中小型水库溢洪道结构的设计探讨

李昌华

摘要：溢洪道是中小型水库的重要组成部分，在水利工程建设和应用过程中起到了非常重要的作用。本文将对中小型水库溢洪道的四个部分，即引流段、控制段以及泄流段和消能段的结构设计问题进行分析，并在此基础上对水力、结构进行计算，以供参考。

关键词：中小型水库；溢洪道；结构设计；研究

在中小型水库溢洪道结构规划设计过程中，应当结合实际条件和水文地质情况，利用有利地形进行布设，既要确保工程项目的科学、合理，又要保证工程结构设计的经济性。比如，水库附近若有天然的山坳，则溢洪道的布设和应用效果就是非常的理想；若主坝口子过于狭窄，则就无法布设正堰，建议考虑侧槽式溢洪道的结构设计方案。中小型水库溢洪道的四个部分，即引流段、控制段以及泄流段和消能段的结构设计方案如下：

1、中小型水库溢洪道主体工程设计

1.1引流段结构设计

引水渠的主要作用在于将水库中存储的水有效地引到控制堰前，设计的主要原则是在合理的开挖方量条件下尽可能低减小水头损失，增加水库溢洪道泄水能力。在此过程中，引水渠的横断面建议选用梯形、矩形，為确保引流的平顺性，进口形状以喇叭口形为宜；为了有效减小水头损失，其长度不能太长。实践中，如果受到地形的限制，必须在这一段设弯道，则需使弯曲段尽可能的平缓，而且弯道、下游之间的衔接段，与出口段应当远离坝脚位置，以免被水冲刷。为了有效防范泄洪过程中引水渠两侧位置出现不对称性回流，或者因旋涡转向惯性力而导致堰前横向坡降等。

引流段的水渠中，水流流速是设计的重点，而且对水头损失、工程量等，产生的影响比较大。实践中，通过对30多个水库工程建设资料对比分析得知，溢洪道引流段的水流速度小于3m/s的共6个；水流速度在3至5m/s的有17个；流速超过5m/s的有7个。上述水库工程之间相差较大，比如某水库流速只有仅0.8/s，而另一个水库的水流速度超过了6.5m/s。根据水库设计要求，进水渠水流速度不能超过4m/s，一般以1至2m/s为宜。如果水库所处位置地势比较高，而且山坡也比较陡，则溢洪道进水渠设计过程中，水流速度可适当加大一些，但应当尽可能低缩短进水渠长度，以此来有效减少水头损失。在进水渠进口位置，水流的速度应当小于渠中的水流速度，以2.5m/s为宜。当水流速度在1至2m/s范围以内时，可不必对其进行砌护。

1.2控制段结构设计

中小型水库溢洪道的控制段又称为堰流段，为确保泄流的均匀性，可使进口

与建筑物相互垂直。同时，根据地形环境条件、泄流实际需求，设计宽顶堰，堰宽可根据允许的单宽流量确定，岩基上的单宽流量一般在每秒40至70立方米，非岩基上的流量以每秒20至40立方米为宜，土基上的流量每秒20立方米。如果堰体相对较宽，则应当在横向上设温度缝以及沉陷缝，保持间距10至15米。

1.3泄流段结构设计

泄流段又称为是陡坡段或者急流段，其平面以直线型布设为主，应当尽可能地避免出现弯道或者扭坡顺引流态急骤变化，更不能产生负压。纵断面设计过程中，应当坚持因地制宜的原则，结合地形、水文和地质条件，以缓坡、多级跃水形式为宜。在陡坡段，建议采用均一比降，因泄水段水流速度比较快，所以应当尽量可能的将其设在岩基之上。若为非岩基浆砌石用0.5至1米、混凝土用0.2至0.5米的材料对其进行砌护；对于新鲜岩基泄水道而言，可不对进行砌护。实际设计过程中，如果需要进行大面积的混凝土衬砌，则应当严格按照地质条件，结合拟建地点的温度变化，对伸缩缝、沉陷缝进行设备，并确保两侧边坡位置能够设横缝即可；底部位置应当布设横缝，而且其间距以8至12米为宜。同时，在衬砌底部位置，应当敷设适量的排水反滤料；考虑到水流速度太大，会产生掺气现象，因此边坡衬砌高度应当适当地高一些。

