中小型水库溢洪道设计中的常见问题及其对策(精)讲课讲稿

中小型水库溢洪道设计中的常见问题及其对策

时间:2005-11-09 00:00:00 来源:水利工程网作者:冯辉长

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

40~70m 3/s ,非岩基上为20~40m 3/s ,土基上为20m 3/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。