小水库加固设计中溢洪道优化设计探讨

郑济恩

（屏南县水利局，福建 屏南 352300）

屏南属山区农业县，小型水库数量较多，分布区域广，主要是为农业生产提供灌溉水源，也为人民生活用水和工业用水提供水源，同时在防御洪水灾害中也发挥了重要作用。然而，由于建设年代早，限于当时的施工条件等种种原因，当前许多水库都不同程度存在一些病险问题，除险加固工作势在必行。而溢洪道是水库枢纽三大建筑物之一，是汛期泄洪和保证水库安全的重要设施，因此，除险加固工程中必须重视溢洪道的优化设计问题。

1 小型水库溢洪道设计存在的普遍问题

1.1 溢洪道泄流量设计的计算有问题

在计算溢洪道泄流量时，往往选用宽顶堰、实用堰、明渠等不同的进口型式，因为所用的流量系数不同，泄流量亦不同，有的甚至相差甚大。小型水库的溢洪道，除有闸门控制的实用堰外，绝大部分按宽顶堰计算，但实际上有些堰没有按宽顶堰去做，导致计算出来的泄洪能力与实际情况不相符合。

1.2 布置不合理

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，如果未对进口段进行有效的护砌，泄洪时一旦发生冲蚀现象，将直接对坝肩的安全构成威胁；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，这两种情况均对大坝的运行安全十分不利。

1.3 洪水设计标准偏低

由于历史问题，一些小水库是在对水库集雨面积、来水量、库容和地质条件均不清的情况下建设的，设计时没有土地测量，仅仅在大比例地形图上量算集雨面积和库容，其设计采用的洪水标准往往偏低，选用洪水数据偏小，从而影响水库的安全。同时，许多小型水库工程由于造价有限，设计人员采用的洪水标准往往偏低，选用洪水数据（洪峰、洪量）偏小，从而造成溢洪道设计尺寸偏小，不能保证安全泄洪。

1.4 水力设计方法不合理

设计人员在溢洪道的设计过程中没有从专业的角度出发，没有采用科学的设计方案，这就让设计结果与方案难以达到实际工程的需要，给工程项目造成很大的阻碍。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进口水位的壅高（即水头损失），导致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，导致消力池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。

1.5 泄槽（陡坡）段存在问题

一是坡度问题。陡坡不陡，坡降太小；二是弯道问题。由于泄洪时会在陡坡段的弯道处产生水面横比降，同时由于边界的变化会产生冲击波，使横断面上的水深局部急剧加大，使下游几处水流部分集中，给消能增加困难，有可能使消能设施遭到破坏。

1.6 消力池问题

由于历史原因，受资金和技术条件限制，相当数量的小型水库基都没有消能防冲设施。几乎每年汛期都会有溢洪道水毁事故发生。有溢洪道消力池的水库主要存在以下问题：①消力池出口水流受阻或陡坡段有弯道影响。水流条件恶化，导致消力池破坏，有的消力池太短、太浅，水流在池内消能不充分，淘刷底板，致使消力池破坏。有的消力墩设置不当，水流紊乱，流速大时，在消力墩上会产生气蚀；②消力池下游尾水位过低，泄洪时可能形成远驱水跃，严重冲刷下游海漫；③消能不充分，下游遭受冲刷，严重时会发展成冲刷坑，影响溢洪道安全，当出口离坝脚太近时，水流冲刷坝脚，危及大坝安全。

2 溢洪道优化设计策略

（1）在泄流量设计计算中，要正确分清宽顶堰、实用堰、明渠等三种水流形态和工作条件，这样才能落实溢洪道的实际过水能力，以避免造成与设计条件不相符的情况。

（2）溢洪道的布置应根据地形、地质、工程特点、枢纽布置、施工及运用条件等综合因素进行全面考虑。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。

（3）针对众多小型水库现状，对不满足防洪要求的水库可进行溢洪道拓宽、拓深；对溢洪道拓宽、拓深均有困难的水库，也可考虑加高大坝与拓宽溢洪道相结合等方案的比较，选取最优方案。工程规模可通过调洪演算确定。此外，在洪水复核中，若为满足防洪要求的泄洪流量与现行泄洪流量相差不大时，也可改变溢洪道形式。

（4）为了使水力计算与工程特性相一致，选择正确的计算公式十分重要。具体如下：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，引流段进口处端须先计算水位雍高，才能求得泄洪时的正确库水位；控制段的汇流计算可根据“溢流堰水力计算设计规范”建议的方法计算，同时正确选用流量系数时并使其与选用的堰型相一致；泄流段陡槽水力计算方法较多，如对底宽渐变的陡槽段可用查氏方法分段详算，陡槽底宽固定不变时，可采用 BⅡ型降水曲线方法计算；消能设施的水力计算采取底流式消能，可以采用巴什基洛娃图表计算。在选定消能设施的尺寸时应该留有余地。对于一些重要的中型水库，其水力计算成果还应通过模型试验加以验证；侧槽段的水力计算过去常采用“扎马林法”，但由于该法计算时采用了均匀流假定，而实际水流状态是沿程变量流，故不符合适用于均匀流的泄流公式，因而与实际泄流情况有较大出入。根据水流动量或能量关系而采用的水面曲线推算的公式比较符合实际泄流情况。由于侧槽内实际的流态十分复杂，故在堰顶对面的岸坡水面要比平均水位抬高5%～20%，因此其设计的衬砌的高度、厚度要考虑上述影响。

（5）溢洪道末端的消能设施主要有底流消能、面流消能和挑流消能。对消能存在的问题，土石坝大部分采用修建消力池淌能的方式处理。消力池底板厚度应满足抗浮稳定要求，由于底板四周边界的约束作用，一般没有滑动问题，因此仅需对其抗浮要求进行稳定计算。作用在底板上的上浮力包括渗透压力、脉动压力、底板上凸出体产生的上举力以及下游消力池水深与水跃段内压力差。抗浮力包括底板的浮重和底板上的水重，其抗浮安全系数≥1.3～1.5即为安全。

（6）在设计陡坡时，该段平面应采用直线布置，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，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0.50～1 m，砼0.20～0.50 m，钢筋砼0.15～0.30 m（砼与钢筋砼基部还应设0.304LSOm厚的浆砌石底砌护），其坡度一般以≤1/2.50为宜。

小型水库溢洪道的作用不容忽视。在除险加固工程中，应因地制宜，采用科学的方法对溢洪道进行合理设计，保证溢洪道本身及水库工程安全经济可行。