论文部分内容阅读
【摘 要】：溢洪道是水库等水利建筑物的防洪设备，多筑在水坝的一侧，象一个大槽，当水库里水位超过安全限度时，水就从溢洪道向下游流出，防止水坝被毁坏。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。本文就溢洪道的设计做了简单的阐释，并对需要注意的问题做了探讨。
【关键词】：水利水电；溢洪道；设计
中图分类号：TV212文献标识码： A 文章编号：
引言
在溢洪道设计中，对于掌握的基本资料是否完善与充分，选用的设计标准是否合适，都直接影响到整个水库工程的安全性和经济性。因此我们必须重视水库溢洪道的设计，保障水库防洪能力。笔者对水库中出现的问题和对策提出了自己的看法。
一、溢洪道工程的规划布局
溢洪道的规划布局要尽量根据现有的地形地貌合理利用有利，即要保证安全又要经济合理。如果大坝附近有天然的山坳则在这里布置溢洪道是最为理想的，如果主坝口比较狭窄而无法布置正堰的则应考虑选择侧槽式溢洪道。溢洪道规划布局的主要原则是：基础坚实如一，出口远离主坝，没有弯道，线路短；这样的工程严禁布置在像滑坡或崩塌体地诸如此类的地质条件上。溢洪道的主要部分通常由五个组成：引流段（近口段）、泄流段（陡坡、急流段）、控制段（堰流段）、侧槽段和消能工。
1、引流段（近口段）
引流段进口形状最好做成喇叭口是为了引流平顺，为了减小损失长度引流段也不能过长。如果因为地形的限制要在这段内布置弯道时，除了应使弯道尽量平缓外，还需要使弯曲段与下游的衔接段和出口段远离坝脚，避免长期冲刷坝脚。引流段一般选用矩形或梯形截面，在流速小于1~2米/秒时可以不砌护，但是与坝端紧接和邻近建筑物的区间内要砌护一定长度，同时在弯曲段的两侧凹岸也应砌护，如果为基础为坚硬的岩基则不需要砌护。
2、泄流段（陡坡、急流段）
泄流段平面都采用直线布置，并要尽量避免弯道和布置扭坡顺引流态的急骤变化甚至因此产生负压的情况发生。纵断面的设计应因地制宜，要根据地形地质条件而选用缓坡、陡坡或者多级跃水等各种形式，如果采用陡坡应在陡坡段采用均一比降。因为泄流段流速非常大，因此应设置在岩基上，如果不是岩基则这段砌护厚度要按允许的流速和地质条件来进行设计。一般地，厚度要求浆砌石、砼、钢筋砼分别是0.5~1.0m、 0.2~0.5m、 0.15~0.3m（对于砼与钢筋砼基部另设0.3~05m厚的浆砌石底砌护），其坡度要求一般以小于1/2.5为好。而布置在岩基上的泄水道，则不需要砌护；如果为松软风化的岩石仍须用0.3~0.5m的浆砌石或者0.2m厚的砼作砌护，同时另设锚固筋；如果需大面积砼衬砌就要根据地质条件，结合温度的变化来布置伸缩缝和沉陷缝，在两侧边坡可仅设横缝，而在底部需要设纵横缝，一般间隔距离为8~12m，在衬砌底部另铺设排水的反滤料；由于高速水流有掺气的特点，边坡的砌护高度还应适当提高。
3、控制段（堰流段）
根据泄流需要与地形条件必需布置宽顶堰或断面堰，堰宽度可按允许单位宽流量选定，岩基、非岩基和土基上单位宽流量分别为40~70立方米每秒，20~40立方米每秒，20立方米每秒。除在近口段设有引流段外，还应使堰顶宽度小于3n（n为堰上水头，单位m）；为使水流平稳，堰口与其上游引流段可采用渐变段连接，其收缩角一般为12度左右。若堰体较宽需要在横向设置温度缝和沉陷缝，其布设间距可按10~15m。
4、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。侧堰与深槽连接的渐变过渡段，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。
5、消能工
