试析中小型水库溢洪道设计过程中存在的问题及其改进措施

2018-02-06代兴勇范文仁

智能城市 2018年4期

代兴勇范文仁

昆明龙慧工程设计咨询有限公司，云南昆明 650000

溢洪道设计具有非常重要的作用，它直接影响着整个工程是否能够用到现实中，充分发挥它的防洪作用，溢洪道设计的合理性能够提高施工的效率，降低成本，可控制投资成本，按照预算的资金进行施工。溢洪道在中小型水库枢纽工程中一般占到30%的造价，因此，其布局、选型等都是中小型水库设计中的重要环节。

1 中小型水库溢洪道设计中的问题

1.1 溢洪道实际设计中所采用的标准较低

溢洪道是确保汛期水库安全的基础设施，但是受到水利工程建设造价的限制，中小型水库的设计所采取的标准一般较低，如针对的洪水洪峰、洪量都较小，这种低标准必然会造成溢洪道设计尺寸不足，特别是在汛期会出现泄流能力不足的情况，无法保证中小型水库的整体安全[1]。

1.2 溢洪道设计的进出口布局、弯道半径、平面布置和纵横剖面设计存在缺陷

中小型水库的溢洪道进、出口距离水坝的坝身较近，在溢洪道、坝肩之间的间隔只有较为薄弱的山脊，在溢洪道的进口段部分未能进行砌筑保护，若在泄洪过程中出现冲蚀问题，就会造成坝肩失稳，产生安全问题；部分溢洪道设计过程中，陡槽末端紧贴坝脚，若存在横流冲刷问题，会造成坝脚安全问题，这两种形式的布局都存在缺陷，容易引发相应的安全问题。

中小型水库的溢洪道弯道半径若设计的过大、过小都会影响溢洪道泄洪，特别是当溢洪道陡坡段存在弯道时，水利势能会在有限的区域内出现剧烈变化，正规泄洪弯道的流态也在变化，会造成水库两侧坡岸位置产生水位差，而在下游平直段又会出现折冲水流，影响溢洪道的整体泄流能力。

在泄洪道的平面布置、纵横剖面设计过程中，由于其整体的陡坡设计不合理，整体的陡坡设计比降过快，加上部分溢洪道分布于非岩性山坡区域，底部缺少反滤衬砌，造成渗水后出现滑坡危险。整体的横断面设计过程中，部分工程存在开挖山坡坡度不足的情况，加上底部的衬砌厚度较薄，无法起到应有的稳定性，容易出现塌方、滑坡等类型的问题。而平面布置上，存在一系列的上下游断面连接问题，容易形成“瓶颈”，影响整体泄洪能力[2]。

1.3 水力设计及其计算存在问题

中小型水库设计过程中必须进行水力计算，但是当前的计算方式存在缺陷，如：溢洪道进口位置一般布有引洪平流的区段，但是实际计算过程中会忽略这部分区段的影响，造成计算水头存在损失。若实际的壅水高度较大时是无法忽略这部分影响的。因此，实际设计过程中必须对溢洪道的消能工设计进行合理考量，但是实际设计过程中却会存在忽略这部分内容的情况，或者整个形式选择不恰当，造成消力墙长度、深度无法满足施工需求，不能充分消能，对下游河段造成严重的冲刷问题。

1.4 结构设计时未充分考虑基础特点

中小型水库的溢洪道结构设计期间，泄洪的特征和基础的特点考虑不足，造成泄洪道中的水流冲击力较强，整体的急流掺气和脉动现象较为严重，带来了非常严重的剧烈震动。部分溢洪道砌护过程中强度较低，整体的砌护系统不能确保溢洪道的结构稳定，无法保证其能够经受高速水流的冲击。而对于一些非岩基溢洪道，在实际设计过程中，其底部由于缺少必要的反滤排水系统，容易造成发生塌方、滑坡问题；部分大面积砼衬砌没有设置合理的伸缩沉陷缝，衬砌出现裂缝，工程安全受到严重影响。

1.5 溢洪道工程设计方式存在缺陷

中小型水库的溢洪道平面、剖面设计存在问题，造成溢洪道陡坡设计出现问题，部分溢洪道布置在非山坡区域，在边坡底部还缺少必要的反滤砌护，造成溢洪道整体渗水较为严重，甚至引发滑坡灾害问题，直接影响了水库的整体运营安全。而且，在工程设计过程中，由于现场溢洪道坡道的厚薄不均，稳定性不能满足工程需求，容易出现塌方、滑坡现象，整体的泄洪能力下降，冲刷力量较大。当前，我国中小型水库溢洪道工程设计体系仍旧存在缺陷，经常忽略平流段的进口水位损失，加上部分工程勘察水平不足、选择的设计模式存在问题，最终形成的工程建设效果差强人意，部分工程的泄洪特征、结构基础考虑不全面，经常出现高速水流冲击问题、排水反滤系统无法发挥作用甚至损毁，整个水库的砌护存在裂缝等问题，直接影响工程建设的安全以及后续运营期的安全性能。

