浅析中小型水库溢洪道设计_黄仁奎

【设计施工】

浅析中小型水库溢洪道设计

黄仁奎

(新疆伊犁州水利电力勘测设计研究院,新疆伊宁835000)

〔摘　要〕　文章对中小型水库溢洪道设计中有关问题进行了探讨。

〔关键词〕　中小型水库;溢洪道;设计

中图分类号:T V62+1 文章标识码:B 文章编号:1009-0088(2011)02-0027-02

中小型水库溢洪道的设计和布置合理与否,不仅直接影响到水库的安全,而且关系到整个工程造价。土石坝一般中小型溢洪道,约占水库枢纽工程造价的25～30%及劳动力的25%,故溢洪道合理的布局和选型,在水库工程设计中是一个比较重要的环节。

1　溢洪道常见问题

(1)溢洪道是洪水期间保证水库安全的重要措施,中小型水库由于受工程造价的限制,其设计采用的洪水标准往往偏低,选用洪水数据(洪峰、洪量)偏小,因而必然带来溢洪道尺寸偏小,在加上周围岩体风化坍落,往往早成泄流能力不足,因而不能保证安全泄洪。

(2)在布置上,某些工程设计的溢洪道其进出口离坝身太近,将危及坝肩安全,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,因此这二种情况均对大坝的运行安全十分不利。

(3)溢洪道设计的平面弯道半径过大和收缩过剧,对泄流十分不利。特别在溢洪道陡坡段布置有弯道时,由于弯道流态,流势剧烈变化,导致两岸产生了水面差,这时凹岸水面庸高,并在下游衔接的平直段内产生折冲水流,大大影响了泄流能力和消能效果。另外陡坡段和缓流段的过剧收缩,也会发生显著的壅水和流态变化,并对溢洪道衬砌造成冲击,如衬砌过高会增加投资,衬砌过低了又不安全。

(4)溢洪道纵横剖面及平面布置设计不当,比较突出的问题是陡坡设计比降过陡,部分溢洪道布置在非岩性山坡上,其底部未做有效的反滤衬砌,致使渗水后易产生滑坡;结构上也不稳定。在横断面设计中,有些工程对两侧山坡开挖坡度注意不够,有的过陡,加上衬砌厚度偏薄,不能满足抗滑稳定,也易造成坍方和滑坡;平面布置上,存在上下游断面连接不配套,形成“瓶颈”现象,从而影响了泄洪能力;此外溢洪道末端与河道衔接部分注意不够,导致有的末端高出河床很多,有的末端为做砌护处理,常造成严重冲刷,并向上延伸,直至整个建筑物破坏。

(5)现有水力设计方法尚不够完善,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时进口水位的壅高(既水头损失),而实际壅高有时较大,不可忽视。有些设计对溢洪道的消能工的考虑不够充分,或者型式选择不当,导致消力池墙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。另在侧槽式溢洪道设计中,过去大多采用“扎马林法”进行计算,经多年实践及水工模型试验证明,使用该方法计算所确定的水面坡降偏小,导致侧槽深度不够,流量系数减小,使堰局部呈现淹没出流,其实际泄流流量达不到设计要求的泄量,因而对工程是不安全的。

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浅析中小型水库溢洪道设计　黄仁奎

(6)有些工程在结构设计中对泄流的特点和基础特性考虑不周,溢洪道下泄的高速水流具有很强的冲出力,由于急流的掺气和脉动现象十分显著常会产生剧烈的震动;有些溢洪道采用低标号的浆砌石或混凝土砌护,且砌护厚度与边坡砌护高度都不能适应结构稳定要求,因而不能抵御高流速的冲刷;有些非岩基上的溢洪道设计时,底部几乎没有反滤排水设备,极易发生滑塌;有些大面积污工混凝土衬砌由于未设伸缩缝,致使溢洪道衬砌发生一些裂缝,总之,这些都使工程安全受至影响。