在泄水段末端需設置消能工，其具体选择型式可根据地形、地质和水力条件的要求而定。溢洪道末端的消能设施主要有底流消能、面流消能和挑流消能。对消能存在的问题，土石坝大部分采用修建消力池淌能的方式处理，消力池底板厚度应满足抗浮稳定要求。若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大于100~150m。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坎时，采用挑射消能较为有利（但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、护坦与海漫等工程，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，但鼻坎以上陡坡最好做成矩形断面，千万不可作成梯形断面以免需用扭坡与鼻坎衔接。
二、各区段的水利计算
为使水力计算与工程特性相一致，故正确选用计算公式十分重要。
1、引流段的水力计算
可采取自下游控制断面向上游反推求水面曲线的方法进行（如查尔诺门斯基方法），引流段进口处端须先计算水位壅高，才能求得泄洪时的正确库水位。
2、泄流段陡槽水力计算
推求陡槽段水面曲线的方法较多，如陡槽底宽固定不变时，可采用BⅡ型降水曲线或用查尔诺门斯基方法计算；对底宽渐变的陡槽段则可用查氏方法分段详算。
3、控制段的汇流计算
可根据“溢流堰水力计算设计规范”建议的方法计算，同时正确选用流量系数时并使其与选用的堰型相一致。
4、侧槽段的水力计算
过去采用的“扎马林法”由于计算时采用了均匀流假定，而实际水流状态是沿程变量流，故不符合适用于均匀流的谢才公式，因而与实际泄流情况有较大出入。由于侧槽式溢洪道在侧向进流时，水流的冲击、掺气和槽内水流波动很大，流态十分复杂，故精确计算十分困难，因此对于重要的大中型水库其侧槽式溢洪道设计需依据水工模型试验来确定其相应尺寸。
5、消能设施的水力计算
采取底流式消能可以采用巴什基洛娃图表计算。由于巴氏对各种消能设备的计算方法与步骤均较明确、详细，计算省时又能保证精度；但是我们在选定消能设施的尺寸时应该留有余地，对于一些重要的中型水库其水力计算成果还应通过模型试验加以验证；至于挑射消能计算，目前还未找到一种比较成熟适用的计算方法。
三、结构计算
为保证建筑物安全稳定的结构计算是不可缺少的，除一些护坡及挡土墙的稳定可按一般方法计算外，必须进行陡坡面砌护厚度与消力池底板的稳定分析，而对挑射消能则应进行鼻坎的稳定与基础应力计算。
1、陡坡的护砌厚度应满足滑动安全
设置伸缩缝沉陷缝以后，坡面砌护类似大面积薄板，故对基础应力以及倾复稳定一般可不须计算，其主要控制条件是滑动稳定，作用在护面上的滑动力主要有水流拖泄力、砌体自重顺坡方向的分力及护面凸体（如伸缩缝）产生的阻力；抗滑力则包括砌体自重垂直坡面的分力和水流静压力（需扣除高速水流的脉动压力）、护面上的上举力和渗透压力，其抗滑安全系数应大于等于1.3~1.5就视为安全。
2、消力池底板厚度应满足抗浮稳定要求
由于底板四周边界的约束作用，一般没有滑动问题，因此仅需对其抗浮要求进行稳定计算。作用在底板上的上浮力包括渗透压力、脉动压力、底板上凸出体产生的上举力，以及下游消力池水深与水跃段内压力差。抗浮力包括底板的浮重和底板上的水重，其抗浮安全系数大于1.3~1.5就视为安全。
3、挑流鼻坎的尺寸应满足滑动稳定、倾复稳定和允许的基础应力
作用于鼻坎上的向下的垂直力包括鼻坎自重、鼻坎上的水重，挑流曲面离心力的垂直分力；向上的垂直力包括脉动力、渗透压力、鼻坎下游尾部形成的上浮力、以及鼻坎上凸出体产生的上举力。作用于鼻坎的水平推力包括水流的拖泄力，挑流时其鼻坝曲面离心力的水平分力，以及鼻坎上凸出体产生的水平分力。按一般力学方法计算鼻坎的滑动与倾复稳定时其要求抗滑安全系数大于1.3~1.5，抗倾安全系数大于1.5，同时计算上述各力的合力。为避免发生不均匀沉降，其作用点应位于基础面中三分点之内，且基础最大与最小应力比值小于3-5。
结束语
总之，针对中小型溢洪道设计中常出现的问题，我们必须认识到它的严重性，采取措施。应从资料收集、规划布局、水利计算及结构计算各个阶段层层把关，落实到位，这才能使水利工程使用功能得到有效发挥，保证工程安全经济可行。
【参考文献】：
【1】王亚东.勃利县九龙水库溢洪道数值模拟试验分析[J].黑龙江水专学报,2007(4)
