中小型水庫溢洪道設(shè)計(jì)中常見問題及其對(duì)策
陳曉明
摘要：中小型水庫中溢洪道設(shè)計(jì)和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關(guān)系到整個(gè)工程造價(jià)。故溢洪道合理的布局和選型，在水庫工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)。溢洪道設(shè)計(jì)中幾個(gè)值得注意的問題包括引水渠的底寬和流速、控制段的堰型選擇、泄流段（陡坡、急流段）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、消能設(shè)施的選擇等供相關(guān)內(nèi)容。
關(guān)鍵詞：中小型水庫；溢洪道；常見問題；對(duì)策

1、引水渠的底寬和流速
引水渠的作用是將水庫的水平順地引至控制堰前，其設(shè)計(jì)原則是在合理的開挖方量下盡量減小水頭損失，以增加溢洪道的泄水能力，而引水渠的底寬和流速是兩個(gè)比較重要的控制因素。引水渠橫斷面一般選用梯形或矩形。為引流平順，其進(jìn)口形狀最好做成喇叭口，為減小水頭損失其長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)。如因地形所限必須在該段內(nèi)設(shè)置彎道時(shí)，則應(yīng)使彎曲段盡量平緩?fù)膺�應(yīng)使彎道與下游銜接段和出口段盡量遠(yuǎn)離壩腳，以免沖刷壩腳。為防止泄洪時(shí)引水渠兩側(cè)產(chǎn)生不對(duì)稱的回流或立軸旋渦，小轉(zhuǎn)向慣性力引起的堰前橫向坡降，導(dǎo)致過堰水流不均，減小泄流能力，規(guī)范規(guī)定引渠底寬可為等寬或順?biāo)�流方向收縮，在與控制段連接處應(yīng)與溢流前沿等寬。
引水渠內(nèi)水流流速對(duì)工程量和水頭損失有較大影響。規(guī)范對(duì)34個(gè)工程資料統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)計(jì)流速低于3m/s的共9個(gè)，占26.47%；設(shè)計(jì)流速在3m/s~5m/s之間的共18個(gè)，占52.94%；設(shè)計(jì)流速高于5m/s的共7個(gè)，占20.59%。彼此相差也頗大，如西排子河水庫的流速僅0.73m/s，而碧口的流速在設(shè)計(jì)工況下為5.58m/s，保壩工況下為8.63m/s。一般規(guī)定進(jìn)水渠設(shè)計(jì)流速不大于4.0m/s，以控制在1~2m/s為宜。對(duì)于地勢(shì)較高，山坡較陡，開挖方量很大的河岸溢洪道，進(jìn)水渠設(shè)計(jì)流速可以適當(dāng)提高，但應(yīng)盡量縮短進(jìn)水渠的長(zhǎng)度，減少進(jìn)水渠的水頭損失。進(jìn)水渠進(jìn)口的流速應(yīng)低于渠內(nèi)流速，一般控制在2.5m/s以下為宜。當(dāng)流速≤1~2米/秒時(shí)一般可不砌護(hù)，但與壩端鄰近和緊接控制建筑物的范圍內(nèi)應(yīng)砌護(hù)一定長(zhǎng)度，同時(shí)在彎道二側(cè)的凹岸亦應(yīng)砌護(hù)，如為堅(jiān)硬的巖基則可不考慮。

