水利工程论文-中小型水库溢洪道设计中的常见问题及其对策.doc

水利工程论文-中小型水库溢洪道设计中的常见问题及其对策摘要：溢洪道的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。土石坝一般中小型溢洪道，约占水库枢纽工程造价的2530%及劳动力的25%，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。关键词：土石坝中小型水库溢洪道常见问题对策溢洪道的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。土石坝一般中小型溢洪道，约占水库枢纽工程造价的2530%及劳动力的25%，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。1常见问题1.1溢洪道是洪水期间保证水库安全的重要设施，中小型水库由于受工程造价的限制，其设计采用的洪水标准往往偏低、选用洪水数据（洪峰、洪量）偏小，因而必然带来溢洪道设计尺寸偏小，再加上周边岩体风化坍落，往往造成泄流能力不足，因而不能保证安全泄洪。1.2在布置上，某些工程设计的溢洪道其进出口段离坝身太近，坝肩与溢洪道之间仅有单薄的山脊相隔。进口段如未进行有效的护砌，泄洪时一旦发生冲蚀现象，将危及坝肩安全，有些设计的陡槽末端与坝脚紧贴，如果发生横流冲刷，更易危及坝脚安全，因此这二种情况均对大坝的运行安全十分不利。1.3溢洪道设计的平面弯道半径过大和收缩过剧，对泄流十分不利。特别在溢洪道陡坡段布置有弯道时，由于弯道流态、流势剧烈变化，导致二岸产生了水面差，这时凹岸水面壅高，并在下游衔接的平直段内产生折冲水流，大大影响了泄流能力和消能效果。另外陡坡段或缓流段的过剧收缩，也会发生显著的壅水和流态变化，并对溢洪道衬砌造成冲击，如砌护过高会增加投资，砌护过低了又不安全。1.4溢洪道纵横剖面及平面布置设计不当，比较突出的问题是陡坡设计比降过陡。部分溢洪道布置在非岩性山坡上，其底部未做有效的反滤衬砌，致使渗水后易产生滑坡；结构上也不稳定。在横断面设计中，有些工程对两侧山坡开挖坡度注意不够，有的过陡，加上衬砌厚度偏薄，不能满足抗滑抗倾稳定，也易造成坍方和滑坡；平面布置上，存在着上下游断面连接不配套，形成“瓶颈”现象，从而影响了泄洪能力；此外溢洪道末端与河道衔接部分注意不够，导致有的末端高出河床很多，有的末端未做砌护处理，常造成严重冲刷，并向上延伸，直至整个建筑物破坏。1.5现有水力设计方法尚不够完善，如溢洪道进口布置有引洪平流段的情况下，由于水力计算中忽略了平流段时进口水位的壅高（即水头损失）。而实际壅高有时较大，不可忽视。有些设计对溢洪道的消能工的设计考虑不够充分，或者型式选择不当，导致消力墙长度和深度均不能满足需要，消能不够充分，致使下游河段发生严重冲刷。另在侧槽式溢洪道设计中，过去大多采用“扎马林法”进行计算。经多年实践及水工模型试验证明：使用该法计算所确定的水面坡降偏小，导致侧槽深度不够，流量系数减小，使侧堰局部呈现淹没出流，其实际泄洪流量达不到设计要求的泄量，因而对工程是不安全的。1.6有些工程在结构设计中对泄洪的特点和基础特性考虑不周，溢洪道下泄的高速水流具有很强的冲出力、由于急流的掺气和脉动现象十分显著常会产生剧烈的震动；有些溢洪道采用低标号的浆砌石或砼砌护，且砌护厚度与边坡砌护高度都不能适应结构稳定要求，因而不能抵御高流速的冲刷；有些非岩基上的溢洪道设计时，底部几乎没有反滤排水设备，极易发生塌滑；有些大面积圬工砼衬砌由于未设伸缩沉陷缝，致使溢洪道衬砌发生一些裂缝，总之这些都使工程安全受至影响。2设计对策溢洪道设计中掌握的基本资料是否充分与完善，选用的设计标准是否恰当，均直接影响到整个工程的安全及经济，现就有关问题谈一些看法：2.1规划布局溢洪道工程的规划布局应尽量利用有利地形地貌，即要经济合理又要保证安全。如大坝附近有天然山坳可以布设溢洪道则最为理想，如主坝口子狭窄无法布置正堰则可考虑选择侧槽式溢洪道。其规划布置的主要原则是：基础坚硬均一，线路短，无弯道，出口远离坝体；工程严禁布置在滑坡或崩塌体地上。溢洪道通常有四个主要部分组成：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）为引流平顺其进口形状最好做成喇叭口，为减小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。引流段截面一般选用梯形或矩形，当流速12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。2.1.2控制段（堰流段）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4070m3/s，非岩基上为2040m3/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1015m布设。2.1.3泄流段（陡坡、急流段）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0.51.0m，砼0.20.5m，钢筋砼0.150.3m（砼与钢筋砼基部还应设0.305m厚的浆砌石底砌护），其坡度一般以1/2.5为宜。新鲜岩基上的泄水道，可不砌护；如为松软风化岩石仍须用0.30.5m的浆砌石或0.2m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812m，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。2.1.4消能工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100150m。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；在岩基上，如溢洪道尾端有较陡边坎时，采用挑射消能较为有利（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，由于其工程量小、造价低，因而常被采用。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。2.1.5侧槽段（指侧堰深槽式溢洪道）该段布置应垂直于来水流向，其长度可根据等高线向上游延伸，水流特点是侧向进流，纵向泄流。侧堰与深槽连接的渐变过渡段，其收缩角应控制在12左右，其长度一般为槽内水深的35倍，其主要作用是避免槽内波动和横向旋滚的水流直接进入陡坡段。2.2水利计算为使水力计算与工程特性相一致，故正确选用计算公式十分重要。2.2.1引流段的水力计算：可采取自下游控制断面向上游反推求水面曲线的方法进行（如查尔诺门斯基方法），引流段进口处端须先计算水位壅高，才能求得泄洪时的正确库水位。2.2.2控制段的汇流计算：可根据“溢流堰水力计