水库溢洪道的设计

水库溢洪道的设计分析与探讨【摘要】溢洪道的设计和布置合理与否，不仅直接影响到水库的安全，而且关系到整个工程造价。

土石坝一般中小型溢洪道，约占水库枢纽工程造价的25~30%及劳动力的25%，故溢洪道合理的布局和选型，在水库工程设计中是一个比较重要的环节。

【关键词】土石坝；水库溢洪道；问题溢洪道的设计和布置合理与否，不仅直接影响到水库的安全，而且关系到整个工程造价。

土石坝一般中小型溢洪道，约占水库枢纽工程造价的25~30%及劳动力的25%，故溢洪道合理的布局和选型，在水库工程设计中是一个比较重要的环节。

1. 常见问题1.1溢洪道是洪水期间保证水库安全的重要设施，中小型水库由于受工程造价的限制，其设计采用的洪水标准往往偏低、选用洪水数据（洪峰、洪量）偏小，因而必然带来溢洪道设计尺寸偏小，再加上周边岩体风化坍落，往往造成泄流能力不足，因而不能保证安全泄洪。

1.2在布置上，某些工程设计的溢洪道其进出口段离坝身太近，坝肩与溢洪道之间仅有单薄的山脊相隔。

进口段如未进行有效的护砌，泄洪时一旦发生冲蚀现象，将危及坝肩安全，有些设计的陡槽末端与坝脚紧贴，如果发生横流冲刷，更易危及坝脚安全，因此这二种情况均对大坝的运行安全十分不利。

1.3溢洪道设计的平面弯道半径过大和收缩过剧，对泄流十分不利。

特别在溢洪道陡坡段布置有弯道时，由于弯道流态、流势剧烈变化，导致二岸产生了水面差，这时凹岸水面壅高，并在下游衔接的平直段内产生折冲水流，大大影响了泄流能力和消能效果。

另外陡坡段或缓流段的过剧收缩，也会发生显著的壅水和流态变化，并对溢洪道衬砌造成冲击，如砌护过高会增加投资，砌护过低了又不安全。

1.4溢洪道纵横剖面及平面布置设计不当，比较突出的问题是陡坡设计比降过陡。

部分溢洪道布置在非岩性山坡上，其底部未做有效的反滤衬砌，致使渗水后易产生滑坡；结构上也不稳定。

在横断面设计中，有些工程对两侧山坡开挖坡度注意不够，有的过陡，加上衬砌厚度偏薄，不能满足抗滑抗倾稳定，也易造成坍方和滑坡；平面布置上，存在着上下游断面连接不配套，形成“瓶颈”现象，从而影响了泄洪能力；此外溢洪道末端与河道衔接部分注意不够，导致有的末端高出河床很多，有的末端未做砌护处理，常造成严重冲刷，并向上延伸，直至整个建筑物破坏。

1.5现有水力设计方法尚不够完善，如溢洪道进口布置有引洪平流段的情况下，由于水力计算中忽略了平流段时进口水位的壅高（即水头损失）。

而实际壅高有时较大，不可忽视。

有些设计对溢洪道的消能工的设计考虑不够充分，或者型式选择不当，导致消力墙长度和深度均不能满足需要，消能不够充分，致使下游河段发生严重冲刷。

另在侧槽式溢洪道设计中，过去大多采用“扎马林法”进行计算。

经多年实践及水工模型试验证明：使用该法计算所确定的水面坡降偏小，导致侧槽深度不够，流量系数减小，使侧堰局部呈现淹没出流，其实际泄洪流量达不到设计要求的泄量，因而对工程是不安全的。

1.6有些工程在结构设计中对泄洪的特点和基础特性考虑不周，溢洪道下泄的高速水流具有很强的冲出力、由于急流的掺气和脉动现象十分显著常会产生剧烈的震动；有些溢洪道采用低标号的浆砌石或砼砌护，且砌护厚度与边坡砌护高度都不能适应结构稳定要求，因而不能抵御高流速的冲刷；有些非岩基上的溢洪道设计时，底部几乎没有反滤排水设备，极易发生塌滑；有些大面积圬工砼衬砌由于未设伸缩沉陷缝，致使溢洪道衬砌发生一些裂缝，总之这些都使工程安全受至影响。