【2】夏连富,江新春.小型水库溢洪道基础抗冻措施[J].水利科技与经济,2008(6)
【3】陈芳.水库溢洪道设计计算的探讨[J].水利科技与经济,2009(7)
【关键词】：水利水电；溢洪道；设计
中图分类号：TV212文献标识码： A 文章编号：
引言
在溢洪道设计中，对于掌握的基本资料是否完善与充分，选用的设计标准是否合适，都直接影响到整个水库工程的安全性和经济性。因此我们必须重视水库溢洪道的设计，保障水库防洪能力。笔者对水库中出现的问题和对策提出了自己的看法。
一、溢洪道工程的规划布局
溢洪道的规划布局要尽量根据现有的地形地貌合理利用有利，即要保证安全又要经济合理。如果大坝附近有天然的山坳则在这里布置溢洪道是最为理想的，如果主坝口比较狭窄而无法布置正堰的则应考虑选择侧槽式溢洪道。溢洪道规划布局的主要原则是：基础坚实如一，出口远离主坝，没有弯道，线路短；这样的工程严禁布置在像滑坡或崩塌体地诸如此类的地质条件上。溢洪道的主要部分通常由五个组成：引流段（近口段）、泄流段（陡坡、急流段）、控制段（堰流段）、侧槽段和消能工。
1、引流段（近口段）
引流段进口形状最好做成喇叭口是为了引流平顺，为了减小损失长度引流段也不能过长。如果因为地形的限制要在这段内布置弯道时，除了应使弯道尽量平缓外，还需要使弯曲段与下游的衔接段和出口段远离坝脚，避免长期冲刷坝脚。引流段一般选用矩形或梯形截面，在流速小于1~2米/秒时可以不砌护，但是与坝端紧接和邻近建筑物的区间内要砌护一定长度，同时在弯曲段的两侧凹岸也应砌护，如果为基础为坚硬的岩基则不需要砌护。
2、泄流段（陡坡、急流段）
泄流段平面都采用直线布置，并要尽量避免弯道和布置扭坡顺引流态的急骤变化甚至因此产生负压的情况发生。纵断面的设计应因地制宜，要根据地形地质条件而选用缓坡、陡坡或者多级跃水等各种形式，如果采用陡坡应在陡坡段采用均一比降。因为泄流段流速非常大，因此应设置在岩基上，如果不是岩基则这段砌护厚度要按允许的流速和地质条件来进行设计。一般地，厚度要求浆砌石、砼、钢筋砼分别是0.5~1.0m、 0.2~0.5m、 0.15~0.3m（对于砼与钢筋砼基部另设0.3~05m厚的浆砌石底砌护），其坡度要求一般以小于1/2.5为好。而布置在岩基上的泄水道，则不需要砌护；如果为松软风化的岩石仍须用0.3~0.5m的浆砌石或者0.2m厚的砼作砌护，同时另设锚固筋；如果需大面积砼衬砌就要根据地质条件，结合温度的变化来布置伸缩缝和沉陷缝，在两侧边坡可仅设横缝，而在底部需要设纵横缝，一般间隔距离为8~12m，在衬砌底部另铺设排水的反滤料；由于高速水流有掺气的特点，边坡的砌护高度还应适当提高。
3、控制段（堰流段）
根据泄流需要与地形条件必需布置宽顶堰或断面堰，堰宽度可按允许单位宽流量选定，岩基、非岩基和土基上单位宽流量分别为40~70立方米每秒，20~40立方米每秒，20立方米每秒。除在近口段设有引流段外，还应使堰顶宽度小于3n（n为堰上水头，单位m）；为使水流平稳，堰口与其上游引流段可采用渐变段连接，其收缩角一般为12度左右。若堰体较宽需要在横向设置温度缝和沉陷缝，其布设间距可按10~15m。
4、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。侧堰与深槽连接的渐变过渡段，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。
5、消能工
在泄水段末端需設置消能工，其具体选择型式可根据地形、地质和水力条件的要求而定。溢洪道末端的消能设施主要有底流消能、面流消能和挑流消能。对消能存在的问题，土石坝大部分采用修建消力池淌能的方式处理，消力池底板厚度应满足抗浮稳定要求。若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大于100~150m。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坎时，采用挑射消能较为有利（但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、护坦与海漫等工程，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，但鼻坎以上陡坡最好做成矩形断面，千万不可作成梯形断面以免需用扭坡与鼻坎衔接。
