水利工程論文-中小型水庫溢洪道設(shè)計中的常見問題及其對策.doc

水利工程論文-中小型水庫溢洪道設(shè)計中的常見問題及其對策摘要：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)。關(guān)鍵詞：土石壩中小型水庫溢洪道常見問題對策溢洪道的設(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，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，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的沖出力、由于急流的摻氣和脈動現(xiàn)象十分顯著常會產(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，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4070m3/s，非巖基上為2040m3/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、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，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控制段的匯流計算：可根據(jù)“溢流堰水力計