溢洪道設計要點概要

1、溢洪道的設計和布臵合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關系到整個工 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施，中小型水庫由于受工程造價的 限制,其設計采用的洪水標準往往偏低、選用洪水數(shù)據(jù)（洪峰、洪量偏小，因而必然 帶來溢洪道設計尺寸偏小，再加上周邊巖體風化坍落，往往造成泄流能力不足，因而不 能保證安全泄洪。1.2在布臵上,某些工程設計的溢洪道其進出口段離壩身太近，壩肩與溢洪道之 間僅有單薄的山脊 相隔。進口段如未進行有效的護砌

2、，泄洪時一旦發(fā)生沖蝕現(xiàn)象，將 危及壩肩安全，有些設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 洪道陡坡段布臵有彎 道時,由于彎道流態(tài)、流勢劇烈變化，導致二岸產(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，如砌護過高會增加投資，砌護過低了又不安全。1.4溢洪道縱橫剖面及平面布臵設計不當，比較突出的問題是陡坡設計比降過 陡。部

3、分溢洪道布臵在非巖性山坡上，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 臵上，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，導致有的末端高出河床很多，有的末端未做砌護 處理，常造成嚴重沖刷，并向上延伸，直至整個建筑物破壞。1.5現(xiàn)有水力設計方法尚不夠完善，如溢洪道進口布臵有引洪平流段的情況下， 由于水力計算中忽 略了平流段時進口水位的壅高（即水頭損失。而實際壅高有時較 大，不可忽視。

4、有些設計對溢洪道的消能工的設計考慮不夠充分，或者型式選擇不當 導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)生嚴重沖 刷。另在側(cè)槽式溢洪道設計中，過去大多采用扎馬林法”進行計算。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，其實際泄洪流量達不到設計要求的泄量，因而對 工程是不安全的。1.6有些工程在結(jié)構(gòu)設計中對泄洪的特點和基礎特性考慮不周，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號的漿砌石或砼砌護,且砌護厚度與邊坡砌護高度都不

5、能 適應結(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計時，底 部幾乎沒有反濾排水設備，極易發(fā)生塌滑；有些大面積圬工砼襯砌由于未設伸縮沉陷 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.設計對策溢洪道設計中掌握的基本資料是否充分與完善，選用的設計標準是否恰當，均直 接影響到整個工程的安全及經(jīng)濟，現(xiàn)就有關問題談一些看法：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溢洪道則最為理想，如主壩口子狹窄無法布臵 正堰則可考慮選擇側(cè)槽式溢洪道。其規(guī)劃布臵的主要原則是：基礎堅硬均一，線路短, 無彎道，

6、出口遠離壩體；工程嚴禁布臵在滑 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)設臵彎道時，則應使彎曲段盡量平緩外、還應使彎道與下游銜 接段和出口段盡量遠離壩腳，以免沖刷壩腳。引流段截面一般選用梯形或矩形，當流速W 12米 /秒時一般可不 砌護，但與壩端鄰 近和緊接控制建筑物的范圍內(nèi)應砌護一定長度，同時在彎道二側(cè)的 凹岸亦應砌護，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

7、筑物；根據(jù)地形條件和泄流需要必 需設臵寬頂堰或 實用斷面堰，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/& 除近口段設有引流段外,一 般應使堰頂寬度 3hl （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 則應在其橫向設臵溫 度縫與沉陷縫，其間距可按1015m布設。2.1.3泄流段（陡坡、急流段該段平面均采用直線布臵，并盡量避免彎道和設臵扭坡順引流態(tài)的急驟變化甚 至產(chǎn)生負壓；其縱斷面設計應因地制宜地根據(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

8、應采用 均一比降;由于泄水段流速很高，故應盡量布臵在巖 基上，如為非巖基則該段襯砌厚度應按允許流速與地質(zhì)條件選擇進行設計，一般漿砌 石用0.51.0m砼0.20.5m,鋼筋砼0.150.3m（砼與 鋼筋砼基部還應設0.305m厚的 漿砌石底砌護，其坡度一般以 1/2.5宜。新鮮巖基上的泄水道，可不砌護;如為松軟風化巖石仍須用0.30.5m的漿砌石或 0.2m厚的砼作砌護,并加設錨固筋；如需大面積砼襯砌則應按地質(zhì)情況，結(jié)合溫度變 化布臵伸縮縫和沉陷縫，兩側(cè)邊坡可僅設橫縫，底部則應設縱橫縫，間距一般為 812m,同時在襯砌底部需敷設排水的反濾料;考慮高速水流摻氣的特點，邊坡的砌 護高度應有適當超高

