坝顶溢流式溢洪道的优势再探

[] G.W.

1 美国佐治亚州溢洪道建设历史

位于美国东南部的佐治亚州一直利用坝顶溢洪道来降低大坝危险，这种做法符合该州关于控制大坝风险渐增的规定。当一座现有的低风险坝的下游溃坝淹没区中的经济社会发展使得该坝成为高风险坝时其风险渐增，因为现在的情况下，大坝失事的生命损失概率高。在佐治亚州，对低风险大坝不加监管，也不需要按照特别的设计暴雨来校核，而高风险大坝不仅被重点监管，而且大坝安全规章还要求以可能最大降雨量(PMP)的一个规定的分数值作为其设计暴雨。其中，要求的可能最大降雨量的规定分数值与水库规模有关，较小水库为PMP的1/4，而很大的水库则采用全部PMP。

在城市环境中的大坝，由于上文所提到的“风险渐增”情形，坝顶式溢洪道可能是弥补大坝泄洪能力不足的唯一可行办法。以亚特兰大市为例，该市人口规模约540万，在全美排在第9位，而在1960年该市人口在全美甚至连前20位都排不到，在过去50 a中，该市人口增加了约2.5倍。过去曾经是农业生产区的农村地区，现在到处都是房屋、公路、学校、商店、公园以及其他密集利用的发达区，而以前为农业灌溉或防洪而修建的一些水坝现在则成为城中各社区的整体重点，提供休闲娱乐、防洪和城镇供水、改善水环境、提供水生生物的栖息地。目前在亚特兰大城区范围，像这样的大小水库、池塘多达数千座，它们正面临“风险渐增”的威胁，并且由于其溢洪道的泄洪能力不足，必须对其进行升级改造以符合佐治亚州的相关安全规定。

在佐治亚州，主管溢洪道设计的工程师及大坝业主普遍遵从以下一些原则：①维护沿岸水权；②洪泛区法规禁止在100 a一遇洪水期间增加下泄流量；③以法院判例为根据的法律要求，大坝业主应保持现有的水库水位；④因影响水库周边地区发展而限制大坝加高。此时，坝顶式溢洪道成为理想选择，因其很容易根据现有坝的实际结构改建而成，以解决下泄流量问题。

坝顶式溢洪道的建筑材料通常是抗冲刷的，主要是钢筋混凝土、碾压混凝土或预制混凝砌块，只有少数情况采用非混凝土材料，如毛石、石笼、植被渠道等。与岸边式溢洪道相比，位于大坝坝顶上的溢洪道的建设费用更省，这是因为从坝顶向下游泄水更直接，且使用的建筑材料也更少。可以这样说，只要设计合理，利益相关者所关心的问题，如建筑物安全和美观等问题都可得到解决。对于绝大多数坝型而言，在已完成大部分固结沉降的土石坝坝址处只建议修建坝顶式溢洪道。并且，如果这种坝顶式溢洪道不是工作溢洪道，而仅作为非常规溢洪道，即只在发生概率很低的大暴雨洪水期间才使用的话，那么采用坝顶式溢洪道的风险就降低到最小，因为这样可以针对大坝安全问题的一些直观指标对溢洪道和大坝进行定期检查。

佐治亚州境内的大多数坝顶式溢洪道工程都是过去10 a中作为“美国农业部自然资源保育署”(NRCS)的流域建筑物建成的，这些大坝都是防洪坝，多数是在20世纪50年代到90年代在佐治亚州北部修建的，包括建在亚特兰大市区内和市区周围的坝。这些NRCS大坝(有357座)原来是不受佐治亚州大坝安全条例限制的，但是在2000年豁免权期满。在1999年随着该豁免权接近到期，佐治亚州的NRCS以及州水土保持委员会率先为2座坝启动了升级改造工程，这2座坝是土豆溪6号坝和松木头支流86号坝。

为了提供下泄全部可能最大洪水(PMF)所需要的溢洪道能力，并且仍然保持大坝的防洪效益，最终为上面两个工程选用碾压混凝土直槽式坝顶溢洪道作为最合算的解决方案。RCC溢洪道的设计方为Golder联合公司。土豆溪6号坝采用了阶梯形RCC直槽式溢洪道，总宽100 m，具有一钢筋混凝土的渥奇堰控制剖面；松木头支流86号坝同样采用了阶梯形RCC直槽式溢洪道，总宽152 m，坝顶为一宽顶堰；土豆溪6号坝由DPS工程公司于2003年建造，建造费用约1 100万美元；松木头支流86号坝由于缺乏资金，一直未开工。

