潘成

（广西河池水利电力勘测设计研究院 广西河池 547000）

中小型水库溢洪道设计中的常见问题及其对策

潘成

（广西河池水利电力勘测设计研究院 广西河池 547000）

在水库工程设计中，溢洪道具有十分重要的作用，此情况下，本文详细分析了中小型水库溢洪道设计中的常见问题，并在此基础上，分析了其发生原因及解决措施，以供参考。

溢洪道设计；存在问题；解决对策

1 常见问题

1.1 设计标准

在供水期间，通过溢洪道，可有效确保水库安全。一般情况下，因受到工程造价的限制，中小型水库设计往往采用较低的洪水标准与较小的洪水数据，导致溢洪道设计尺寸较小。此外，周边岩体风化坍落现象的发生，导致泄流能力大幅降低，最终导致泄洪安全性无法得到保障。

1.2 安全距离

在布置方面，由于少数工程设计的溢洪道紧靠其进出口，坝肩和溢洪道间的距离仅为一个较为单薄的山脊，此时，如果不在进口处进行有效的护砌作业，当发生泄洪冲蚀情况时，必将威胁到坝肩安全性。此外，部门溢洪道设计的陡槽末端紧靠坝脚，一旦出现横流冲刷，极容易对坝脚安全性造成威胁。由此可知，上述两种情况不利于大坝的安全运行。

1.3 弯道设计

当溢洪道设计的平面弯道半径较大，或是收缩较剧烈时，不利于泄流。尤其是弯道处于溢洪道陡坡处时，因弯道流态、流势变化较为剧烈，引发了二岸水面差，此时的凹岸水面壅高，并且还会引发下游衔接平直段内折冲水流的出现，对泄洪能力与效能效果造成了严重的影响。此外，当陡坡段、缓流段收缩较剧烈时，同样也会出现明显的壅水与流态变化现象，进而冲击溢洪道衬砌。

1.4 断面设计

当在非岩性山坡上布设部分溢洪道时，如果没有对其底部进行有效的反滤衬砌作业时，极容易导致渗水后滑坡问题的发生，进而威胁结构的稳定性。此外，在设计横断面时，少数工程忽视了两侧山坡开挖坡度，有些过于陡峭，如果此时衬砌厚度较为薄弱，并无法确保抗滑抗倾的稳定性，也极容易引发坍方与滑坡。

1.5 水力计算

当前的水力设计方式还不是很完善，例如当溢洪道进口处有引洪平流段时，因水利计算过程中没有加入平流段时进口水位的壅高，但就实际情况来看，壅高有时偏大，这是不可忽视的。此外，少数设计没有充分的考虑溢洪道的消能工设计，型式选择也不合理，导致消力墙长度、深度均无法达到相关规定要求，导致下游河段遭遇严重的冲刷。

1.6 加固措施

部分工程在进行结构设计时，没有全面的考虑泄洪的特点与基础特性，此情况下，当溢洪道下泄高速水流冲击力较强时，再加上存在显著的急流掺气与脉动，极容易引发剧烈的震动。有些溢洪道运用标号较低的浆砌石或是混凝土砌护进行施工，而砌筑的厚度与边坡砌护高度也无法满足结构稳定需求，所以无法有效抵御流速带来的冲刷。上述问题都严重影响着工程的安全性。

2 设计对策

2.1 规划布局

2.1.1 引流段

为了确保引流的平顺，对于其进口形状，应当尽可能做成喇叭口，同时，为了避免损失，应当确保其长度的适宜。例如由于地形限制必须在该段进行弯道的布设时，应当尽量确保弯曲段的平缓，对于弯道与下游连接段、出口段，应当尽可能的远离坝脚，避免对坝脚造成冲刷。对于引流段截面，通常采用梯形或矩形，而当流速不超过1～2m/s时，可不进行砌护施工，但如果其紧邻坝端、建筑物，则需进行一定的长度的砌护，此时还需在弯道两侧的凹岸处进行砌护作业，但如果是坚硬的岩基，可不进行砌护作业。

2.1.2 控制段

为了均匀泄流，可使得近口水流垂直于控制段建筑物。同时，依据地形条件与泄流需求，如果由必要，还需要进行宽顶堰或是实用断面堰的布设，对于堰宽度，则可以依据允许单宽流量进行选择，通常情况下，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。此外，除了近口段设有引流段之外，对于堰顶宽度，应当确保其不超过3h堰（h堰为堰上水头，单位m）。而为了确保水流的平顺，可采用渐变段进行堰口及其上游引流段的衔接，但需将收缩角控制在12°。

2.1.3 泄流段

对于泄流段平面，通常采用直线布设的方式进行。在设计纵断面时，需要依据工程所处地形、地质等因素，选择缓坡、陡坡或多级跃水等方式。对于陡坡段，应当采用均一比降。同时，因泄水段具有较高的流速，所以应当在岩基上布设泄流段。但如果处于非岩基，对于此段落衬砌厚度，需要按照允许流速与地质条件进行设计，通常情况下，浆砌石为0.5～1.0m，混凝土为0.2～0.5m，钢筋混凝土为0.15～0.3m，对于其坡度，通常需控制在1/2.5范围内。

