中小型水庫溢洪道設(shè)計中的常見問題及其對策(精)

1、中小型水庫溢洪道設(shè)計中的常見問題及其對策時間:2005-11-09 00:00:00來源:水利工程網(wǎng)作者：馮輝長溢洪道的設(shè)計和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關(guān)系到整個工 程造價。土石壩一般中小型溢洪道，約占水庫樞紐工程造價的2530%及勞動力的25%,故溢洪道合理的布局和選型，在水庫工程設(shè)計中是一個比較重要的環(huán)節(jié)。1.常見問題1.1溢洪道是洪水期間保證水庫安全的重要設(shè)施，中小型水庫由于受工程造價的限制，其設(shè)計采用的洪水標(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 來溢洪道設(shè)計尺寸偏小，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

2、，某些工程設(shè)計的溢洪道其進(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，泄洪時一旦發(fā)生沖蝕現(xiàn)象，將危及壩肩安全，有些設(shè)計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大壩的運(yùn)行安全十分不利。1.3溢洪道設(shè)計的平面彎道半徑過大和收縮過劇，對泄流十分不利。特別在溢洪 道陡坡段布置有彎道時，由于彎道流態(tài)、流勢劇烈變化，導(dǎo)致二岸產(chǎn)生了水面差，這時 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劇收縮，也會發(fā)生顯著的壅水和流態(tài)變化，并對溢洪 道襯砌造成沖擊，如砌護(hù)過高會增加投資，砌

3、護(hù)過低了又不安全。1.4溢洪道縱橫剖面及平面布置設(shè)計不當(dāng)，比較突出的問題是陡坡設(shè)計比降過陡。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)計中，有些工程對兩側(cè)山坡開挖坡度注意不夠， 有的過陡，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，直至整個建筑物 破壞。1.5現(xiàn)有水力設(shè)計方法尚不夠完善，如溢洪道進(jìn)口布置有引洪平流段的情況下

4、，由 于水力計算中忽略了平流段時進(jìn)口水位的壅高（即水頭損失。而實際壅高有時較大， 不可忽視。有些設(shè)計對溢洪道的消能工的設(shè)計考慮不夠充分，或者型式選擇不當(dāng)，導(dǎo) 致消力墻長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)計中，過去大多采用扎馬林法”進(jìn)行計算。經(jīng)多年實踐及 水工模型試驗證明：使用該法計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)淹沒出流，其實際泄洪流量達(dá)不到設(shè)計要求的泄量，因而對工 程是不安全的。1.6有些工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計中對泄洪的特點和基礎(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現(xiàn)象十分顯著

5、常會產(chǎn)生劇烈的震 動;有些溢洪道采用低標(biāo)號的漿砌石或砼砌護(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)計時，底部幾 乎沒有反濾排水設(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。2.設(shè)計對策溢洪道設(shè)計中掌握的基本資料是否充分與完善，選用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是否恰當(dāng)，均直 接影響到整個工程的安全及經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)就有關(guān)問題談一些看法：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，如主壩口子狹窄無法布置正堰

6、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)堅硬均一，線路短, 無彎道，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 ，為減小損失其長度不宜過長。如因地形所限必須在該段內(nèi)設(shè)置彎道時，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W 12米/秒時一般可不砌護(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)一定長度，同時在彎道二側(cè)的凹岸亦應(yīng)砌護(hù)，如為堅硬的巖基則可不考

7、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?，堰寬度可按允許單寬流量選定，巖基上單寬流量為4070m 3/S非巖基上為2040m 3/s 土基上為20m 3/s。除近口段設(shè)有引流段外,般應(yīng)使堰頂寬度31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1015m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)計應(yīng)因地制宜地根據(jù)地形

8、、地質(zhì)而選用緩坡、陡坡或多級 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，一般漿砌石用0.51.0m，砼0.20.5m，鋼筋砼0.150.3m （砼與鋼筋砼基部還應(yīng)設(shè)0.305m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0.30.5m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812m,同時在襯砌底部需敷設(shè)排水的反濾料；考慮高

9、速水流摻氣的 特點，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> 100150m對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，此時可考慮采 用差動式消力檻形式；在巖基上，如溢洪道尾端有較陡邊坎時，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、造價低，因而常被采用。根據(jù)工程實踐鼻坎形式以 矩形差動式最好，