2、控制段的堰型選擇
控制段控制水庫的水位和下泄流量，是溢洪道的咽喉， 為使泄流均勻，可使近口水流垂直于控制段建筑物；根據(jù)地形條件和泄流需要必需設(shè)置寬頂堰或?qū)嵱脭嗝嫜撸�堰寬度可按允許單寬流量選定，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。除近口段設(shè)有引流段外，一般應(yīng)使堰頂寬度≤3h堰（h堰為堰上水頭，單位m）；為使水流平順，堰口與其上游引流段可采用漸變段連接，其收縮角以12度左右為宜。如堰體較寬則應(yīng)在其橫向設(shè)置溫度縫與沉陷縫，其間距可按10~15m布設(shè)。其常用的堰型有寬頂堰、實(shí)用堰。
寬頂堰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便。但流量系數(shù)較低，在相同條件下，其所需要的溢流前緣要比實(shí)用堰長(zhǎng)，土石挖方較大。一般多用于泄洪量不大或附近地形平緩，高程適宜的中小型水庫中。
實(shí)用堰由于流量系數(shù)大，當(dāng)岸坡較陡時(shí)，采用實(shí)用堰可以減少開挖方量，多用于大中型工程。在溢洪道上經(jīng)常采用的實(shí)用堰型有WES型和駝峰堰。WES堰的流量系數(shù)較大，堰型較優(yōu)，推薦優(yōu)先采用。駝峰堰的堰面是由幾個(gè)半徑不同的圓孤組成，施工簡(jiǎn)單，地基應(yīng)力分布比較均勻，整體穩(wěn)定性較好，適用于軟弱地基條件，其流量系數(shù)要比寬頂堰大。而值得一提的是，為尋找高水頭溢洪道中低堰用的較理想體形，某些學(xué)者對(duì)機(jī)翼形堰進(jìn)行了水工物理模型和數(shù)學(xué)模型的綜合研究，結(jié)果表明機(jī)翼形堰是很適用于高水頭溢洪道上以低堰狀態(tài)工作的堰型，而以盡可能大的流量系數(shù)和盡可能小的負(fù)壓絕對(duì)值作全面比較，機(jī)翼形堰還稍勝WES堰一籌。并且具有堰型參數(shù)少，便于設(shè)計(jì)施工；堰頂部分較平緩，易于布置閘門；下游堰面曲線有漸變的斜率，便于和各種縱坡槽底相切等優(yōu)點(diǎn)。筆者認(rèn)為機(jī)翼堰也是一種值得推廣應(yīng)用的堰型。
3、泄流段（陡坡、急流段）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該段平面均采用直線布置，并盡量避免彎道和設(shè)置扭坡順引流態(tài)的急驟變化甚至產(chǎn)生負(fù)壓；其縱斷面設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜地根據(jù)地形、地質(zhì)而選用緩坡、陡坡或多級(jí)躍水等多種形式。陡坡段應(yīng)盡量采用均一比降，由于泄水段流速很高，故應(yīng)盡量布置在巖基上。如為非巖基則該段襯砌厚度應(yīng)按允許流速與地質(zhì)條件選擇進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般漿砌石用50~100cm，砼20~50cm，鋼筋砼15~30cm（砼與鋼筋砼基部還應(yīng)設(shè)30~50cm厚的漿砌石底砌護(hù)），其坡度一般以≤1/2.5為宜。
新鮮巖基上的陡坡段，可不砌護(hù)；如為松軟風(fēng)化巖石仍須用30~50cm的漿砌石或20cm厚的砼作砌護(hù)，并加設(shè)錨固筋；如需大面積砼襯砌則應(yīng)按地質(zhì)情況，結(jié)合溫度變化布置伸縮縫和沉陷縫，兩側(cè)邊坡可僅設(shè)橫縫，底部則應(yīng)設(shè)縱橫縫，間距一般為8~12m，同時(shí)在襯砌底部需敷設(shè)排水的反濾料；考慮高速水流摻氣的特點(diǎn)，邊坡的砌護(hù)高度應(yīng)有適當(dāng)超高。
4、消能設(shè)施的選擇
在泄水段末端需設(shè)置消能工，其具體選擇型式可根據(jù)地形、地質(zhì)和水力條件的要求而定，采用多級(jí)躍水或溢洪道末端的躍流段應(yīng)使其泄流方向遠(yuǎn)離壩腳≥100~150m。對(duì)于非巖基上一般均采用底流消能，并在末端設(shè)置消力池。如泄流量不大，亦可考慮消力檻形式；如為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，由于極易造成沖刷，此時(shí)可考慮采用差動(dòng)式消力檻形式；，如溢洪道尾端有較陡邊坎，且下游為巖基時(shí)，采用挑流消能較為有利（但需考慮高空擴(kuò)散氣流及下游沖刷對(duì)周圍影響），由于這種形式可省去消力池、護(hù)坦與海漫等工程，因而工程量小、造價(jià)低，常被采用。根據(jù)工程實(shí)踐鼻坎形式以矩形差動(dòng)式最好，但鼻坎以上陡坡最好做成矩形斷面，千萬不可作成梯形斷面以免需用扭坡與鼻坎銜接。
5、小結(jié)
以上提出來的幾個(gè)問題只是筆者在溢洪道設(shè)計(jì)工作中總結(jié)出來的一部分，希望能給相關(guān)的工程技術(shù)人員提供一些參考。針對(duì)中小型溢洪道常出現(xiàn)的問題，應(yīng)從資料收集、規(guī)劃布局、水利計(jì)算及結(jié)構(gòu)計(jì)算層層把關(guān)，保證工程安全經(jīng)濟(jì)可行。

參考文獻(xiàn)
1. 中華人民共和國(guó)水利部《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253--2000）
2. 中華人民共和國(guó)水利部《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252--2000）
3. 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)院編《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范專題文集》，水利電力出版社
4. 西安理工大學(xué)李建中主編《水力學(xué)》，陜西科學(xué)技術(shù)出版社

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