關(guān)于小型水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)的探討
摘要：溢洪道在我國(guó)水利工程建設(shè)中是最為常見的建筑,在工程項(xiàng)目中能夠發(fā)揮出排除水庫(kù)存超蓄洪水的作用,使得水庫(kù)在汛期泄洪期間處于安全狀態(tài)。從完整的工程狀況看,溢洪道設(shè)計(jì)的好壞能夠直接影響水庫(kù)的安全狀況。
關(guān)鍵詞：溢洪道設(shè),小型水庫(kù)
一、常見問(wèn)題
1.1溢洪道是洪水期間保證水庫(kù)安全的重要設(shè)施，小型水庫(kù)由于受工程造價(jià)的限制，其設(shè)計(jì)采用的洪水標(biāo)準(zhǔn)往往偏低、選用洪水?dāng)?shù)據(jù)(洪峰、洪量)偏小，因而必然帶來(lái)溢洪道設(shè)計(jì)尺寸偏小，再加上周邊巖體風(fēng)化坍落，往往造成泄流能力不足，因而不能保證安全泄洪。
1.2在布置上，某些工程設(shè)計(jì)的溢洪道其進(jìn)出口段離壩身太近，壩肩與溢洪道之間僅有單薄的山脊相隔。進(jìn)口段如未進(jìn)行有效的護(hù)砌，泄洪時(shí)一旦發(fā)生沖蝕現(xiàn)象，將危及壩肩安全，有些設(shè)計(jì)的陡槽末端與壩腳緊貼，如果發(fā)生橫流沖刷，更易危及壩腳安全，因此這二種情況均對(duì)大壩的運(yùn)行安全十分不利。
1.3溢洪道設(shè)計(jì)的平面彎道半徑過(guò)大和收縮過(guò)劇，對(duì)泄流十分不利。特別在溢洪道陡坡段布置有彎道時(shí)，由于彎道流態(tài)、流勢(shì)劇烈變化，導(dǎo)致二岸產(chǎn)生了水面差，這時(shí)凹岸水面壅高，并在下游銜接的平直段內(nèi)產(chǎn)生折沖水流，大大影響了泄流能力和消能效果。另外陡坡段或緩流段的過(guò)劇收縮，也會(huì)發(fā)生顯著的壅水和流態(tài)變化，并對(duì)溢洪道襯砌造成沖擊，如砌護(hù)過(guò)高會(huì)增加投資，砌護(hù)過(guò)低了又不安全。
1.4溢洪道縱橫剖面及平面布置設(shè)計(jì)不當(dāng)，比較突出的問(wèn)題是陡坡設(shè)計(jì)比降過(guò)陡。部分溢洪道布置在非巖性山坡上，其底部未做有效的反濾襯砌，致使?jié)B水后易產(chǎn)生滑坡;結(jié)構(gòu)上也不穩(wěn)定。在橫斷面設(shè)計(jì)中，有些工程對(duì)兩側(cè)山坡開挖坡度注意不夠，有的過(guò)陡，加上襯砌厚度偏薄，不能滿足抗滑抗傾穩(wěn)定，也易造成坍方和滑坡;平面布置上，存在著上下游斷面連接不配套，形成“瓶頸”現(xiàn)象，從而影響了泄洪能力;此外溢洪道末端與河道銜接部分注意不夠，導(dǎo)致有的末端高出河床很多，有的末端未做砌護(hù)處理，常造成嚴(yán)重沖刷，并向上延伸，直至整個(gè)建筑物破壞。
1.5現(xiàn)有水力設(shè)計(jì)方法尚不夠完善，如溢洪道進(jìn)口布置有引洪平流段的情況下，由于水力計(jì)算中忽略了平流段時(shí)進(jìn)口水位的壅高(即水頭損失)。而實(shí)際壅高有時(shí)較大，不可忽視。有些設(shè)計(jì)對(duì)溢洪道的消能工的設(shè)計(jì)考慮不夠充分，或者型式選擇不當(dāng)，導(dǎo)致消力墻長(zhǎng)度和深度均不能滿足需要，消能不夠充分，致使下游河段發(fā)生嚴(yán)重沖刷。
另在側(cè)槽式溢洪道設(shè)計(jì)中，過(guò)去大多采用“扎馬林法”進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)多年實(shí)踐及水工模型試驗(yàn)證明：使用該法計(jì)算所確定的水面坡降偏小，導(dǎo)致側(cè)槽深度不夠，流量系數(shù)減小，使側(cè)堰局部呈現(xiàn)淹沒(méi)出流，其實(shí)際泄洪流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的泄量，因而對(duì)工程是不安全的。
1.6有些工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)泄洪的特點(diǎn)和基礎(chǔ)特性考慮不周，溢洪道下泄的高速水流具有很強(qiáng)的沖出力、由于急流的摻氣和脈動(dòng)現(xiàn)象十分顯著常會(huì)產(chǎn)生劇烈的震動(dòng);有些溢洪道采用低標(biāo)號(hào)的漿砌石或砼砌護(hù)，且砌護(hù)厚度與邊坡砌護(hù)高度都不能適應(yīng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求，因而不能抵御高流速的沖刷;有些非巖基上的溢洪道設(shè)計(jì)時(shí)，底部幾乎沒(méi)有反濾排水設(shè)備，極易發(fā)生塌滑;有些大面積圬工砼襯砌由于未設(shè)伸縮沉陷縫，致使溢洪道襯砌發(fā)生一些裂縫，總之這些都使工程安全受至影響。
二、設(shè)計(jì)對(duì)策