2　设计对策

溢洪道设计中掌握的基本资料是否充分与完善,选用的设计标准是否恰当,均直接影响整个工程的安全及经济,现就有关问题谈一些看法。

溢洪道工程的规划布局应尽量利用有利地形地貌,既要经济合理又要保证安全。如大坝附近有天然山坳可以布设溢洪道则最为理想,如主坝口子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,溢洪道通常有4个主要部分组成:引流段(进口段)、控制段(堰流段)、泄流段(陡坡、急流段)及消能工。

(1)引流段(进口段)。为引流平顺其进口形状最好做成喇叭口,为减小损失其长度不宜过长。如因地形所限必须在该段内设置弯道时,则应使弯曲段尽量平缓外,还应使弯道与下游衔接段和出口段尽量远离坝脚,以免冲刷坝脚。引流段截面一般选用梯形或矩形,当流速≤1～2m/s时一般可不砌护,但与坝端邻近和紧接控制建筑物范围内应砌护一段长度,同时,在弯道两侧的凹岸亦应砌护,如为坚硬的岩基则可不考虑。

(2)控制段(堰流段)。为使泄流均匀,可使进口垂直与控制建筑物;根据地形条件和泄流需要必须设置宽顶堰或实用断面堰,堰宽度可按允许单宽流量选定,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除进口段设有引流段外,一般应使堰顶宽度≤3h堰(h为堰上水头,单位m);为使水流平顺,堰口与其上游引流段可采用渐变段连接,其收缩角以12℃左右为宜。如堰体较宽则应在其横向设置温度缝与沉陷缝,其间距可按10～15m设置。

(3)泄流段(陡坡、急流段)。该段平面均采用直线布置,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,故应尽量布置在岩基上,如为非岩基则该段衬砌厚度按允许流速与地质条件选择进行设计,一般浆砌石用0.5～1 m,混凝土0.2～0.5m,钢筋混凝土0.15～0.3m(混凝土与钢筋混凝土基部还应设0.3～0.5m后的浆砌石砌护),其坡度一般≤1/2.5为宜。新鲜岩基上的泄水道,可不砌护;如为松软风化岩石仍需用0.3～0.5 m浆砌石或0.2m厚的混凝土作砌护,并加设锚固钢筋;如需大面积混凝土衬砌则应按地质情况,结合温度变化布置伸缩缝和沉陷缝,两侧边坡可仅设横缝,底部则应设横缝,间距一般为8～12m,同时在衬砌底部需敷设排水反滤料;考虑高速水流掺气的特点,边坡的衬砌高度应有适当超高。

(4)消能工。在泄水段末端设置消能工,其具体选择型式可根据地形、地质和水力条件的要求而定,采用多级跃水或溢洪道末端的跃流段应使其泄流方向远离坝脚≥100～150m,对于非岩基上的一般采用底流消能,并在末端设置消力池。如泄流量不大,亦可考虑消力槛形式;如为远驱式水跃,由于极易造成冲刷,此时可考虑采用差动式消力槛形式;在岩基上,如溢洪道尾端有较陡边砍士时,采用挑射消能较为有利(单需考虑高空扩散气流及下游冲刷对周围影响),由于这种形式可省去消力池、护坦、海漫等工程,由于其工程量小,造价低,因而常被采用。根据工程实践鼻坎形式以矩形差动式最好,单鼻坎以上陡坡最好做成矩形断面,千万不可做成梯形断面以免需用扭坡与鼻坎衔接。

(5)侧槽段(指侧堰深槽式溢洪道)。该段布置应垂直于来水流向,其长度可根据等高线向上游延伸,水流特点是侧向进流,纵向泄流,侧堰与深槽连接渐变过渡段,其收缩角应控制在12℃左右,其长度一般为槽内水深的3～5倍,其主要作用是避免槽内波动和横向旋滚的水流直接进入陡坡段。(编校:常淑英)

收稿日期:2011-01-10

28 内蒙古水利 2011年第2期(总第132期)