中小型水库溢洪道设计的研究

刘江川 许美娟 边军

摘要：本文以某水利枢纽工程为例，分析了中小型水库溢洪道存在的问题，针对中小型水库溢洪道平面布置设计，以及溢洪道水力计算设计进行详细探讨。

关键词：水库;溢洪道;设计

中图分类号：S611文献标识码： A

引言

溢洪道是一种重要的泄水建筑物，因此要保证中小型水库溢洪道在设计阶段不出现重大差错，防止因设计出现施工隐患，保障水库的安全。另外，溢洪道设计是否合理还影响到整个工程的造价问题，中小型水库的溢洪道约占整个工程20%-25%的造价，20%的劳动力。所以溢洪道设计是整个水利工程设计的十分重要的环节之一。

一、工程概况

某水利枢纽工程位于某河上游。控制流域面积94.1km2，水库按50a一遇设计，根据500a一遇校核计算，水库死水位348m，正常蓄水位360.52m，相应库容1423.07万m3;设计洪水位363.62m。相应库容为1998.36万m3;溢洪道设计泄洪量540万m3/s，泄洪洞设计泄流量为90m3/s;校核洪水位为364.81m，相应库容为2299.68万m3，溢洪道校核泄流量800m3/s，泄洪洞校核泄流量为110m3/s。

二、中小型水库溢洪道存在的问题

1、溢洪道平面以及纵横剖面布置出现问题

比降过陡是该设计最突出的问题之一，溢洪道在设计平面上，容易存在上下游断面的链接不匹配，影响溢洪道的泄洪能力。溢洪道尾部和河道的衔接不当，导致溢洪道尾部比河床高出许多，若尾部的砌护处理不到位，容易造成冲刷严重，且延伸至整个堤坝建筑，造成破坏。一些布置于非岩性坡上的溢洪道，并未在底部砌有效的反滤衬砌，影响结构的稳定，并导致在渗水后容易产生滑坡现象[2]。此外山坡两侧的开挖坡度不当容易总成坡度过陡，这是工程在横断设计时常忽视的问题。如果衬砌的厚度不够，无法达到抗倾抗滑的标准，也会容易导致滑坡与塌方[1]。

2、目前的水力设计不够完善

“扎马林法”是过去的溢洪道侧槽式设计中采用的水力计算方法。然而经过水工模型以及多年的实践证明，使用该方法计算出的水面坡降普遍偏小，造成侧槽深度不够，流量的系数减小，导致侧堰出现局部淹没流出的现象，实际的泄洪流量无法达到设计流量的要求，直接影响到工程安全[3]。平流段进口水位的壅高没有进行水力计算，然而在溢洪道进口中若布置了引洪平流段，常出现实际壅高较大的情况，这一问题不容忽视。有些在设计溢洪道时没有充分考虑到消能工或选择类型不当，消力池的深度和长度无法满足需求，不能进行充分消能，将会导致下游河段冲刷现象严重。

三、中小型水库溢洪道平面布置设计分析

1、正槽溢洪道

由于地形、地质条件限制，正槽溢洪道往往不能紧靠大坝，需在溢流堰前开挖引水渠，将库水平顺引向溢流堰，引水渠进口多为喇叭口型式，底板高程为正常蓄水位。进口段后接控制段，控制段包括溢流堰及两侧连接建筑物，溢流堰堰型主要有宽顶堰、实用堰、拆线型低堰、驼峰堰，这几种型式在工程中都可采用。其中，以无坎宽顶堰型式最为简单，在工程中为首选堰型，宽顶堰长度和宽度根据水力计算结果选取。为减少开挖，溢流堰后先接渐变段(即收缩段)，再接等宽泄槽，渐变段扩散角一般不宜超过6°-8°。泄槽段在平面上尽可能采取直线、等宽、对称布置，一般位于挖方地段。根据地形、地质条件和洪水情况，工程中常用消能方式为消力池消能和挑流消能，当出口距大坝坝角较远，泄槽段离河床较远时，为减少开挖，多选挑流消能[3]。

2、侧槽溢洪道

侧槽溢洪道进口即为溢流堰，溢流堰大致沿河岸等高线布置，水流经过溢流堰泄入与堰大致平行的侧槽后，在槽内转向约90°经泄槽泄入下游。溢流堰多采用实用堰，实用堰顶高程一般为正常蓄水位，水流从堰顶泄入侧槽内，在工程中，侧槽多为窄深式梯形断面，纵坡多为0.1～0.2。侧槽段后接渐变段、泄槽段、消能段，布置型式与正槽溢洪道一致。

