基于小型水库溢洪道设计方法探讨

基于小型水库溢洪道设计方法探讨

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。一般小型溢洪道，约占水库枢纽工程造价的10~15%，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。针对小型溢洪道常出现的问题，应从资料收集、规划布局、水利计算及结构计算层层把关，保证工程安全经济可行。关键词：小型水库溢洪道设计方法

中图分类号： s611 文献标识码： a 文章编号：

一、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，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溢洪道设计的平面弯道半径过小和收缩过剧，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，导致横向产生了水面差，这时外墙水面壅高，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。

1.3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。

1.4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，导致消力池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流量，因而对工程是不安全的。

1.5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击力、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满足结构稳定要求，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。

二、设计对策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槽式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（进口段）、控制段（堰流段）、泄流段（陡坡、急流段）及消能工。

2.1.1引流段（进口段）

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。除进口段设有引流段外，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，一般浆砌石厚0.5~1.0m，砼厚0.2~0.5m，钢筋砼厚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厚的浆砌石或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，千万不可做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