1.4消能段结构设计

在泄槽段末端位置，需设计消能结构，即根据地形条件、水力情况确定采用何种的消能结构。可选的方式主要有多级跃水、溢洪道末端跃流段等，这样可以使泄流方向远离坝脚。对于非岩基上而言，通常采用底流消能方式，在末端位置布设消力池等。如果泄流量较小，则建议采用消力槛形式；如果为远驱式水跃方式，则因其容易被冲刷而建议采用差动式消力槛模式。岩基上若溢洪道尾端位置边坎较陡，则建议采用挑射消能。在此过程中，需要充分考虑高空扩散气流、下游冲刷等，可能对周围环境产生的影响；因该种形式可以有效省去消力池、以及海漫和护坦等工程建设，所以既可以减小工程量，又可以降低造价，既经济又实用。在消能结构设计过程中，根据工程建设实践，采用的鼻坎形式建议以矩形差动式，同时鼻坎以上陡坡做成矩形断面形式最好，坚决避免做成梯形断面形式，以免用扭坡和鼻坎进行衔接，这样就会增大工程量，而且也不经济合理。

2、中小型水库溢洪道结构设计过程中的水力、结构计算

2.水力计算

第一，引流段计算。在此过程中，建议采取自下而上的反推方法，求出水面曲线，然后引流段进口位置须先对水位壅高情况进行计算，这样才能指导泄洪过程中的正常库水位。

第二，控制段计算。根据溢流堰水力计算设计规范和要求，对控制段的汇流进行计算，正确选用合适的流量系数，使其与选用堰型保持一致。

第三，泄槽段陡槽计算。在此过程中，若陡槽底部位置的宽度保持不变，则建议采用BⅡ型降水曲线法对其进行计算；陡槽段底宽渐变时，则建议采用查氏法进行分段计算。

第四，消能段计算。消能段水力计算过程中，可采用巴氏法进行计算，对消能设备计算较为明确而且详细具体。然而，在消能设备尺寸选定过程中，应当留有一定的余地。比如，对于重要的水库，其水力计算成果应通过模型试验进行验证。

2.2结构计算

中小型水库溢洪道结构设计过程中，为确保建筑物的自身安全稳定性，对溢洪道结构进行计算是非常有必要的。实践中，除了护坡、挡土墙的稳定性可利用普通的方法进行计算外，还要对陡坡面砌护厚度、消力池底板稳定性进行对比分析，挑射消能则需计算鼻坎的稳定、基础应力。

第一，陡坡护砌厚度。伸缩缝沉陷缝设计完成后，坡面砌护就像是大面积薄板，因此可不计算基础应力、倾复稳定性，主要控制条件为滑动稳定。作用于护面之上的相应滑动力包括水流排泄力、伸缩缝以及砌体自重顺坡分力等，抗滑力则主要是指砌体自重垂直坡面产生的分力、以及水流静压力等，通常情况下抗滑安全系数在1.3至1.5以上。

第二，消力池底板厚度。在底板周边约束力的影响下，通常不存在滑动问题，所以只需对抗浮稳定进行计算即可。作用于底板之上的上浮力，主要是指渗透压力、底板上凸力以及脉动压力和下游的消力池水深、水跃段之间的压力差。对于抗浮力而言，其主要是指底板浮重、板上水重，抗浮安全系数不能小于1.3。

第三，挑流鼻坎尺寸。作用在鼻坎上的垂直力，主要是指鼻坎自重、水重以及挑流曲面离心力产生的垂直分力等。其中，向上垂直力主要是指脉动力、鼻坎下游尾部上浮力、渗透力和鼻坎上凸举力等。鼻坎滑动、倾复稳定计算过程中，抗滑安全系数应当在1.3以上，抗倾安全系数应当在1.5以上，并且计算合力，作用点处于基础面三分点之内，以免出现不均匀沉陷现象。

结语：总而言之，中小型水库溢洪道结构设计过程中，应当把握好正文中所述的四个主要部分，从水力、结构计算的合理性、经济性方面进行全面考虑，只有这样才能确保设计质量，才能确保水库的应用安全可靠性。

参考文献：

[1]杨玉海，李嫣.浅议正槽溢洪道泄槽设计[J].中国水运（下半月刊），2011，31（03）：354-361.

[2]陈晓明.中小型水库溢洪道设计常见问题及对策[J].水利天地，2011，43（05）：187-196.