试论某水库溢洪道设计及优化

来源:用户上传      作者:

　　[摘要]水库溢洪道设计直接影响着水库的安全运行，对于其经济效益以及社会效益的提高起着举足轻重的作用。本文主要结合当前某水库溢洪设计问题，进而探讨如何科学规划整体布局，强化节点结构计算，优化整体设计，保障水库的安全运行。
　　[关键词]水库 溢洪道 设计 优化
　　[中图分类号] VT62 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-4-300-2
　　1某水库溢洪道概述
　　溢洪道作为水利建筑物的一种防洪设备，筑在水坝一侧，主要是为了防止水坝的毁坏。如果水库里的水位处在安全限度以上时，水将从溢洪道流出，进而流向下游，主要包括进水渠、泄槽、控制段与出水渠。从溢洪道所处地理位置来看，主要有岸边溢洪道以及河床式溢洪道两种类型。岸边溢洪道结构形式较为复杂，因此主要分为四种：第一，正槽溢洪道。溢流堰与泄槽处于正交状态，其泄槽轴线与过堰水流方向具有统一性；第二，侧槽溢洪道。其溢流堰顺着等高线方向布置，洪水经溢流堰泄入流向下游；第三，井式溢洪道。洪水经环形溢流堰泄入下游；第四，虹吸溢洪道。水流经虹吸管流向下游，可在岸边或者坝内构建。某水库作为一座具防洪、供水、灌溉以及发电等多种功能为一体的大型水库，其库容为2.1亿m3，兴利水位为113.12m左右。就其溢洪道而言，其型式为坝肩式，置入大坝左坝肩山坡上，地面高程在110.56m左右。溢洪道地基属于薄层夹中厚层状的灰岩，总体为弱透水性。依据相应的工程泄流需求，该水库溢洪道经防洪高水位为115.23m 以上洪水时，其全部闸门将会开启泄洪。在设计方案时，要综合考虑泄流规模、设计方案、地质条件、工程运行形式以及泄流流态等因素。本文主针对其溢洪道设计而开展一系列的探讨，旨在提高该水库的使用性能与安全性能。
　　2某水库溢洪道设计重要性分析
　　溢洪道是水库工程中的关键建筑物，在洪水期间，有助于保障水库的安全运行，该水库主要承担的任务有两件：第一，宣泄洪水；第二，防止洪水漫溢出堤顶。由此可知，溢洪道设计直接影响着水库的安全，合理的设计显得尤为重要。具体而言，溢洪道的布局以及选型，关系着水库的安全以及整个工程的总造价，同时对水库建成投入使用状况还起着重要的影响作用。由此可以看出，该水库溢洪道设计在该地区经济发展过程中起着不可忽视的作用，要引起重视。
　　3某水库溢洪道设计现状
　　3.1水平溢洪道平面弯道半径设置不合理
　　在进行溢洪道设计过程时，如果平面弯道半径设置不合理，出现过大或者收缩猛烈等现象，将不利于水利的泄流。当在布置溢洪道陡坡段过程中，如果存在弯道，但因弯道的流态以及流势易发生剧烈变化态势，因此将会导致两岸存在一定程度的水面差异。在这种状况下，凹岸水面变高，在下游衔接平直段内形成一股巨大的折冲水流，最终破坏泄流能力以及消能效果。
　　3.2水库溢洪道进出口段距、坝身距离设置不当
　　在本工程中，由于水库溢洪道进出口段与坝身之间的距离相隔较近，而溢洪道与坝肩间相隔着单薄的山脊。此时，当进口段如没有采用护砌措施时，极其容易冲刷泄洪，危及到坝肩的安全运行。同时，在设计过程中，诸多设计师将坝脚与陡槽末端相结合，当出现横流冲刷现象时，不利于坝脚的安全。
　　3.3水库水力设计方法不严谨
　　在溢洪道设计过程中，水库水力设计方法不够严谨。如将引洪平流段设置在溢洪道进口时，在水力计算过程中极其容易忽视平流段进口水位的计算。其次，某些设计者没有综合考虑溢洪道的消能设计，经常存在型式选择不科学等情况，导致消力池长度以及深度与实际需要不相符，水库消能不完整，下游河段冲刷现象严重。
　　3.4水库溢洪道陡坡设计问题
　　溢洪道陡坡比下降太大作为溢洪道设计中一个极其容易出现的问题，其后果甚为严重。当在非岩性山坡上设置溢洪道时，其底部无反滤衬砌设计，如果出现渗水状况，易产生滑坡情形。其次，在结构设计上也不够牢固。例如衬砌厚度较薄、坡度过陡、衬砌厚度较薄等状况，与实际的抗滑、抗倾要求相违背，稳定性能不佳，后期会产生崩塌以及滑坡等情形。
　　3.5水库溢洪道设计未结合泄洪特性