2 中小型水库溢洪道设计存在问题的改进措施

2.1 掌握设计原则，合理进行系统布局

中小型水库的溢洪道设计过程中要充分考虑工程建设区域的实际情况，根据现场实际地理、水文、地质环境进行综合评判，在此基础上对工程整体造价进行合理设计。若水库周边存在可以利用的自然环境，要将其充分利用起来，作为溢洪道的布置区域。若出口区域较小，就不能布置正堰，应使用侧槽溢洪道模式进行设计。在整个设计过程中必须掌握基本的设计原则，确保设计的基础可靠、坚固，线路较短、合理性高，在出水口无主要建筑，避免在存在滑坡隐患的基础上进行工程建设。

2.2 重视各个区段的设计，根据不同需求合理控制

2.2.1 近口段部分

针对近口段部分的设计，可以将出口位置设计成长度适中的喇叭状，以便确保出水平顺。若施工区域的地形存在问题必须在出口位置设计弯道的话，要尽量确保平缓，并保证与坝体的距离合理，将其对坝体的影响降至最低。引流段横断面要采用梯形模式设计，根据实际水流速度选择是否需要砌护，但是对接近坝体、建筑的区域要进行必要的砌护。

2.2.2 堰流段部分

近口水流要与控制建筑保持垂直，才能保证泄洪均匀。在实际工程当中，要根据实际的地势情况、出水需求采取实际的断面堰设计，整体宽度要根据现场实际和单宽流量来进行确定，并针对堰口、上游引流段的角度进行控制，确保水流平顺。

2.2.3 泄流段部分

在进行泄流段设计过程中，可以选择直线形式进行合理布置，尽量减少弯道、扭坡的出现，避免流态变化产生的负压问题。针对陡坡段，可选择均一比降来进行设计。对于大流速的泄洪段要将其设计在坚固基岩上，若条件不足，就要通过合理计算找出合理的砌筑厚度。而新鲜岩基泄水道不必砌筑，风化岩石需要进行浆砌石并配以锚固筋，若需要进行大面积砌筑，必须研究清楚施工区域的水文地质状态和温度变化情况，通过设置合理的伸缩缝、安置纵横缝，在砌筑底部铺置排水反滤料。

2.2.4 消能工部分

中小型水库的溢洪道当中，泄洪段未端需要进行消能工设计，实际设计过程中使用多级跃水、末端跃流段设计，通过控制泄水方向与坝体间距来进行控制。对于非岩基础，一般采用底流消能的方式，在其尾端设计相应的消能池。而对于远驱水跃的问题，由于其容易形成冲刷，必须对其采用差动式消力槛的方式进行设计；对于岩石基础，若其末端存在陡坡，就要进行挑射消能设计，以便起到节省消能池或护坦的作用，并且这种设计方式造价低、工作量效，应用较为广泛。

2.2.5 侧槽段部分

中小型水库的溢洪道侧槽段的设计必须遵循垂直来水流向原则，根据等高线的延伸情况确定合理的长度。通过侧向进流，通过纵向泄流。对于侧堰同深槽连接部分的角度要控制在合理范围，其长度也要根据水深情况进行确定，整体设计要求要确保槽内波动、横向旋滚水流能够直接进行陡坡段中去。

2.3 做好设计中的水力计算工作，合理安排不同区段需求

对于引流段入口首先要计算出壅水高度，确定水库泄洪期水位，计算过程中可以由下游控制面向上游反求的方式进行计算；泄流段计算过程中可以获得陡槽段水面曲线计算结果，若陡槽底宽变化时可以利用查尔诺门斯基法进行计算；侧槽段的水力计算，需要假定均匀流，但是实际当中水流会出现沿程变量流，计算结果会出现差距，要想改变这种情况可以通过水流动量以水面曲线推导方式获取结果，这种方式与实际泄流状况吻合度较高；陡坡护砌过程中必须严格满足避免滑坡、塌方，保证整体安全的基本原则，对于现场施工的伸缩缝，必须合理设置，并且在设置完成后，由于陡坡外表砌筑类似于大面积的薄板砌筑，必须充分考虑其滑动稳定性，对于基础应力、倾复稳定性可以忽略。实际情况当中，陡坡的砌筑表面滑动力包含了水流拖泄、砌体自重顺坡方向的分力、护面凸体产生的阻力等多种类型。