环形溢洪道的设计与试验研究

杨宇

摘 要：在水利工程建設过程中，溢洪道的设计和建设是必不可少的施工步骤。一般溢洪道的设计形状可以根据地势状况和工程需要而定，但根据以往的设计施工经验来看，环形溢洪道的设计和应用是较为广泛而且实用的。环形溢洪道具有施工成本低，防洪效果好的优势，应予以大力推广和使用。文章将以一项具体工程作为例，对环形溢洪道工程设计和施工的各项参数加以系统分析和研究，以更好的发挥环形溢洪道的防灾功效。

关键词：设计方案；消力井设计；防涡施工

1 工程概况

河流是一条由北向南纵贯贵阳市城区的河流，流域面积为21km2，为山区雨源型小河流，洪水由暴雨形成；洪水具有峰量集中，涨峰历时短的特点。城市的发展导致地面硬化，水流下渗量减少，加大了短时地表径流。由于历史的原因，贯城河河道过水断面减小，阻水建筑物多，河道行洪能力差，加上局部河段地势低洼，致使上游地区及市区暴雨强度较大时，极易形成内涝，尤以喷水池附近地区最为严重，给人民生命财产带来巨大的损失。1998年贵阳市政府为解决贯城河的水环境问题，拟在化龙桥附近修建一条排污分洪隧洞。工程的主要任务是分泄化龙桥以上河道汛期大部分洪水，提高喷水池附近繁华商业区的防洪能力。枢纽工程由环形溢洪道、隧洞等两大部分组成，其最大排洪量为100m3/s。该工程于2000年建成。

2 进口方案比较

该工程进口位置只能选择在人口较密、商业较繁华的化龙桥至沙河桥一带。这一带受地形及规划用地的限制，加之泄洪流量较大，这给进口的设计带来了一定的难度。在布置设计时研究过竖井式溢洪道、环形溢洪道、龙抬头式溢洪道加消力池消能三种可能的布置形式。竖井式溢洪道与环形溢洪道相比虽然工程投资相当，但其水垫较浅，消能效果没有环形溢洪道好；再加上渐变段、竖井，尤其弯管的曲率半径不能满足2～5倍控制段直径要求，使得输水隧洞内会出现不稳定的流态，甚至在弯管部位会出现很大的负压。而环形溢洪道正好克服了这些缺点被确定为实施方案。环形溢洪道与龙抬头式溢洪道加消力池消能相比减少占地约40%。

3 环形溢洪道的设计

3.1 环形堰设计

环形堰的设计施工要根据不同的泄洪要求采取相应的施工标准和施工方法。我国根据不同的防洪标准制定了不同级别的安全等级系数，此案例中应该以二级作为建筑设计标准。要想保证泄洪效果，环形堰的堰体设计十分重要，堰体设计要考虑到多方面影响因素，如泄流的均匀程度，堰体的高度宽度以及倾斜的坡度，一般情况下，要采用缓坡的设计方式，避免水流变化过于迅速，根据特殊地质情况也可以适当采用陡坡设计以及连续坡体设计，以降低水压差。本案中对地区水流速度测定为四米每秒，水流有高差并有一定倾斜角度，对于其水利工程的设计不能严格按照以往的经验，要在实际区域进行水力的测量和调研，以最大程度的设计出符合泄洪标准的环形堰。

3.1.1 定型水头的确定

现行《溢洪道设计规范》SL253-2000明确规定：当采用低堰时其定型水头取Hd=0.65～0.85Hmax，结合本工程大多数情况是在低水头运行和洪水有陡涨陡落的特点，同时考虑到引渠内有4m/s左右的初始流速，为增加泄流量，确定采用定型水头Hd=0.808Hmax的定型水头。

3.1.2 堰面曲线的设计

根据进口处的实际地形条件，环形溢流堰布设为低堰，堰高Hp=0.5m。堰面曲线的设计像一般实用堰和竖井式溢洪道一样，环形堰的形状（漏斗段）是根据锐缘薄壁环堰的水舌下缘剖面绘制。R堰顶半径为3.3m及Hp=0.5m。

3.2 消力井的初步设计

消力井施工是指在水流流经途径中进行井体的设计和挖掘作业，以降低水流由上游流下时的冲击力，减缓水流的速度，在消力井的设计过程中，要进行精确的角度值和深度值计算，在此过程中，要充分将当地水流情况考虑在内，包括水流速度，方向，径流值等等，以便科学的进行消力设计，确定井深和宽度。