　　在结构设计过程中，缺乏对泄洪特征的充分考虑。由于水库溢洪道下泄的高速水流冲击力强大，急流掺气现象以及脉动现象严重，偶尔伴有剧烈震动。某些设计者在溢洪道设计中运用低标号浆砌石以及混凝土砌护，但其砌护的厚度以及边坡砌护的高度与结构稳定性能要求相违背，因而不能抵御高速水流冲刷力。当在非岩基上进行溢洪道设计时，底部没有设置滤排水等设备，崩陷危险系数高。同时，在圬工混凝土衬砌中无伸缩沉降缝，溢洪道衬砌易产生裂缝，影响着整个水库运行的安全。
　　4优化水库溢洪道设计策略
　　4.1科学规划溢洪道设计
　　在水库溢洪道工程规划时期，要结合工程所在地的地貌以及地形变化，最大限度地实现经济与安全的双赢。例如当溢洪道设计所在地存在天然山坳时，则其布设较为容易。在具体的设计过程中，在滑坡以及崩塌体上严禁布置，尽可能地排除危险，主要体现在四个方面：第一，进口段。为了最大限度地减少损失，使引流平顺其进口形状，必须要将其设计为喇叭口，长度不易过长。由于受到地形的局限，在进口段内需要设置弯道，则使弯曲段尽量处于平缓状态，将弯道、出口段以及下游衔接段与坝脚相隔开来，防止产生冲刷坝脚现象。对于引流段截面而言，要运用矩形或者梯形，当流速在（1-2）m/s时，不需要设置砌护，坝端邻近范围之内，则设置一定长度的砌护，并将其设定在弯道两侧凹岸上；第二，控制段。为了实现泄流均匀目的，必须使进口水流与控制段建筑物垂直，按照地形条件以及实际的泄流需求，来进行宽顶堰或者断面堰的设计，其堰宽度遵循允许单宽流量设计原则。通常情况下，岩基上单宽流量一般55m3/s左右，而非岩基上在30m3/s左右，土基上为20m3/s；第三，泄流段。采用直线布置形式，避开弯道，设计扭坡，以防产生负压。在进行纵断面设计时，要因地制宜地，依据地形以及地质条件，合理选择缓坡或者陡坡或等形式。就陡坡段来看，遵循均一比降原则，尽可能在岩基上进行布置。对于非岩基而言，其衬砌厚度要综合考虑其流速与地质条件，一般浆砌石为在（0.5-1.0）m之间，混凝土在（0.2-0.5）m之间，而钢筋混凝土通常在（0.15-0.3）m间，坡度选择通常40%以下；第四，消能工。泄水段末端要设置消能工，可按照地形、水力以及地质条件来确定。当运用多级跃水时，其泄流方向与坝脚的距离要在120m以上。在非岩基上要采用底流消能方式，且于末端处设置消力池。若泄流量相对较小，可运用消力坎形式；在岩基上，若溢洪道尾端边坎较陡，则采取挑射消能形式。
　　4.2强化水库各环节水利计算
　　强化各环节水利计算主要体现在四个方面：第一，强化引流段水力计算。采取自下游控制断面，反推上游，利用水面曲线进行计算。在引流段进口处计算水位差，进而求解泄洪后水位；第二，强化控制段水力计算。依据溢流堰水力计算原则，合理选择流量系数，使其与设计堰型保持一致；第三，强化泄流段陡槽水力计算。若陡槽底宽不变，可运用BⅡ型降水曲线计算方法来计算。当陡槽段底宽出现渐变时，可再用查氏方法进行计算；第四，强化消能设施水力计算。底流式消能可运用巴什基洛娃图表来计算，其步骤简明、计算简便、精度较高。需要注意的是，在消能设施尺寸确定过程中要留有余地，要运用模型来验证水库水力计算成果。
　　4.3重视水库各部分结构计算
　　通常情况下，在水库各部分结构计算过程中需要注意三个方面的内容：一是陡坡护砌厚度必须与滑动安全相符合。在完成伸缩缝、沉降缝设计后，要加强基础应力，一般可不对其进行计算，滑动稳定为关键的控制条件，通过在作用于护面，从而产生滑动力。就抗滑力来看，主要包括四个方面：一是有=砌体自重垂直坡面分力，二是水流静压力，三是护面上举力，四是渗透压力。为了保证安全，抗滑安全系数要在1.4左右；第二，消力池底板的厚度要与抗浮稳定需求相一致。在底板四周边界的约束作用下，不存在滑动问题，因此只需做出抗浮稳定计算。底板上浮力有脉动压力、水跃段内压力差、渗透压力以及下游消力池水深。抗浮安全系数必须要保持在（1.3-1.5）之间；第三，挑流鼻坎尺寸要和滑动与倾覆稳定以及基础应力标准相一致。一般而言，挑流曲面离心力垂直分力、鼻坎上水重以及鼻坎自重是鼻坎上向下垂直力，向上垂直力包括脉动力以及渗透压力等，水平推力包括水流拖泄力等。依据力学计算方法，鼻坎抗滑安全系数要在1.3以上，抗倾安全系数必须在1.5及其以上。
　　5结束语
　　综上所述，水利工程设计者要结合工程实际概况以及水文资料，分析其地质构造，规划总体布局，最大限度地节省建设投资，从而确保水库的安全运行，实现其可持续发展。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-5471756.htm