佐治亚州的格威纳特县于2000年开始，为一项基本建设改进工程提供资金，以便将14座NRCS流域坝进行升级改造，使这些大坝符合佐治亚州的大坝安全规定。在项目执行中，同上面2个工程一样，对该县的大坝建筑物都进行了透彻的研究，以便确定能安全下泄由要求的设计暴雨产生的径流的经济性最好的升级改造设计方案，其中有6座大坝为了提供所需要的附加的泄洪能力，经批准采用了坝顶式溢洪道的升级改造方案。

黄水河14号坝(Y-14)，由Golder联合公司为该坝设计的溢洪道为RCC阶梯式，坝顶堰为渥奇剖面，宽68.5 m。通过该新增的溢洪道能安全下泄PMF。Y-14工程由Thalle工程公司负责施工，已于2004年完工，建造费用约133万美元。

黄水河17号坝(Y-17)，由美国陆军工程师兵团按通过全部PMF要求设计的溢洪道同样为RCC阶梯式，坝顶堰为渥奇剖面，宽158.8 m。Y-17工程的施工由ASI RCC公司承担并已于2005年完工，建造费用约150万美元。

黄水河15号坝(Y-15)，由Golder联合公司设计的溢洪道为RCC阶梯式，坝顶堰为窄顶堰，宽146.3 m，按照设计，该溢洪道同样能下泄全部PMF。Y-15工程的施工由ASI RCC公司承担，并已于2008年完工，建造费用约430万美元。

黄水河16号坝(Y-16)，由施纳贝尔工程公司设计的溢洪道为宽33.5 m的阶梯式RCC坝顶溢洪道，坝顶堰为尖顶堰，按照设计，该溢洪道能够下泄50%的PMF。Y-16工程的施工由ASD RCC公司承担，并已于2008年竣工，建造费用约180万美元。

大海恩斯大坝(H-3)，由Golder联合公司设计的阶梯式碾压混凝土溢洪道宽约38 m，坝顶堰为窄顶堰，按照设计，该溢洪道能够下泄50%的PMF。H-3工程的施工由ASC 承包公司承担，并已于2011年竣工，建造费用约170万美元。

2 设计综合考虑

如何在溢洪道设计中尽量照顾到美观是仅次于大坝安全问题的设计主要制约因素。由于这些大坝位于人口稠密的郊区，周围都是住房和绿地，当地县政府决定将Y-17，Y-15，Y-16和H-3大坝的溢洪道用土和草皮进行覆盖。由于要结合没有垂直导墙的RCC设计，因而植被覆盖的溢洪道泄槽，成为就该工程与利益相关者商谈取得成功的关键。

针对上面的情况，美国农业部农业研究署和美国垦务局分别针对H-3大坝和Y-15大坝进行了水工模型试验，模型试验研究帮助建立了阶梯形溢洪道的一些设计准则，这些准则是将水流从很宽的堰顶平顺地收敛到狭窄的消力池中(因受地形限制)。

H-3大坝的模型试验通常用来确定与典型的碾压混凝土溢洪道设计体型有关的一些问题；而Y-15大坝的模型试验则证明，可通过优化溢洪道体型，设计溢洪道的几何形状来缓解这些问题。已确认要将设计的约束问题作为设计的一部分加以解决，包括以下一些流态问题。泄洪时，水流在RCC溢洪道内会具有冲出导墙处泄槽的趋势，并侵蚀碾压混凝土与土坝的接界面；沿收敛的导流边墙存在水面雍高(flow bulking)，但并没有观察到形成超临界水波；如果收敛的水流在消力池下游交汇，则会对河床产生显著的冲刷；收敛的水流在溢洪道交汇有形成高速射流的趋势，这种高速射流在集中离开消力池的地方造成下游河床冲刷。

