小型水库溢洪道工程设计研究

李勇娟，陈 军

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳550002)

1 小型水库常出现的问题

小型水库常出现的问题主要有以下3类:洪水期间常出现的问题、在水库溢洪道的布置和设计上常出现的问题和水库溢洪道工程设计方法不完善。

1.1 洪水期间常出现的问题

溢洪道是保证水库安全的重要设施，尤其是在洪水期间，它的作用是非常明显的。

小型水库由于工程设施的不完善，造价方面受限制，在设计洪水的标准上一般偏低，选用洪水的数据也偏小，因此在工程设计溢洪道的尺寸上也就略小［1］。

由于常年的受风体和水体的浸泡，周围的岩石也风化严重，导致泄洪能力不足，造成在洪水期间的不安全隐患。

1.2 在水库溢洪道的布置和设计上常出现的问题

在小型水库的工程位置布置上，溢洪道的设计往往离坝身的进出口太近，坝肩与溢洪道之间的距离也比较单薄。

进口处也没有护砌，所以一旦发生冲蚀的泄洪现象，坝肩则是不太安全的。

另外，在小型水库的溢洪道设计上，平面的弯道过大，并且收缩性太猛，在洪水期间对泄洪的现象非常不利，而且一般的小型水库溢洪道布置的弯道一般在比较陡的下坡处［2］。

由于不断变化的水流流式和流态，造成两岸的水面差距很大，这时在水库凹岸上的水面就会增高，并且直直地向下流冲去。导致延平直段内常出现水流的拆冲现象，大大的影响了泄洪的能力和效果。

并且由于水库的缓流处和陡坡处的收缩过于剧烈，也会出现比较强烈的流态变化，对溢洪道的周围砌面造成巨大的冲击，这就使得建设师们有些为难，因为小型水库的资金投入是比较受限制的，如果砌护砌的较高，资金投入就比较大，反之就会影响水库泄洪的安全。

1.3 水库溢洪道工程设计方法不完善

由于小型水库的溢洪道平面或剖面设计不当，就会使溢洪道的陡坡设计问题突出。

因为，有一些溢洪道的布置是非山坡性的，在偏颇的底部也没有做反滤的砌护，所以就会出现严重的渗水现象，造成滑坡，直接影响水库溢洪道的稳定性［3］。

还有些是因为在设计时不够注意，坡的薄后不均，使得稳定性不能被满足，造成塌方和滑坡现象。从而是泄洪的能力下降，造成冲刷力量过大。

现如今，我国小型水库在水利设计方面还不够完善，在工程的设计中常常忽略平流段的进口水位损失。

还有一些由于观察的不够准确或者选择的模式不对，也使得工程效果不理想。

另外，有些工程在泄洪的特点、结构基础上考虑的不周全，常出现水流流量冲击过大，排水反滤设备发生滑塌，使得水库的砌护出现裂缝，影响工程安全性［4］。

2 小型水库溢洪道的设计规划

在小型水库的设建设过程中，溢洪道设计所需资料的完善程度和选用设计的标准是否合理，是影响工程安全和资金投入的直接因素。

2.1 水库溢洪道的设计布局

在建设水库的溢洪道时，一定要利用规划地区的地形和地貌，要保证经济投入的合理性和质量建设的安全性［5］。

如果一个水库的附近有山，那么在这里建设溢洪道就是最为理想的。如果是在狭窄的无法进行开凿的地方进行施工，那么水库的溢洪道就要建设为侧槽式的，方便泄洪。

而对于水库设计布置的原则，一般是要在坚硬均匀的平面上，线路比较短，没有弯道最佳。并且，它的出口远离坝体，因为这样可以防止滑坡、崩塌对溢洪道的损坏。

还包括进口段、控制段、陡坡急流段和消能池是溢洪道的主要组成部分。

2.1.1 进口段

进口段的进口形状一般都做成喇叭口，这样可以减小损失，所以不易做的过长，如果在建设溢洪道时要受地形因素的限制，必须在段内设置弯道［6-7］。

那么这条弯道一定要尽量平缓，并且在上下游衔接处与出口处远离坝尾，以免冲刷。

溢洪道的坝面一般都成四边形和梯形，当水流速度＜1～2 s/h，砌护墙是可以不用的。

但如果她与附近的建筑物在一定范围上是连接的话，就要相应的切户一定的长度，如果有弯道则要加强两旁的切和厚度。

2.1.2 控制段

要使得洪水期间泄流段的水流速度均匀，就要使进口的水流与建筑物呈垂直状态，也可根据地形条件和洪水泄流的需要设置相应的控制断面，并要按照断面的宽度选定洪流值，一般的岩基单宽流量都在50～0 m3/s，工基为30 m3/s。除了在小型水库的进水口处设置水流的引流外，一般的水库溢洪道的宽度也≤3 h。

