中小型水库溢洪道规划布局设计常见问题及措施

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　　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。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。
　　关键词：溢洪道；规划布局；问题及对策
　　中图分类号： TU98文献标识码： A
　　引言
　　溢洪道设计具有非常重要的作用，它直接影响着整个工程的是否能够用到现实中，充分发挥它的防洪减压作用，溢洪道合理的设计能够提高施工的效率，降低成本，这样就能控制投资成本，按照预算的资金进行施工。土石坝一般中小型溢洪道，约占水库枢纽工程造价的30%，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。如果能够有效地控制成本，这将会是很大一部分收益，所以坚决把好设计大关。
　　一、常见问题
　　1、溢洪道设计的平面弯道半径过大和收缩过剧
　　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，导致左右岸产生了水面差，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。
　　2、溢洪道纵横剖面及平面布置设计不当，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。
　　3、一般水力设计方法尚不够完善
　　如果在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。
　　4、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、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到影响。
　　5、溢洪道弯道半径设计过大
　　溢洪道设计的弯道半径过大及其收缩过剧，对溢洪道的泄流十分不利，尤其在溢洪道陡坡段布置有弯道时，流势剧烈变化、弯道流态导致两岸产生了水面差，凹岸水面壅高，并在下游衔接的平直段内产生折冲水流，直接影响着泄流能力和效果。陡坡段过剧收缩，也会发生壅水与流态变化，并对溢洪道衬砌造成冲击。 
　　二、规划布局设计对策
　　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，既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。溢洪道通常由四个主要部分组成：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、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。
　　3、控制段
　　为方便控制段与坝体两岸建筑物的连接，一般可将其布置在坝肩位置。根据各工程的水力、地形、地质等条件，来选择溢洪道的型式。通常，开敞式溢洪道则具有一定的超泄能力，也有利于日后的运行管理，是进行中小型水库溢洪道布置中的优先考虑方案。为使水流平顺，堰口与上游的引流段可用渐变段连接，其边墙的收缩角度控制在12°以内为佳。一般说来，堰体的宽度大于3倍的堰上水头，且岩基上的最大单宽流量为70 m3/s，土基上则为20m3/s。堰顶如设工作闸门，则设计闸门时，需配有可靠的备用电源或者手动装置，启闭机的容量选取时，也应在计算时预留稍大一些的安全余量，避免因树枝或垃圾阻塞门槽时，闸门无法正常启吊，这点尤其需要引起足够重视。
　　4、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。陡坡段应尽量采用均一比降，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50-100cm，砼20-50cm，钢筋砼15-30cm（砼与钢筋砼基部还应设30-50cm厚的浆砌石底砌护），其坡度一般以≤1/2.5为宜。新鲜岩基上的陡坡段，可不砌护；如为松软风化岩石仍须用30-50cm的浆砌石或20cm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。
　　5、消能设施的选择
　　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，应采用消力槛形式；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，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。鼻坎以上陡坡应为矩形断面，不可作成梯形断面以免需用扭坡 与鼻坎衔接。
　　6、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。
　　结束语
　　中小型溢洪道的设计以及规划，在工程规划设计阶段，要尤其重视工程地形、地质、水文、钻探等基础资料的成果和结论，并以此为基础，提出合理、可行的布局和设计，这样就使工程的结构安全、工程的投资造价都有了可靠的保障。
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