中小型水库溢洪道设计中常见问题及其对策

中小型水库溢洪道设计中常见问题及其对策
陈晓明
摘要：中小型水库中溢洪道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。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。溢洪道设计中几个值得注意的问题包括引水渠的底宽和流速、控制段的堰型选择、泄流段（陡坡、急流段）结构设计、消能设施的选择等供相关内容。
关键词：中小型水库；溢洪道；常见问题；对策

1、引水渠的底宽和流速
引水渠的作用是将水库的水平顺地引至控制堰前，其设计原则是在合理的开挖方量下尽量减小水头损失，以增加溢洪道的泄水能力，而引水渠的底宽和流速是两个比较重要的控制因素。引水渠横断面一般选用梯形或矩形。为引流平顺，其进口形状最好做成喇叭口，为减小水头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。为防止泄洪时引水渠两侧产生不对称的回流或立轴旋涡，小转向惯性力引起的堰前横向坡降，导致过堰水流不均，减小泄流能力，规范规定引渠底宽可为等宽或顺水流方向收缩，在与控制段连接处应与溢流前沿等宽。
引水渠内水流流速对工程量和水头损失有较大影响。规范对34个工程资料统计分析，设计流速低于3m/s的共9个，占26.47%；设计流速在3m/s~5m/s之间的共18个，占52.94%；设计流速高于5m/s的共7个，占20.59%。彼此相差也颇大，如西排子河水库的流速仅0.73m/s，而碧口的流速在设计工况下为5.58m/s，保坝工况下为8.63m/s。一般规定进水渠设计流速不大于4.0m/s，以控制在1~2m/s为宜。对于地势较高，山坡较陡，开挖方量很大的河岸溢洪道，进水渠设计流速可以适当提高，但应尽量缩短进水渠的长度，减少进水渠的水头损失。进水渠进口的流速应低于渠内流速，一般控制在2.5m/s以下为宜。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。

2、控制段的堰型选择
控制段控制水库的水位和下泄流量，是溢洪道的咽喉，为使泄流均匀，可使近口水流垂直于控制段建筑物；根据地形条件和泄流需要必需设置宽顶堰或实用断面堰，堰宽度可按允许单宽流量选定，岩基上单宽流量为40~70m3/s，非岩基上为20~40m3/s，土基上为20m3/s。除近口段设有引流段外，一般应使堰顶宽度≤3h堰（h堰为堰上水头，单位m）；为使水流平顺，堰口与其上游引流段可采用渐变段连接，其收缩角以12度左右为宜。如堰体较宽则应在其横向设置温度缝与沉陷缝，其间距可按10~15m布设。其常用的堰型有宽顶堰、实用堰。
宽顶堰结构简单，施工方便。但流量系数较低，在相同条件下，其所需要的溢流前缘要比实用堰长，土石挖方较大。一般多用于泄洪量不大或附近地形平缓，高程适宜的中小型水库中。
实用堰由于流量系数大，当岸坡较陡时，采用实用堰可以减少开挖方量，多用于大中型工程。在溢洪道上经常采用的实用堰型有WES型和驼峰堰。WES堰的流量系数较大，堰型较优，推荐优先采用。驼峰堰的堰面是由几个半径不同的圆孤组成，施工简单，地基应力分布比较均匀，整体稳定性较好，适用于软弱地基条件，其流量系数要比宽顶堰大。而值得一提的是，为寻找高水头溢洪道中低堰用的较理想体形，某些学者对机翼形堰进行了水工物理模型和数学模型的综合研究，结果表明机翼形堰是很适用于高水头溢洪道上以低堰状态工作的堰型，而以尽可能大的流量系数和尽可能小的负压绝对值作全面比较，机翼形堰还稍胜WES堰一筹。并且具有堰型参数少，便于设计施工；堰顶部分较平缓，易于布置闸门；下游堰面曲线有渐变的斜率，便于和各种纵坡槽底相切等优点。笔者认为机翼堰也是一种值得推广应用的堰型。
3、泄流段（陡坡、急流段）结构设计
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。
4、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，此时可考虑采用差动式消力槛形式；，如溢洪道尾端有较陡边坎，且下游为岩基时，采用挑流消能较为有利（但需考虑高空扩散气流及下游冲刷对周围影响），由于这种形式可省去消力池、护坦与海漫等工程，因而工程量小、造价低，常被采用。根据工程实践鼻坎形式以矩形差动式最好，但鼻坎以上陡坡最好做成矩形断面，千万不可作成梯形断面以免需用扭坡与鼻坎衔接。
5、小结
以上提出来的几个问题只是笔者在溢洪道设计工作中总结出来的一部分，希望能给相关的工程技术人员提供一些参考。针对中小型溢洪道常出现的问题，应从资料收集、规划布局、水利计算及结构计算层层把关，保证工程安全经济可行。

参考文献
1. 中华人民共和国水利部《溢洪道设计规范》（SL253--2000）
2. 中华人民共和国水利部《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252--2000）
3. 中南勘测设计院编《溢洪道设计规范专题文集》，水利电力出版社
4. 西安理工大学李建中主编《水力学》，陕西科学技术出版社