溢洪道設(shè)計(jì)中掌握的基本資料是否充分與完善，選用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是否恰當(dāng)，均直接影響到整個(gè)工程的安全及經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)就有關(guān)問(wèn)題談一些看法：
2.1規(guī)劃布局
溢洪道工程的規(guī)劃布局應(yīng)盡量利用有利地形地貌，即要經(jīng)濟(jì)合理又要保證安全。如大壩附近有天然山坳可以布設(shè)溢洪道則最為理想，如主壩口子狹窄無(wú)法布置正堰則可考慮選擇側(cè)槽式溢洪道。其規(guī)劃布置的主要原則是：基礎(chǔ)堅(jiān)硬均一，線路短，無(wú)彎道，出口遠(yuǎn)離壩體;工程嚴(yán)禁布置在滑坡或崩塌體地上。溢洪道通常有四個(gè)主要部分組成：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)
為引流平順其進(jìn)口形狀最好做成喇叭口，為減小損失其長(zhǎng)度不宜過(guò)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)�、還應(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。引流段截面一般選用梯形或矩形，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。
2.1.2控制段(堰流段)
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)嵱脭嗝嫜撸邔挾瓤砂丛试S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)。
2.1.3泄流段(陡坡、急流段)
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)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0.5~1.0m，砼0.2~0.5m，鋼筋砼0.15~0.3m(砼與鋼筋砼基部還應(yīng)設(shè)0.3~05m厚的漿砌石底砌護(hù))，其坡度一般以≤1/2.5為宜。
新鮮巖基上的泄水道，可不砌護(hù);如為松軟風(fēng)化巖石仍須用0.3~0.5m的漿砌石或0.2m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。
2.1.4消能工
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;在巖基上，如溢洪道尾端有較陡邊坎時(shí)，采用挑射消能較為有利(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，由于其工程量小、造價(jià)低，因而常被采用。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(wàn)不可作成梯形斷面以免需用扭坡與鼻坎銜接。
2.1.5側(cè)槽段(指?jìng)?cè)堰深槽式溢洪道)
該段布置應(yīng)垂直于來(lái)水流向，其長(zhǎng)度可根據(jù)等高線向上游延伸，水流特點(diǎn)是側(cè)向進(jìn)流，縱向泄流。
側(cè)堰與深槽連接的漸變過(guò)渡段，其收縮角應(yīng)控制在12°左右，其長(zhǎng)度一般為槽內(nèi)水深的3~5倍，其主要作用是避免槽內(nèi)波動(dòng)和橫向旋滾的水流直接進(jìn)入陡坡段。
2.2水利計(jì)算
為使水力計(jì)算與工程特性相一致，故正確選用計(jì)算公式十分重要。
2.2.1引流段的水力計(jì)算：可采取自下游控制斷面向上游反推求水面曲線的方法進(jìn)行(如查爾諾門斯基方法)，引流段進(jìn)口處端須先計(jì)算水位壅高，才能求得泄洪時(shí)的正確庫(kù)水位。
2.2.2控制段的匯流計(jì)算：可根據(jù)“溢流堰水力計(jì)算設(shè)計(jì)規(guī)范”建議的方法計(jì)算，同時(shí)正確選用流量系數(shù)時(shí)并使其與選用的堰型相一致。
2.2.3泄流段陡槽水力計(jì)算：推求陡槽段水面曲線的方法較多，如陡槽底寬固定不變時(shí)，可采用BⅡ型降水曲線或用查爾諾門斯基方法計(jì)算;對(duì)底寬漸變的陡槽段則可用查氏方法分段詳算。
2.2.4消能設(shè)施的水力計(jì)算：采取底流式消能可以采用A·C:巴什基洛娃圖表計(jì)算。由于巴氏對(duì)各種消能設(shè)備的計(jì)算方法與步驟均較明確、詳細(xì)，計(jì)算省時(shí)又能保證精度;但是我們?cè)谶x定消能設(shè)施的尺寸時(shí)應(yīng)該留有余地，對(duì)于一些重要的中型水庫(kù)其水力計(jì)算成果還應(yīng)通過(guò)模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證;至于挑射消能計(jì)算，目前還未找到一種比較成熟適用的計(jì)算方法。