四、中小型水库溢洪道水力计算设计分析

1、正槽溢洪道

1.1 宽顶堰水力计算

该段按无坎宽顶堰公式计算:

式中Q—溢洪道泄洪流量，据调洪演算确定，m3/s;m—流量系数，经计算得取，m;B—溢流堰净宽，m;H0—堰上水头，m。

在工程中，通常先假定几种堰宽，通过调洪演算，初步比选确定合理堰宽，再通过以上公式计算堰上水头，确定宽顶堰墙高。

1.2 渐变段及泄槽段水面线推求

溢洪道堰宽确定后，可根据扩散角角度规定确定渐变段长度及宽度，泄槽长度则可根据地形、地质情况确定，该段利用能量守恒公式进行水面线推求。

公式:E1+iL=E2+hf

其中，E1=h1+α×V12/(2g)，

E2=h2+α×V22/(2g)，hf=V平2×L/(C平2×Ｒ平)

式中h1、h2—计算断面首端、末端水深，m;V1、V2—计算断面首端、末端流速，m/s;α—流量系数，通常取1;i、L—计算断面纵坡及长度;C—谢才系数，C=1/n×Ｒ(1/6);Ｒ—水力半径，Ｒ=A/x，m。

通过以上计算，可绘制渐变段及泄槽内水面线，从而确定该段边墙高度[3]。

1.3 挑流消能水力计算

在塔城地区溢洪道消能多采用挑流消能方式，在此只对挑流消能水力计算进行说明。根据《溢洪道设计规范》(SL253－2000)，挑流水舌外缘挑距按式(A．4.1－1)计算。

式中L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m;θ—挑流水舌水面出射角;h1—挑流鼻坎末端法向水深，m;h2—鼻坎坎顶至下游河床高程差;v1—鼻坎坎顶水面流速，可按鼻坎处平均流速v的1．1倍计，m/s。

通过以上计算，可得出挑距，从而确定挑流消能段位置及尺寸。

2、侧槽溢洪道

2.1 实用堰水力计算

该段按实用堰公式计算:

式中Q—侧堰流量，m/s;c—流量系数，可取c=0．95;m—为正堰流量系数，可取m=0．495;ε—闸墩侧收缩系数;σs—淹没系数，取1;b—侧堰堰宽，m;H—堰上水头，m。

从以上公式可以看出，其计算公式与正堰公式不同之处仅在流量系数，其计算方法与正堰相同。在工程中，先假定几种堰宽，通过调洪演算，初步比选确定合理堰宽，再通过以上公式计算堰上水头，确定实用堰墙高。

2.2 侧槽水面线推求

通常侧槽内宽度与纵坡都是在变化的，因此，侧槽段水力计算相对较复杂，为简化计算，使侧槽出口水深等于其相应的临界水深，则控制断面恰好在出口断面，临界水深通过以下公式推求:

式中Ak、Bk—出口断面水深为临界水深时相应的过水断面面积和水面宽度，km2·m;

通过试算可得临界水深，并由公式AkBk计算侧槽纵坡，然后，由出口向进口推求侧槽内水面线。

侧槽水面线则利用差分形式的基本方程推求:

式中Δx—计算流段长，m;Δy—计算流段Δx的两端断面的水位差，m;

J—计算流段内平均水力坡降;n—糙率;Q1、Q2—分别表示计算流段上、下游断面所通过的流量，m3/s;q—侧堰单宽流量，m3/s。

工程侧槽水面线推求，见表1。

表1某水库侧槽水面线推求计算

表2某水库侧槽水面线推求计算

工程将侧槽分为6个断面，当计算表中各断面试算水面高差值与计算水面高差值相等时，所计算的水深值即为该断面的槽内水深，由此可确定侧槽墙高。

结束语

综上所述，溢洪道设计是否合理还影响到整个工程的造价问题，中小型水库的石坝溢洪道约占整个工程20%-25%的造价，20%的劳动力。即整个工程造价的四分之一，这一部分成本若是能够有效使用，将会对降低开支节约成本起到很大的作用，成为很大的额外收益，因此工程在进行规划设计时，一定要充分投入时间与资金并严格把关。

参考文献：

[1]孙荣,刘慧梅,戚正吉.中小型水库溢洪道结构的设计探讨[J].广东科技,2013（08）:79+69.

[2]黄仁奎.浅析中小型水库溢洪道设计[J].内蒙古水利,2011（02）:27-28.

[3]张秀锦.小型水库溢洪道设计问题探究[J].中国水运(下半月),2010（03）:110-111.

本文所有参考资料来源于中国知网。