10、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。2.1.5側(cè)槽段（指側(cè)堰深槽式溢洪道該段布置應(yīng)垂直于來水流向，其長度可根據(jù)等高線向上游延伸，水流特點是側(cè)向 進(jìn)流，縱向泄流。側(cè)堰與深槽連接的漸變過渡段，其收縮角應(yīng)控制在12°左右，其長度一般為槽內(nèi) 水深的35倍，其主要作用是避免槽內(nèi)波動和橫向旋滾的水流直接進(jìn)入陡坡段。2.2水利計算為使水力計算與工程特性相一致，故正確選用計算公式十分重要。2.2.1引流段的水力計算：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)口處端須先計算水位壅高，才能求得泄洪時的正 確庫水位。2.2.2

11、控制段的匯流計算：可根據(jù)溢流堰水力計算設(shè)計規(guī)范”建議的方法計算,同 時正確選用流量系數(shù)時并使其與選用的堰型相一致。223泄流段陡槽水力計算：推求陡槽段水面曲線的方法較多，如陡槽底寬固定不變時,可采用B型降水曲線或用查爾諾門斯基方法計算；對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)施的水力計算：采取底流式消能可以采用AC:巴什基洛娃圖表計算。由于巴氏對各種消能設(shè)備的計算方法與步驟均較明確、詳細(xì)，計算省時又能保，對于一些重要的中型水庫證精度；但是我們在選定消能設(shè)施的尺寸時應(yīng)該留有余地其水力計算成果還應(yīng)通過模型試驗加以驗證；至于挑射消能計算，目前還未找到一種比較成熟適用的計算方法。2.

12、2.5側(cè)槽段的水力計算：過去采用的 扎馬林法”由于計算時采用了均勻流假定，而實際水流狀態(tài)是沿程變量流，故不符合適用于均勻流的謝才公式，因而與實際泄流 情況有較大出入。近年來有些水利科技工作者根據(jù)水流動量或能量關(guān)系而建議采用的水面曲線推算的公式比較符合實際泄流情況，如 西南水工所在中小型水庫側(cè)槽式溢洪道的設(shè)計一書中介紹的公式”、美國小壩設(shè)計一書中用的公式”、以及浙江省水利科技情報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吻合。其中南斯拉夫的哈丁公式又可結(jié)合實際驗算，計算方法簡便、省時，故可供設(shè)計參考。由于側(cè)槽內(nèi)實際的流態(tài)十分復(fù)雜，故在堰頂對面的岸坡水面要比平均水位抬高520%,因此其

13、設(shè)計的襯砌的高度、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，水流的沖擊、摻氣和槽內(nèi)水流波動很大，流態(tài) 十分復(fù)雜，故精確計算十分困難，因此對于重要的大中型水庫其側(cè)槽式溢洪道設(shè)計需 依據(jù)水工模型試驗來確定其相應(yīng)尺寸。2.3結(jié)構(gòu)計算為保證建筑物安全穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)計算是不可缺少的，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，而對挑射 消能則應(yīng)進(jìn)行鼻坎的穩(wěn)定與基礎(chǔ)應(yīng)力計算。2.3.1陡坡的護(hù)砌厚度應(yīng)滿足滑動安全，設(shè)置伸縮縫沉陷縫以后，坡面砌護(hù) 似大面積薄板，故對基礎(chǔ)應(yīng)力以及傾復(fù)穩(wěn)定一般可不須計算，其主要控制條件 滑動穩(wěn)定，作用在護(hù)面上的滑動力主要有水流

14、拖泄力、砌體自重順坡方向的分 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 水流靜壓力（需扣除高速水流的脈動壓力）、護(hù)面上的上舉力和滲透壓力，其用，一般沒有滑動問題，因此僅需對其抗浮要求進(jìn)行穩(wěn)滑安全系數(shù)應(yīng) 1.31.5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定計算。作用在底板上的上浮力包括滲透壓力、脈動壓力、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×Πǖ装宓母≈睾偷装迳系乃兀淇垢“踩捣€(wěn)定、傾復(fù)穩(wěn)定和允許的基礎(chǔ)應(yīng)力。作用分力；向上的垂直力包括脈動力、滲 鼻坎上凸出體產(chǎn)生的上舉力。作用于其鼻壩曲面離心力的水平分力，以及方法計算鼻坎的滑動與傾復(fù)穩(wěn)定時其數(shù) 1.31.5即為安全。2.3.3挑流鼻坎的尺寸應(yīng)滿足滑動于鼻坎上的向下的垂直力包括