因为堰口与上、下游的引流处采用的是变化链接，所以为了使水流平稳≤的收缩角最好是≤12度为最佳。

如果，它的断面比较宽，那么它的布设间距在10～15 m为宜。

2.1.3 陡坡、急流段

在陡坡、急流段这两部分采用的布设方式为直线法，并且要尽量避免坡体或弯道所产生的流态负压现象。

所以，在溢洪道设计的时候要因地而异，根据所选地势的地形、地质决定建设的引流形式，坡体也可采用均一比降的方式。

由于洪流的速度非常的快，所以在设置岩基上要加厚砌护的宽度，一般砌石的浆液在0.5～1.0 m，混凝土0.2～0.6 m，坡度在1/3 m厚最好。

2.1.4 消能段

在急流段的尾端要设置一个消能的工具，而其选择型号就要根据溢洪道选择的地形、地质和水利条件而定。

并且，在溢流道的末端多采用多级跃流形式，使水库的泄流方向离坝角100～150 m不等。

然而，对于非岩基上的消能工具，一般采用的是底流消能，并且还要在最尾端处放置一个消能池。如果在水库的洪流期间，池流量不大，那么可以考虑使用消能槛的形式。如果水库的洪流是远驱式的就特别容易造成对砌护的冲刷。

在这样的情况下，就要采用差动式的消能槛模式了。如果水库的溢流道尾端有陡坡时，挑射效能的模式就比较有利了。还可以省去对消能池的使用，并且这种方式会减少工程的工作量和投资资金。

2.2 水库溢洪道水力计算

为了使工程特征与水利计算相一致，所以在工程建设过程中的计算公式运算是非常重要的。

2.2.1 进口段的水力计算模式

这个部分可以采用查尔诺门斯基方法，就是从下游得控制面向上游的控制断面反推求水面曲线的方法。

并且，在进口段处要先计算水位的高度，这样才能正确的计算泄洪时水库的水位。

2.2.2 控制断汇流量统计模式

根据益洪道进口段的水力计算的计算方法，选用正确的流量系数使其选用的控制段坡形一致。

2.2.3 陡坡、急流段的水力计算模式

其实推算急流段水面的曲线方法非常的多，例如:在溢洪道的陡槽底处，如果底宽是随时变换的，那么就可以采用b2型的降水曲线模式或运用进口水段的查尔诺门斯基方法。如果它的底宽是运用查尔诺门斯基方法算的，就要对各个段落进行详细的分解。

b2型降水曲线见图1。

图1 b2型降水曲线

2.2.4 消能工具的水力计算模式

在计算溢洪道的底流式的消能设备时，可以采用巴什基洛娃图表计算。由于这种消能的计算方法非常的明显，步骤与计算的目标也非常的明确、详细，所以它又能在精度被保证的情况下，节省计算的时间，一举两得。

但是，在建设溢洪道时，往往选定消费设备都是尺寸稍微大一些的，所以想要得到准确的小型水库的水利消能结果，就要通过模型的方式加以试验，从而得到验证后的结果。

2.2.5 侧槽段的水力计算模式

扎马林法是计算陡坡溢洪道的侧槽段的水力模式，由于在这个计算的模式里，流假定值被认为是均匀的，而实际上则是变化的，所以在计算时只能得出大概的结果，与真实的数值仍有很大的出入。

近些年，水利工程的研究人员都将计算水库水流量和能量关系的计算方式，采用符合实际的水面曲线推算模式。

了解真实的池流情况，另外侧槽式的溢洪道水流在向内进时冲击力度很大，波动性强，水流的流态也十分的复杂。

所以，计算起来也特别的困难，因此小型的水库在计算时一般以模型的方式计算。

2.3 小型水库的结构计算

为了使水库建筑物的结构安全稳定，结构计算是不可或缺的，除了一些坡面的挡土墙外，其他地方都要进行了详细的分析和计算。

小型水库的结构计算模式有2种:陡坡砌护厚度的计算模式和消力设备的抗浮稳定计算。

2.3.1 陡坡砌护厚度的计算模式

它的砌护厚度一般应满足滑动的安全，并要设置一个可伸缩的沉陷缝，作用在护面上，主要是阻止洪水期水流拖池力使砌护体的坡向产生变化，并且阻力加大。然后，是溢洪道的抗滑力。它是砌护的垂直坡面和水流产生的静压力，其抗滑的系数为1.3～1.5。

2.3.2 消力设备的抗浮稳定计算

溢洪道尾端的消力设备应满足抗浮度的稳定要求，并且底板的四周与边界之间也有一定的约束限制。

它的浮力包括了:渗透水的压力、脉动的压力、体系突出体所产生的上举力和下游深水池中的内段压力，其在1.3～1.5为抗浮的安全系数。

3 结语

水库的溢洪道布置与设计的合理性将直接影响水库的安全性，所以它的布置和选型都非常重要，也是水库工程设计的一个重要环节。

在设计工作开始前就要收集完备可靠的资料，合理规划整体布局，并进行严谨的水力计算和结构计算，从而保证它的可行性和安全性。

［1］张志红，王国安，李荣容.水库工程设计洪水标准指标体系构建初探［J］. 人民黄河，2011，33(07):14-16.

［2］游建勇.东张水库工程安全管理工作机制建设的实践经验浅谈［J］.经营管理者，2011(15):373-374.

［3］王涛.水库建筑物施工应注意的问题［J］.现代物业:上旬刊，2011(06):38-39.

［4］陈来发，高大水，左宏声.卢村水库除险加固设计［J］.人民长江，2011，42(12):97-100.

［5］王秘学，叶俊荣.陆水水库除险加固设计［J］.中国水利，2008(20):73-76.

［6］曾祖飞.水库除险加固设计中遇到的问题分析与思考［J］. 科技风，2013(22):124.

［7］何伟俊.小型水库除险加固设计中需注意的主要问题探讨［J］.广东水利水电，2006(03):57-58.