試論中小型水庫溢洪道設(shè)計(jì)中的常見問題的對(duì)策

1、試論我縣中小型水庫溢洪道設(shè)計(jì)中的常見問題的對(duì)策XX大學(xué) 水利水電工程 XXX(指導(dǎo)教師:XX摘要:溢洪道的設(shè)計(jì)和布置合理與否,不僅直接到水庫的安全,而且關(guān)系到整個(gè)工程造價(jià)。 土石壩一般中小型溢洪道,約占水庫樞紐工程造價(jià)的 2530%及勞動(dòng)力的 25%,故溢洪道合 理的布局和選型,在水庫工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)。關(guān)鍵詞 : 土石壩溢洪道對(duì)策首言溢洪道是我國(guó)水利工程建設(shè)中最為常見的建筑物, 在工程項(xiàng)目中能夠發(fā)揮出排除水庫存超蓄 洪水的作用,在洪水期間,溢洪道能夠及時(shí)的排水,能緩解水庫大壩的壓力,達(dá)到保證水庫 安全的功能。 但是, 在中小型水庫在工程造價(jià)方面存在限制, 可能致使設(shè)計(jì)采用的洪水標(biāo)

2、準(zhǔn) 不規(guī)范, 選用的洪水?dāng)?shù)據(jù)也偏小, 最終導(dǎo)致溢洪道設(shè)計(jì)尺寸偏小。 土石壩的溢洪道一般為中 小型,約占水庫樞紐工程造價(jià)的 2530%及勞動(dòng)力的 25%,故溢洪道合理的布局和選型,在 水庫工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié), 在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(gè)工程造價(jià)。設(shè)計(jì)者要結(jié)合工程現(xiàn)狀及工程所在地的地質(zhì)構(gòu)造、 水文資料等, 通過對(duì)規(guī)劃布局、 水力計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算等加以改進(jìn), 以求在確保水利工程安全 運(yùn)行的基礎(chǔ)上節(jié)省寶貴的工程建設(shè)資金, 并且溢洪道進(jìn)出口距離壩身太近, 進(jìn)口段沒有護(hù)砌, 壩肩和溢洪道之間的間隔薄弱, 在泄洪時(shí)容易發(fā)生沖蝕、 周邊巖體容易風(fēng)化塌落

3、, 都會(huì)降低 泄洪能力和威脅大壩安全, 需在水庫安全監(jiān)定后, 擬定處理方案時(shí)應(yīng)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造、 水文資料 做好處理, 才能保證工程的功能得長(zhǎng)期和穩(wěn)定的發(fā)揮, 結(jié)合實(shí)際情況, 本文就我縣在中小水 庫工程溢洪道設(shè)計(jì)中存在的一些問題和設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了探討。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(jià)的限制,其設(shè) 計(jì)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(jì) 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(jì)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

4、段如未進(jìn)行有效的護(hù)砌,泄洪時(shí)一旦發(fā)生沖蝕現(xiàn)象, 將危及壩肩安全,有 些設(shè)計(jì)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(duì)大壩的運(yùn)行安全十分不利。1.3溢洪道設(shè)計(jì)的平面彎道半徑過大和收縮過劇,對(duì)泄流十分不利。特別在溢洪道陡坡段布 置有彎道時(shí),由于彎道流態(tài)、流勢(shì)劇烈變化,導(dǎo)致二岸產(chǎn)生了水面差,這時(shí)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(huì)發(fā)生顯著的壅水和流態(tài)變化, 并對(duì)溢洪道襯砌造成沖擊, 如砌護(hù)過高 會(huì)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(jì)不當(dāng),比較突

5、出的問題是陡坡設(shè)計(jì)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(jì)中, 有些工程對(duì)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(gè)建筑物破壞。1.5現(xiàn)有水力設(shè)計(jì)尚不夠完善,如溢洪道進(jìn)口布置有引洪平流段的情況下,由于水力中忽略了平流段時(shí)進(jìn)口水位的壅高(即水頭損

6、失 。而實(shí)際壅高有時(shí)較大,不可忽視。有些設(shè)計(jì)對(duì) 溢洪道的消能工的設(shè)計(jì)考慮不夠充分, 或者型式選擇不當(dāng), 導(dǎo)致消力墻長(zhǎng)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(jì)中,過去大多采用 “扎馬林法”進(jìn)行計(jì)算。 經(jīng)多年實(shí)踐及水工模型試 驗(yàn)證明:使用該法計(jì)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(shí)際泄洪流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的泄量,因而對(duì)工程是不安全的。 1.6有些工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)泄洪的特點(diǎn)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(dòng)現(xiàn)象十分顯著常會(huì)產(chǎn)生劇烈的震動(dòng); 有些溢洪道采用 低

7、標(biāo)號(hào)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(jì)時(shí), 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(jì)對(duì)策溢洪道設(shè)計(jì)中掌握的基本資料是否充分與完善, 選用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是否恰當(dāng), 均直接影響到整 個(gè)工程的安全及,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則可考慮選擇側(cè)

8、槽式 溢洪道。其規(guī)劃布置的主要原則是:基礎(chǔ)堅(jiān)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(gè)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。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(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)。 如因地形所限必須在 該段內(nèi)設(shè)置彎道時(shí), 則應(yīng)使彎曲段盡量平緩?fù)狻?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(shí)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(zhǎng)度, 同時(shí)在彎道二側(cè)的凹岸亦應(yīng) 砌護(hù),如為堅(jiān)硬的巖基則可不考慮。為使泄流均勻

9、, 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)。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(jì)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(jí)躍水等多種形式

10、; 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(jì),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(shí)在襯砌底部需敷設(shè)排水的反濾料;考慮高速水

11、流摻氣的特點(diǎn),邊坡的砌護(hù)高度應(yīng)有適當(dāng)超高。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(jí)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(duì)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(shí)可考慮采用差動(dòng)式消力檻形式; 在巖基上,如溢洪道尾端 有較陡邊坎時(shí),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(duì)周圍 ,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(jià)低,因而常被采用。根 據(jù)工程實(shí)踐鼻坎形式以矩形差動(dòng)式最好, 但鼻坎以上陡

12、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。該段布置應(yīng)垂直于來水流向, 其長(zhǎng)度可根據(jù)等高線向上游延伸, 水流特點(diǎn)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(zhǎng)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(dòng)和橫向旋滾的水流直接進(jìn)入陡坡段。2.2水力計(jì)算為使水力計(jì)算與工程特性相一致,故正確選用計(jì)算公式十分重要。近年來有些水利工作者根據(jù)水流動(dòng)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(shí)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(jì) 一書中介紹的公式” 、 “美國(guó)小壩設(shè)計(jì)一書中用的公式” 、以及“浙江省水利科技情報(bào) 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(yàn)吻合。 其中南斯拉夫的哈丁公式又可結(jié)合實(shí)際驗(yàn)算, 計(jì)算方法簡(jiǎn)便、 省時(shí),故可供設(shè)計(jì)。 由于側(cè)槽內(nèi)實(shí)際的流態(tài)十分復(fù)雜, 故在堰頂對(duì)面的岸坡 水面要比平均水位抬高 520%,因此其設(shè)計(jì)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(shí),水流的沖擊、摻氣和槽內(nèi)水流波動(dòng)很大,流態(tài)十分復(fù)雜, 故精確計(jì)算十分困難