2. 设计对策溢洪道设计中掌握的基本资料是否充分与完善，选用的设计标准是否恰当，均直接影响到整个工程的安全及经济，现就有关问题谈一些看法：2.1规划布局。

溢洪道工程的规划布局应尽量利用有利地形地貌，即要经济合理又要保证安全。

如大坝附近有天然山坳可以布设溢洪道则最为理想，如主坝口子狭窄无法布置正堰则可考虑选择侧槽式溢洪道。

其规划布置的主要原则是：基础坚硬均一，线路短，无弯道，出口远离坝体；工程严禁布置在滑坡或崩塌体地上。

溢洪道通常有四个主要部分组成：引流段（近口段）、控制段（堰流段）、泄流段（陡坡、急流段）及消能工。

2.1.1引流段（近口段）。

为引流平顺其进口形状最好做成喇叭口，为减小损失其长度不宜过长。

如因地形所限必须在该段内设置弯道时，则应使弯曲段尽量平缓外、还应使弯道与下游衔接段和出口段尽量远离坝脚，以免冲刷坝脚。

引流段截面一般选用梯形或矩形，当流速≤1~2米/秒时一般可不砌护，但与坝端邻近和紧接控制建筑物的范围内应砌护一定长度，同时在弯道二侧的凹岸亦应砌护，如为坚硬的岩基则可不考虑。

2.1.2控制段（堰流段）。

为使泄流均匀，可使近口水流垂直于控制段建筑物；根据地形条件和泄流需要必需设置宽顶堰或实用断面堰，堰宽度可按允许单宽流量选定，岩基上单宽流量为40~70m3/s，非岩基上为20~40m3/s，土基上为20m3/s。

除近口段设有引流段外，一般应使堰顶宽度≤3h堰（h堰为堰上水头，单位m）；为使水流平顺，堰口与其上游引流段可采用渐变段连接，其收缩角以12度左右为宜。

如堰体较宽则应在其横向设置温度缝与沉陷缝，其间距可按10~15m布设。

2.1.3泄流段（陡坡、急流段）。

该段平面均采用直线布置，并尽量避免弯道和设置扭坡顺引流态的急骤变化甚至产生负压；其纵断面设计应因地制宜地根据地形、地质而选用缓坡、陡坡或多级跃水等多种形式；陡坡段应采用均一比降；由于泄水段流速很高，故应尽量布置在岩基上，如为非岩基则该段衬砌厚度应按允许流速与地质条件选择进行设计，一般浆砌石用0.5~1.0m，砼0.2~0.5m，钢筋砼0.15~0.3m（砼与钢筋砼基部还应设0.3~05m厚的浆砌石底砌护），其坡度一般以≤1/2.5为宜。

新鲜岩基上的泄水道，可不砌护；如为松软风化岩石仍须用0.3~0.5m的浆砌石或0.2m厚的砼作砌护，并加设锚固筋；如需大面积砼衬砌则应按地质情况，结合温度变化布置伸缩缝和沉陷缝，两侧边坡可仅设横缝，底部则应设纵横缝，间距一般为8~12m，同时在衬砌底部需敷设排水的反滤料；考虑高速水流掺气的特点，边坡的砌护高度应有适当超高。

2.1.4消能工。

在泄水段末端需设置消能工，其具体选择型式可根据地形、地质和水力条件的要求而定，采用多级跃水或溢洪道末端的跃流段应使其泄流方向远离坝脚≥100~150m。

对于非岩基上一般均采用底流消能，并在末端设置消力池。

如泄流量不大，亦可考虑消力槛形式；如为远驱式水跃，由于极易造成冲刷，此时可考虑采用差动式消力槛形式；在岩基上，如溢洪道尾端有较陡边坎时，采用挑射消能较为有利（但需考虑高空扩散气流及下游冲刷对周围影响），由于这种形式可省去消力池、护坦与海漫等工程，由于其工程量小、造价低，因而常被采用。

根据工程实践鼻坎形式以矩形差动式最好，但鼻坎以上陡坡最好做成矩形断面，千万不可作成梯形断面以免需用扭坡与鼻坎衔接。

2.1.5侧槽段（指侧堰深槽式溢洪道）。

该段布置应垂直于来水流向，其长度可根据等高线向上游延伸，水流特点是侧向进流，纵向泄流。

侧堰与深槽连接的渐变过渡段，其收缩角应控制在12°左右，其长度一般为槽内水深的3~5倍，其主要作用是避免槽内波动和横向旋滚的水流直接进入陡坡段。

2.2水利计算。

为使水力计算与工程特性相一致，故正确选用计算公式十分重要。

2.2.1引流段的水力计算：可采取自下游控制断面向上游反推求水面曲线的方法进行（如查尔诺门斯基方法），引流段进口处端须先计算水位壅高，才能求得泄洪时的正确库水位。