9、。2.1.4消能工在泄水段末端需設臵消能工，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使其泄流方向遠離壩腳100150m。對于非巖基上一般均采用底 流消能，并在末端設臵消力池。如泄流量不 大,亦可考慮消力檻形式；如為遠驅(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

10、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臵應垂直于來水流向，其長度可根據(jù)等高線向上游延伸，水流特點是側(cè)向 進流，縱向泄流。側(cè)堰與深槽連接的漸變過渡段，其收縮角應控制在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 進行（如查爾諾門 斯基方法，引流段進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)溢流堰水力計算設計規(guī)范”建議

11、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。2.2.3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 U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消能設施的水力計算：采取底流式消能可以采用 A C: 巴什基洛娃圖表計算。由于巴氏對各種消能設備的計算方法與步驟均較明確、詳細，計算省時又能保證精度；但是我們在選定消能設施的尺寸時應該留有余地，對于 一些重要的中型水庫其水力計算成果還應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。225側(cè)槽段的水力計算：過去采用的

12、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)槽式溢洪道的設計一書中介 紹的公式”、美國小壩設計一書中用的公式”、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，故可供設計參考。由于側(cè) 槽內(nèi)實際的流態(tài)十分復雜，故在堰頂對面的岸坡水面要比平均水 位抬高520%,因此 其設計的襯砌的高度、厚

13、度要要考慮上述影響。由于側(cè)槽式溢洪道在側(cè)向進流時，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)槽式溢洪道設計需 依據(jù)水工模型試驗來確定其相應尺寸。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，除一些護坡及擋土墻的穩(wěn)定 可按一般方法計算外，必須進行陡坡面砌護厚度與消力池底板的穩(wěn)定分析，而對挑射 消能則應進行鼻坎的穩(wěn)定與基礎應力計算。2.3.1陡坡的護砌厚度應滿足滑動安全,設臵伸縮縫沉陷縫以后,坡面砌護類似 大面積薄板，故對基礎應力以及傾復穩(wěn)定一般可不須計算，其主要控制條件是滑動穩(wěn) 定，作用在護面上的滑動力主 要有水流拖泄力、砌體

14、自重順坡方向的分力及護面凸 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和水流靜壓力（需 扣除高速水流的脈動壓力、護面上的上舉力和滲透壓力，其抗滑安全系數(shù)應 1.31.5即為安全。2.3.2消力池底板厚度應滿足抗浮穩(wěn)定要求，由于底板四周邊界的約束作用，一般 沒有滑動問題，因此僅需對其抗浮要求進行穩(wěn)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。抗浮力包括底板的浮重和底板上的水重，其抗浮安全系數(shù) 1.31.即為安全。2.3.3挑流鼻坎的尺寸應滿足滑動穩(wěn)定、傾復穩(wěn)定和允許的基礎應力。作用于 鼻坎上的向下的垂直 力

15、包括鼻坎自重、鼻坎上的水重，挑流曲面離心力的垂直分力； 向上的垂直力包括脈動力、滲透 壓力、鼻坎下游尾部形成的上浮力、以及鼻坎上 凸出體產(chǎn)生的上舉力。作用于鼻坎的水平推力包括水流的拖泄力，挑流時其鼻壩曲面離心力的水平分力，以及鼻坎上凸出體產(chǎn)生的水平分力。按一般力學方法計算鼻坎的滑動與傾復穩(wěn)定時其要求抗滑安全系數(shù) 1.31.5抗傾安全系數(shù) 1.5同時計算上述各力的合力，其作用點應位于基礎面中三分點之內(nèi)，且基礎最大與最小應力比值 3網(wǎng)避免發(fā)生不均勻沉陷。3.小結(jié)針對中小型溢洪道常出現(xiàn)的問題，應從資料收集、規(guī)劃布局、水利計算及結(jié)構(gòu) 計算層層把關，保證工程安全經(jīng)濟可行。1.2在布臵上,某些工程設計的溢

16、洪道其進出口段離壩身太近，壩肩與溢洪道之 間僅有單薄的山脊 相隔。進口段如未進行有效的護砌，泄洪時一旦發(fā)生沖蝕現(xiàn)象，將 危及壩肩安全，有些設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 洪道陡坡段布臵有彎 道時，由于彎道流態(tài)、流勢劇烈變化，導致二岸產(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，如砌護過高會增加投資，砌護過低了又不安全。這兩條常常矛盾，在以往工程中出現(xiàn)過兩種布臵方式 1滿足水力條件，但溢洪 道其進口段離壩身太 近，甚至與大壩上游防滲體結(jié)合，而且與壩身銜接處采用高擋 墻，砼量大，且施工互相影響；2將溢洪道單獨布臵在壩肩，但水流條件差，引渠彎道大，開挖量成倍增加，此 時常常將溢洪道與壩 軸線不正交