試驗(yàn)中，詳細(xì)記錄了不同洪水流量下的水流速度數(shù)據(jù)（V）和水流流態(tài)的壓力數(shù)據(jù)（P）。這些數(shù)據(jù)是評(píng)估鉸鏈排對(duì)水流影響的關(guān)鍵依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)調(diào)了鉸鏈排作為水利防護(hù)工程的優(yōu)勢(shì)，特別是在處理洪水和高水流條件下，它能夠有效地維護(hù)工程的穩(wěn)定性，降低水流沖擊的威力。這些發(fā)現(xiàn)為工程設(shè)計(jì)和實(shí)施提供了有力的支持，確保了工程的可靠性和持久性。

水流流態(tài)的壓力（P）可以使用以下公式計(jì)算：

其中，P 表示壓力（Pa），ρ 表示水的密度（kg/m3），V 表示水流速度（m/s）。

在模型試驗(yàn)中，可以測(cè)量水流的速度和壓力，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以了解鉸鏈排對(duì)水流的影響。

水庫(kù)溢洪道的下距水利樞紐為63.5km，上距雅口航運(yùn)樞紐為58.0km。因此，水庫(kù)溢洪道的總長(zhǎng)度為5.5km。水庫(kù)溢洪道的河床底寬為250m。進(jìn)口高程為39.0m，出口高程為38.0m。水庫(kù)溢洪道的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為全年10 年一遇。對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量為13500m3/s。這些效果對(duì)于減小明渠邊坡的沖刷風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)防護(hù)工程的穩(wěn)定性具有重要意義。

3.3 防護(hù)工程的穩(wěn)定性和抗沖刷能力

為了評(píng)估防護(hù)工程的穩(wěn)定性，可以使用以下公式來(lái)計(jì)算明渠邊坡的穩(wěn)定性分析：

其中，F(xiàn)S 表示穩(wěn)定性安全系數(shù)，τs 表示剪切應(yīng)力（Pa），τc 表示抗剪強(qiáng)度（Pa），N 表示正應(yīng)力（Pa），Nc 表示臨界正應(yīng)力（Pa）。

為了計(jì)算沖刷深度，使用以下四個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算：

張瑞瑾公式：

其中：

P為孔隙水壓力（Pa）；ρ 為水的密度（kg/m3）；g 為重力加速度（m/s2）；h為水深（m）；c為常數(shù)。

崗恰洛夫公式：

其中：

Q為排水或滲透的速率（m3/s）；K為滲透系數(shù)（m/s）；A為截面積（m2）；h1為起始水頭（m）；h2為終點(diǎn)水頭（m）；L為滲透路徑長(zhǎng)度（m）。

唐存本公式：

其中：

Q 為滲流速率（m3/s）；K為滲透系數(shù)（m/s）；h1為起始水頭（m）；h2為終點(diǎn)水頭（m）；L為滲透路徑長(zhǎng)度（m）。

沙玉清公式：

其中：

σc為巖石的抗壓強(qiáng)度（Pa）；c為巖石的內(nèi)聚力（Pa）；σtg為巖石的摩擦力（Pa）。

通過(guò)模型試驗(yàn)和計(jì)算分析，對(duì)防護(hù)工程的穩(wěn)定性和抗沖刷能力進(jìn)行了評(píng)估，沖刷深度計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 沖刷深度計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

結(jié)果表明，鉸鏈排的設(shè)計(jì)和材料選擇能夠滿足工程要求，保證了防護(hù)工程在不同水流條件下的穩(wěn)定性。特別是在洪水條件下，鉸鏈排能夠有效分散水流沖擊力，減少明渠邊坡的沖刷和坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)以上的研究，可以得出混凝土鉸鏈排防護(hù)方案對(duì)水庫(kù)溢洪道的控制段效果良好，具有穩(wěn)定性和抗沖刷能力，能夠有效保障水庫(kù)大壩和水電樞紐工程的安全運(yùn)行。這些研究結(jié)果為類似水利工程的防護(hù)設(shè)計(jì)和施工提供了有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)和參考[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

深入研究水庫(kù)溢洪道控制段大體積混凝土施工技術(shù)是確保水利工程安全和穩(wěn)定運(yùn)行的重要一環(huán)。本文通過(guò)對(duì)混凝土鉸鏈排防護(hù)方案的評(píng)估，證明了其在防洪、抗沖刷等方面的出色性能。這不僅為水庫(kù)溢洪道工程提供了可行的防護(hù)方案，也為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供了有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。期待這項(xiàng)研究能夠?yàn)樗こ填I(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步做出貢獻(xiàn)，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全和水資源的有效利用。