从最早的土豆溪6号坝开始直到后面的大海恩斯大坝(H-3)，对每座坝的RCC溢洪道都新增了一些设计特色，这些改进都是基于从已完成工程得出的经验教训，对RCC溢洪道性能继续研究的成果，以及试图改善碾压混凝土成品外观的愿望。但这也导致了RCC的造价增加，从最初的土豆溪6号坝的126元/m3增加到黄水河15号坝(Y-15)的188元/m3。由于施工中采用了运土设备浇筑碾压混凝土，建造阶梯式溢洪道所采用的施工方法需要的碾压混凝土量通常大约是钢筋混凝土的3倍。由于碾压混凝土造价较高，用碾压混凝土代替传统的钢筋混凝土变得几乎没有什么优势，从2010年开始，受美国经济衰退的影响，混凝土施工的价格显著降低，这就导致对一些原本计划采用碾压混凝土建造的溢洪道工程加以重新评估，并重新设计为钢筋混凝土泄墙。

有了NRCS和格威纳特县一系列大坝改造工程的成功实施，佐治亚州决定在2010年开始对NRCS所属的一些流域大坝进行升级改造。该州工程因得到2009年的美国经济复苏与再投资法案的资金支持而变得容易实施，同时该州州政府为了保证NRCS坝升级改造工程所需要的35%投资份额，发行了收益债券，佐治亚州已有4座NRCS所属大坝得到升级改造。这其中的2项工程涉及在土坝上修建坝顶式溢洪道，如前所述，这些工程本来计划采用碾压混凝土溢洪道泄槽，但考虑到传统钢筋混凝土的造价合适，后来都选用了传统的钢筋混凝土泄槽。

桑迪溪15号坝，由Golder联合公司设计的宽55 m的钢筋混凝土溢洪道具有一个迷宫堰，设计流量为PMF，巴斯菲尔德和格雷总承包公司承担其施工任务，并已于2011年完工，建造费用约270万美元。

南河大坝，由施纳贝尔工程公司设计的宽32 m的钢筋混凝土溢洪道带有一个迷宫堰，设计流量是下泄PMF。该工程由桑贝尔特建筑公司负责施工，并已于2011年完工，建造费用约190万美元。

3 接受洪水考验

2009年9月21日，亚特兰大市区经历了一次极强的暴雨洪水事件，此次降雨是由停滞的低气压系统吸引来自墨西哥湾的湿气造成的，降雨之猛烈十分罕见，该地区的许多地方24 h降雨量甚至超过百年一遇的设计暴雨量，事后估计该市西部一些区域的降雨超过了50%的PMP。格威纳特县内黄水河流域的24 h降雨量达到203 mm，一周降雨量达到了381 mm。为应对这场大洪水，Y-14、Y-15，Y-17号RCC溢洪道连续泄洪达36 h，最大溢流水深达0.84 m。但在这一过程中，除了RCC溢洪道上的覆盖土和草皮遭受破坏外，黄水河的几座溢洪道的泄洪性能特别好。在这次洪水事件后接近一周的时间内有效地削减了下游洪水淹没灾情。泄洪后这些溢洪建筑物不需要修理。Golder联合公司在这次洪水事件后进行的水文研究表明，若Y-15号和Y-17号大坝没有经过增加洪道泄洪能力的升级改造，这次洪水中很可能会失事。

4 应用日益普遍

虽然坝顶溢流式溢洪道曾一度被大坝安全机构回避，但现在这种溢洪道作为应对现有基础设施升级改造的一种手段而得到越来越普遍的使用，它们在佐治亚州用于提升泄洪能力已经被证明是成功的。目前在佐治亚州的格威纳特县以及该州的其他城市，为大坝升级改造继续采用坝顶溢流式溢洪道作为增加该州发达地区溢洪道泄洪能力的一种手段。

目前，北佐治亚州混凝土公司正在南河29号大坝处建造一个宽23.8 m的带有迷宫堰的溢洪道(由施纳贝尔工程公司设计)，造价约190万美元。除此之外，在该州还有很多其他工程正在设计中，并且将采用坝顶溢流的溢洪道。

在设计水工建筑物时，首先，了解一座水工建筑物过去的运行性能以及将来的用途是很重要的，在采用坝顶式溢洪道方案之前，与利益相关者详细商讨所有其他方案也是关键。业主应该聘请富有经验的大坝水工工程师及岩土工程师完成设计，并雇用经验丰富的承包商来建造该工程。在工程实施过程中，业主、设计方、承包商应该作为一个团队加强合作，确保采用坝顶式溢洪道方案来提高大坝的安全度，使大坝的寿命和效益得以延长。