对于新鲜岩基上的泄水道，可不进行砌护。但如果是松软风化岩石，依旧需要采用0.3～0.5m的浆砌石，或者是0.2m厚的混凝土进行砌护作业，并且还要设置锚固筋。如果需要进行大面积混凝土衬砌作业，应当按照场地地质情况与温度辩护，合理布设伸缩缝与沉陷缝，并在两侧边坡处设置横缝，底部位置设置纵横缝，对于缝隙的间距，需控制在8～12m范围内，此情况下，还需要将排水的反滤敷设在衬砌底部位置。

2.1.4 消能工

在泄水段末端，通常需要布设消能工，对于消能工型式，需要确保其满足地形、地质与水力条件的要求。当采用多级跃水或是溢洪道末端的跃流段时，应当确保其泄流方向与坝脚间的距离超过100～150m。如果要在非岩基上设置消能工，通常采用底流消能的方式进行，并且在末端位置布设消力池。

此外，如果泄流量处于可控范围内，则需要对消力槛形式进行全面的考虑。如果是远驱式水跃，因极容易遭遇冲刷作用，应尽量采用差动式消力槛形式。如果要在岩基上设置消能工，此时若是溢洪道尾端存在较为陡峭的边坎，应当采用挑射消能形式，可不必进行消力池等作业，再加上其工程量较小、造价较低，目前已获得了较为广泛的应用。对于鼻坎形式，应当选用矩形差动式，但对于鼻坎以上陡坡，必须采用矩形断面。

2.2 水利计算

2.2.1 引流段的水力计算

对于引流段的水力计算，可通过自下游控制断面向上游反推求水面曲线的方式实现。此外，对于引流段进口处端计算，必须要先进行水位壅高的计算，之后才可获得泄洪时的正确库水位。

2.2.2 控制段的汇流计算

对于控制段的汇流计算，需要遵循“溢洪道设计规范”要求。此外，对于选用的流量系数，不仅需确保其正确性，还需与选用的堰型一致。

2.2.3 泄流段陡槽水力计算

通常情况下，计算陡槽段水面曲线的方式由多种，例如当陡槽底宽确定时，可采用BⅡ型降水曲线或是采用查尔诺门斯基方法进行计算。此外，对于底宽渐变的陡槽段，此时可采用查氏方法分段，之后就可进行详细的计算。

2.2.4 消能设施的水力计算

对于采取底流式的消能设施水力计算，可采用A·C：巴什基洛娃图表方式进行。由于巴氏对各种消能设备的计算方法与步骤较为明确、详细，可在确保精度的情况下节省大量计算时间。但在进行消能设施尺寸的选用时，应当留置一定的余地。此外，在获得部分具有重要作用的中型水库其水力计算结果时，还需通过模型试验进行验证。而对于挑射消能计算，当前还存在较为成熟的、适用的计算方式。

2.3 结构计算

2.3.1 衬砌抗滑稳定

对于陡坡护砌厚度，需确保其满足滑动安全要求。同时，在完成了伸缩缝与沉陷缝的布设作业之后，坡面砌护相等于大面积薄板，此情况下，对于基础应力、倾复稳定，通常可不进行计算。滑动稳定是其主要控制条件，对于作用在护面上的滑动力，主要包括水流拖泄力、护面凸体阻力等。此外，对于抗滑力，则主要包括砌体自重垂直坡面的分力、水流静压力等，此时需确保其抗滑安全系数不小于1.3～1.5，则表示其处于安全状态。

2.3.2 底板抗浮稳定

对于消力池底板厚度，需确保其满足抗浮稳定要求。同时，因受到底板四周边界的约束影响，通常不存在滑动问题，此时只需要进行抗浮要求的稳定计算即可。对于作用在底板上的上浮力，主要有渗透压力、脉动压力等。而对于抗浮力，则主要涉及底板的浮重与底板上的水重。此外，当其抗浮安全系数不小于1.3～1.5时，表示其为安全的。

2.3.3 消能安全

通常情况下，对于挑流鼻坎的尺寸，需要满足滑动稳定、倾复稳定及基础应力要求。同时，对于作用于鼻坎部位的向下垂直力，主要涉及鼻坎自重、鼻坎上的水重、挑流曲面离心力的垂直分力。而对于向上的垂直力，通常包含脉动力及渗透压力等。对于作用于鼻坎的水平推力，一般有水流的拖泄力。

此外，按照常用力学方法进行鼻坎滑动与倾复稳定的计算时，需确保其抗滑安全系数不小于1.3～1.5，并且还需确保其抗倾安全系数不小于1.5，之后还需计算上述各力的合力，对于其作用点，应保证其处于基础面中三分点之内，对于基础最大与最小应力比值，需超过3～5，从而有效规避不均匀沉陷问题的发生。

3 结语

总而言之，溢洪道设计与布置的合理性，不仅直接影响着水库的安全运行，还紧密联系着整体工程的造价。通常情况下，对于中小型水库溢洪道，大约占据水库枢纽工程造价的25～30%以及劳动力的25%。此外，对于溢洪道设计过程中经常会出现的问题，应当严格把控资料收集、规划布局、水利计算以及结构计算，以确保工程安全经济的可行性。

[1]《溢洪道设计规范》（SL253-2000）.

[2]《溢洪道设计规范》（DL/T5166-2002）.

[3]《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》（GB50199-2013）.

TV651.1

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2016-2-10