2.2.2控制段的汇流计算：可根据“溢流堰水力计算设计规范”建议的方法计算，同时正确选用流量系数时并使其与选用的堰型相一致。

2.2.3泄流段陡槽水力计算：推求陡槽段水面曲线的方法较多，如陡槽底宽固定不变时，可采用bⅱ型降水曲线或用查尔诺门斯基方法计算；对底宽渐变的陡槽段则可用查氏方法分段详算。

2.2.4消能设施的水力计算：采取底流式消能可以采用a·c:巴什基洛娃图表计算。

由于巴氏对各种消能设备的计算方法与步骤均较明确、详细，计算省时又能保证精度；但是我们在选定消能设施的尺寸时应该留有余地，对于一些重要的中型水库其水力计算成果还应通过模型试验加以验证；至于挑射消能计算，目前还未找到一种比较成熟适用的计算方法。

2.2.5侧槽段的水力计算：过去采用的“扎马林法”由于计算时采用了均匀流假定，而实际水流状态是沿程变量流，故不符合适用于均匀流的谢才公式，因而与实际泄流情况有较大出入。

近年来有些水利科技工作者根据水流动量或能量关系而建议采用的水面曲线推算的公式比较符合实际泄流情况，如“西南水工所在《中小型水库侧槽式溢洪道的设计》一书中介绍的公式”、“美国《小坝设计》一书中用的公式”、以及“浙江省《水利科技情报》77年第三期介绍的南斯拉夫哈丁公式”等均与水工模型试验吻合。

其中南斯拉夫的哈丁公式又可结合实际验算，计算方法简便、省时，故可供设计参考。

由于侧槽内实际的流态十分复杂，故在堰顶对面的岸坡水面要比平均水位抬高5~20%，因此其设计的衬砌的高度、厚度要要考虑上述影响。

由于侧槽式溢洪道在侧向进流时，水流的冲击、掺气和槽内水流波动很大，流态十分复杂，故精确计算十分困难，因此对于重要的大中型水库其侧槽式溢洪道设计需依据水工模型试验来确定其相应尺寸。

2.3结构计算。

为保证建筑物安全稳定的结构计算是不可缺少的，除一些护坡及挡土墙的稳定可按一般方法计算外，必须进行陡坡面砌护厚度与消力池底板的稳定分析，而对挑射消能则应进行鼻坎的稳定与基础应力计算。

2.3.1陡坡的护砌厚度应满足滑动安全，设置伸缩缝沉陷缝以后，坡面砌护类似大面积薄板，故对基础应力以及倾复稳定一般可不须计算，其主要控制条件是滑动稳定，作用在护面上的滑动力主要有水流拖泄力、砌体自重顺坡方向的分力及护面凸体（如伸缩缝）产生的阻力；抗滑力则包括砌体自重垂直坡面的分力和水流静压力（需扣除高速水流的脉动压力）、护面上的上举力和渗透压力，其抗滑安全系数应≥1.3~1.5即为安全。

2.3.2消力池底板厚度应满足抗浮稳定要求，由于底板四周边界的约束作用，一般没有滑动问题，因此仅需对其抗浮要求进行稳定计算。

作用在底板上的上浮力包括渗透压力、脉动压力、底板上凸出体产生的上举力，以及下游消力池水深与水跃段内压力差。

抗浮力包括底板的浮重和底板上的水重，其抗浮安全系数≥1.3~1.5即为安全。

2.3.3挑流鼻坎的尺寸应满足滑动稳定、倾复稳定和允许的基础应力。

作用于鼻坎上的向下的垂直力包括鼻坎自重、鼻坎上的水重，挑流曲面离心力的垂直分力；向上的垂直力包括脉动力、渗透压力、鼻坎下游尾部形成的上浮力、以及鼻坎上凸出体产生的上举力。

作用于鼻坎的水平推力包括水流的拖泄力，挑流时其鼻坝曲面离心力的水平分力，以及鼻坎上凸出体产生的水平分力。