4 试验研究

试验主要研究泄洪隧洞单独泄洪和泄洪隧洞与下游河道联合泄洪两种方式。上游河道控制最高水位1067m时，泄洪隧洞单独泄洪最大泄流量100m3/s，泄洪隧洞与下游河道联合泄洪时，最大泄流量140m3/s，下游河道控制流量40m3/s，泄洪隧洞泄洪流量100m3/s。水工模型按重力相似准则设计为正态模型，几何比尺采用1：20，满足糙率相似。经过对五种方案的试验研究，实测了模型中的各种水力参数、流态和消能特性，并为工程设计推荐了一个比较合理的方案。

4.1 进流水力特性

本工程引渠方向与河道呈83度的交角，使得行近水流具有较大的初始环量，造成进流流速分布极不均匀，引渠左右流速差达4.00m/s。且存在较大横向水面差，横向水面差值为0.5～0.8m，并且在进口上游无任何调节及稳流设施，水流从河道经宽顶堰直接进入环形溢洪道，致使水流流速较大，高达8m/s，极大影响了进流流态，因此，需要在施工中加入防涡设计和施工。

4.2 如何科学确定防涡墩和防涡墙的位置和数量

水流中强烈的漩涡会对渠道的设计和施工产生较大的影响，漩涡不仅会影响改地段的水流稳定性，导致水流方向发射不规则变化，而且还有可能带来更多的杂物堵塞排洪泄洪通道，造成对工程的破坏。因此，为了降低水流漩涡的不良影响，要在此施工设计时加入防涡墩和防涡墙的设计考虑。

4.2.1 不加设防涡设计可能引发的后果

在进水口加设防涡设计是十分必要的。进水口处出现漩涡可以突然使进水水流速度增大，对泄洪道带来严重的冲击，而且还会导致溢洪道不能够适应水流的突然变化，影响其防洪排洪效果。在上述案例中，水流速度明显超出了泄洪道的水流承受范围，如果不加设防涡设计和施工将直接导致泄洪道的效能降低，无法起到防洪泄洪的作用。

4.2.2 不同的防涡设计和施工方案

在防涡设计和施工的过程中，可以根据情况不同选择不同的设计和施工方案，以达到防涡的目的。通常情况下，防涡的施工手段可以分为防涡墩和防涡墙施工两大类，二者的主要区别是防涡效果不同，防涡墩适用于局部水流的变化和漩涡点的改善，而防涡墙主要是针对漩涡影响面积较为广泛的整个区域，因此，要在实际操作中灵活选择防涡施工设计方案。首先，本案中可以采用加设3个防涡墩和1个外防涡墙来实现基本防涡需要，防涡位置的布置要事先进行科学的测量和定位，对水流速度变化较为突然和激烈的位置要加设防涡墩，为了拦截水流湍急的整片区域，可以建构防涡墙，防涡墙的设计高度和宽度要能够符合防涡需要，以实现最好的防涡效果。为了达到更为理想的防涡效果，还可以加设一个防涡墙，使之与防涡墩联合作业，有效拦截水流，改变水流的方向，并减缓水流的速度，保证溢洪道的排洪效果。

5 结束语

水利工程中溢洪道的作用十分重要，溢洪道是保证水利工程发挥排洪泄洪功效的有力保障，对水利工程主体结构的安全具有强大的防护作用。溢洪道在设计建筑过程中，要注重其自身位置设计的科学性，同时还要注意其施工质量一定要符合洪水冲击的需要，以保证其泄洪能力的正常发挥。在溢洪道的设计施工中，经常会面临不良条件的制约，例如地势的特点和施工当地水流结构的复杂性，因此，要因地制宜，在水流形势较为复杂的区域适当加设防涡设计，以最大限度的降低水流的速度和冲击力，改变水流的方向，保证泄洪道的泄洪功能。除此之外，溢洪道的主体设计施工要进行科学的布局与规划，并进行各项设计参数的设计和计算，将溢洪道分为不同阶段进行施工，提高整体工程质量，总体溢洪道的设计要符合经济性和安全性原则，另外还可以依据当地地势情况进行特殊施工设计。

参考文献

[1]水工设计手册（第六卷）.泄水与过坝建筑物[M].北京：水利电力出版社.

[2]水流旋流器流场理论[M].北京：科学出版社.