2.2.5側(cè)槽段的水力計(jì)算：過(guò)去采用的“扎馬林法”由于計(jì)算時(shí)采用了均勻流假定，而實(shí)際水流狀態(tài)是沿程變量流，故不符合適用于均勻流的謝才公式，因而與實(shí)際泄流情況有較大出入。
近年來(lái)有些水利科技工作者根據(jù)水流動(dòng)量或能量關(guān)系而建議采用的水面曲線推算的公式比較符合實(shí)際泄流情況，如“西南水工所在《中小型水庫(kù)側(cè)槽式溢洪道的設(shè)計(jì)》一書中介紹的公式”、“美國(guó)《小壩設(shè)計(jì)》一書中用的公式”、以及“浙江省《水利科技情報(bào)》77年第三期介紹的南斯拉夫哈丁公式”等均與水工模型試驗(yàn)吻合。其中南斯拉夫的哈丁公式又可結(jié)合實(shí)際驗(yàn)算，計(jì)算方法簡(jiǎn)便、省時(shí)，故可供設(shè)計(jì)參考。由于側(cè)槽內(nèi)實(shí)際的流態(tài)十分復(fù)雜，故在堰頂對(duì)面的岸坡水面要比平均水位抬高5~20%，因此其設(shè)計(jì)的襯砌的高度、厚度要要考慮上述影響。
由于側(cè)槽式溢洪道在側(cè)向進(jìn)流時(shí)，水流的沖擊、摻氣和槽內(nèi)水流波動(dòng)很大，流態(tài)十分復(fù)雜，故精確計(jì)算十分困難，因此對(duì)于重要的大中型水庫(kù)其側(cè)槽式溢洪道設(shè)計(jì)需依據(jù)水工模型試驗(yàn)來(lái)確定其相應(yīng)尺寸。
2.3結(jié)構(gòu)計(jì)算
為保證建筑物安全穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)計(jì)算是不可缺少的，除一些護(hù)坡及擋土墻的穩(wěn)定可按一般方法計(jì)算外，必須進(jìn)行陡坡面砌護(hù)厚度與消力池底板的穩(wěn)定分析，而對(duì)挑射消能則應(yīng)進(jìn)行鼻坎的穩(wěn)定與基礎(chǔ)應(yīng)力計(jì)算。
2.3.1陡坡的護(hù)砌厚度應(yīng)滿足滑動(dòng)安全，設(shè)置伸縮縫沉陷縫以后，坡面砌護(hù)類似大面積薄板，故對(duì)基礎(chǔ)應(yīng)力以及傾復(fù)穩(wěn)定一般可不須計(jì)算，其主要控制條件是滑動(dòng)穩(wěn)定，作用在護(hù)面上的滑動(dòng)力主要有水流拖泄力、砌體自重順坡方向的分力及護(hù)面凸體(如伸縮縫)產(chǎn)生的阻力;抗滑力則包括砌體自重垂直坡面的分力和水流靜壓力(需扣除高速水流的脈動(dòng)壓力)、護(hù)面上的上舉力和滲透壓力，其抗滑安全系數(shù)應(yīng)≥1.3~1.5即為安全。
2.3.2消力池底板厚度應(yīng)滿足抗浮穩(wěn)定要求，由于底板四周邊界的約束作用，一般沒(méi)有滑動(dòng)問(wèn)題，因此僅需對(duì)其抗浮要求進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。作用在底板上的上浮力包括滲透壓力、脈動(dòng)壓力、底板上凸出體產(chǎn)生的上舉力，以及下游消力池水深與水躍段內(nèi)壓力差�？垢×Πǖ装宓母≈睾偷装迳系乃�，其抗浮安全系數(shù)≥1.3~1.5即為安全。
2.3.3挑流鼻坎的尺寸應(yīng)滿足滑動(dòng)穩(wěn)定、傾復(fù)穩(wěn)定和允許的基礎(chǔ)應(yīng)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，挑流曲面離心力的垂直分力;向上的垂直力包括脈動(dòng)力、滲透壓力、鼻坎下游尾部形成的上浮力、以及鼻坎上凸出體產(chǎn)生的上舉力。作用于鼻坎的水平推力包括水流的拖泄力，挑流時(shí)其鼻壩曲面離心力的水平分力，以及鼻坎上凸出體產(chǎn)生的水平分力。按一般力學(xué)方法計(jì)算鼻坎的滑動(dòng)與傾復(fù)穩(wěn)定時(shí)其要求抗滑安全系數(shù)≥1.3~1.5，抗傾安全系數(shù)≥1.5，同時(shí)計(jì)算上述各力的合力，其作用點(diǎn)應(yīng)位于基礎(chǔ)面中三分點(diǎn)之內(nèi)，且基礎(chǔ)最大與最小應(yīng)力比值≤3~5，以避免發(fā)生不均勻沉陷。
三、小結(jié)
溢洪道的設(shè)計(jì)和布置合理與否，不僅直接影響到水庫(kù)的安全，而且關(guān)系到整個(gè)工程造價(jià)。土石壩一般小型溢洪道，約占水庫(kù)樞紐工程造價(jià)的25~30%及勞動(dòng)力的25%，故溢洪道合理的布局和選型，在水庫(kù)工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)。針對(duì)小型溢洪道常出現(xiàn)的問(wèn)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。