二、各区段的水利计算
为使水力计算与工程特性相一致，故正确选用计算公式十分重要。
1、引流段的水力计算
可采取自下游控制断面向上游反推求水面曲线的方法进行（如查尔诺门斯基方法），引流段进口处端须先计算水位壅高，才能求得泄洪时的正确库水位。
2、泄流段陡槽水力计算
推求陡槽段水面曲线的方法较多，如陡槽底宽固定不变时，可采用BⅡ型降水曲线或用查尔诺门斯基方法计算；对底宽渐变的陡槽段则可用查氏方法分段详算。
3、控制段的汇流计算
可根据“溢流堰水力计算设计规范”建议的方法计算，同时正确选用流量系数时并使其与选用的堰型相一致。
4、侧槽段的水力计算
过去采用的“扎马林法”由于计算时采用了均匀流假定，而实际水流状态是沿程变量流，故不符合适用于均匀流的谢才公式，因而与实际泄流情况有较大出入。由于侧槽式溢洪道在侧向进流时，水流的冲击、掺气和槽内水流波动很大，流态十分复杂，故精确计算十分困难，因此对于重要的大中型水库其侧槽式溢洪道设计需依据水工模型试验来确定其相应尺寸。
5、消能设施的水力计算
采取底流式消能可以采用巴什基洛娃图表计算。由于巴氏对各种消能设备的计算方法与步骤均较明确、详细，计算省时又能保证精度；但是我们在选定消能设施的尺寸时应该留有余地，对于一些重要的中型水库其水力计算成果还应通过模型试验加以验证；至于挑射消能计算，目前还未找到一种比较成熟适用的计算方法。
三、结构计算
为保证建筑物安全稳定的结构计算是不可缺少的，除一些护坡及挡土墙的稳定可按一般方法计算外，必须进行陡坡面砌护厚度与消力池底板的稳定分析，而对挑射消能则应进行鼻坎的稳定与基础应力计算。
1、陡坡的护砌厚度应满足滑动安全
设置伸缩缝沉陷缝以后，坡面砌护类似大面积薄板，故对基础应力以及倾复稳定一般可不须计算，其主要控制条件是滑动稳定，作用在护面上的滑动力主要有水流拖泄力、砌体自重顺坡方向的分力及护面凸体（如伸缩缝）产生的阻力；抗滑力则包括砌体自重垂直坡面的分力和水流静压力（需扣除高速水流的脉动压力）、护面上的上举力和渗透压力，其抗滑安全系数应大于等于1.3~1.5就视为安全。
2、消力池底板厚度应满足抗浮稳定要求
由于底板四周边界的约束作用，一般没有滑动问题，因此仅需对其抗浮要求进行稳定计算。作用在底板上的上浮力包括渗透压力、脉动压力、底板上凸出体产生的上举力，以及下游消力池水深与水跃段内压力差。抗浮力包括底板的浮重和底板上的水重，其抗浮安全系数大于1.3~1.5就视为安全。
3、挑流鼻坎的尺寸应满足滑动稳定、倾复稳定和允许的基础应力
作用于鼻坎上的向下的垂直力包括鼻坎自重、鼻坎上的水重，挑流曲面离心力的垂直分力；向上的垂直力包括脉动力、渗透压力、鼻坎下游尾部形成的上浮力、以及鼻坎上凸出体产生的上举力。作用于鼻坎的水平推力包括水流的拖泄力，挑流时其鼻坝曲面离心力的水平分力，以及鼻坎上凸出体产生的水平分力。按一般力学方法计算鼻坎的滑动与倾复稳定时其要求抗滑安全系数大于1.3~1.5，抗倾安全系数大于1.5，同时计算上述各力的合力。为避免发生不均匀沉降，其作用点应位于基础面中三分点之内，且基础最大与最小应力比值小于3-5。
结束语
总之，针对中小型溢洪道设计中常出现的问题，我们必须认识到它的严重性，采取措施。应从资料收集、规划布局、水利计算及结构计算各个阶段层层把关，落实到位，这才能使水利工程使用功能得到有效发挥，保证工程安全经济可行。
【参考文献】：
【1】王亚东.勃利县九龙水库溢洪道数值模拟试验分析[J].黑龙江水专学报,2007(4)
【2】夏连富,江新春.小型水库溢洪道基础抗冻措施[J].水利科技与经济,2008(6)
【3】陈芳.水库溢洪道设计计算的探讨[J].水利科技与经济,2009(7)