直井式溢水道

直井式溢水道按泄洪標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)用情況，分為正常直井式溢水道和非常直井式溢洪道。前者用以宣泄設(shè)計(jì)洪水，后者用于宣泄非常洪水。按其所在位置，分為河床式直井式溢水道和岸邊直井式溢水道。河床式直井式溢水道經(jīng)由壩身溢洪。岸邊直井式溢水道按結(jié)構(gòu)形式可分為：

①正槽直井式溢水道。泄槽與直井堰正交，過堰水流與泄槽軸線方向一致。

②側(cè)槽直井式溢水道。直井堰大致沿等高線布置，水流從直井堰泄入與堰軸線大致平行的側(cè)槽后，流向作近90°轉(zhuǎn)彎，再經(jīng)泄槽或隧洞流向下游。

③井式直井式溢水道。洪水流過環(huán)形直井堰，經(jīng)豎井和隧洞泄入下游。

④虹吸直井式溢水道。利用虹吸作用泄水，水流出虹吸管后，經(jīng)泄槽流向下游，可建在岸邊，也可建在壩內(nèi)。岸邊直井式溢水道通常由進(jìn)水渠、控制段、泄水段、消能段組成。進(jìn)水渠起進(jìn)水與調(diào)整水流的作用?？刂贫纬Ｓ脤?shí)用堰或?qū)掜斞撸唔斂稍O(shè)或不設(shè)閘門。泄水段有泄槽和隧洞兩種形式。為保護(hù)泄槽免遭沖刷和巖石不被風(fēng)化，一般都用混凝土襯砌。消能段多用挑流消能或水躍消能。當(dāng)下泄水流不能直接歸入原河道時，還需另設(shè)尾水渠，以便與下游河道妥善銜接。濟(jì)式溢洪道的選型和布置，應(yīng)根據(jù)壩址地形、地質(zhì)、樞紐布置及施工條件等，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

溢水道的設(shè)計(jì)和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關(guān)系到整個工程造價。土石壩一般中小型溢水道，約占水庫樞紐工程造價的25~30%及勞動力的25%，故溢水道合理的布局和選型，在水庫工程設(shè)計(jì)中是一個比較重要的環(huán)節(jié)。關(guān)鍵詞：土石壩中小型水庫溢水道常見問題對策溢洪道的設(shè)計(jì)和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關(guān)系到整個工程造價。土石壩一般中小型溢洪道，約占水庫樞紐工程造價的25~30%及勞動力的25%，故溢水道合理的布局和選型，在水庫工程設(shè)計(jì)中是一個比較重要的環(huán)節(jié)。

直井式溢水道常見問題

溢水道是洪水期間保證水庫安全的重要設(shè)施，中小型水庫由于受工程造價的限制，其設(shè)計(jì)采用的洪水標(biāo)準(zhǔn)往往偏低、選用洪水?dāng)?shù)據(jù)偏小，因而必然帶來溢水道設(shè)計(jì)尺寸偏小，再加上周邊巖體風(fēng)化坍落，往往造成泄流能力不足，因而不能保證安全泄水。在布置上，某些工程設(shè)計(jì)的溢水道其進(jìn)出口段離壩身太近，壩肩與溢水道之間僅有單薄的山脊相隔。進(jìn)口段如未進(jìn)行有效的護(hù)砌，泄水時一旦發(fā)生沖蝕現(xiàn)象，將危及壩肩安全，有些設(shè)計(jì)的陡槽末端與壩腳緊貼，假如發(fā)生橫流沖刷，更易危及壩腳安全，因此這二種情況均對大壩的運(yùn)行安全十分不利。溢水道設(shè)計(jì)的平面彎道半徑過大和收縮過劇，對泄流十分不利。非凡在溢洪道陡坡段布置有彎道時，由于彎道流態(tài)、流勢劇烈變化，導(dǎo)致二岸產(chǎn)生了水面差，這時凹岸水面壅高，并在下游銜接的平直段內(nèi)產(chǎn)生折沖水流，大大影響了泄流能力和消能效果。另外陡坡段或緩流段的過劇收縮，也會發(fā)生顯著的壅水和流態(tài)變化，并對溢水道襯砌造成沖擊，如砌護(hù)過高會增加投資，砌護(hù)過低了又不安全。

溢水縱橫剖面及平面布置設(shè)計(jì)不當(dāng)，比較突出的問題是陡坡設(shè)計(jì)比降過陡。部分溢水道布置在非巖性山坡上，其底部未做有效的反濾襯砌，致使?jié)B水后易產(chǎn)生滑坡；結(jié)構(gòu)上也不穩(wěn)定。在橫斷面設(shè)計(jì)中，有些工程對兩側(cè)山坡開挖坡度注重不夠，有的過陡，加上襯砌厚度偏薄，不能滿足抗滑抗傾穩(wěn)定，也易造成坍方和滑坡；平面布置上，存在著上下游斷面連接不配套，形成“瓶頸”現(xiàn)象，從而影響了泄洪能力；此外溢水道末端與河道銜接部分注重不夠，導(dǎo)致有的末端高出河床很多，有的末端未做砌護(hù)處理，常造成嚴(yán)重沖刷，并向上延伸，直至整個建筑物破壞。

現(xiàn)有水力設(shè)計(jì)方法尚不夠完善，如溢水道進(jìn)口布置有引洪平流段的情況下，由于水力計(jì)算中忽略了平流段時進(jìn)口水位的壅高。而實(shí)際壅高有時較大，不可忽視。有些設(shè)計(jì)對溢水道的消能工的設(shè)計(jì)考慮不夠充分，或者型式選擇不當(dāng)，導(dǎo)致消力墻長度和深度均不能滿足需要，消能不夠充分，致使下游河段發(fā)生嚴(yán)重沖刷。另在側(cè)槽式溢水道設(shè)計(jì)中，過去大多采用“扎馬林法”進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)多年實(shí)踐及水工模型試驗(yàn)證實(shí)：使用該法計(jì)算所確定的水面坡降偏小，導(dǎo)致側(cè)槽深度不夠，流量系數(shù)減小，使側(cè)堰局部呈現(xiàn)沉沒出流，其實(shí)際泄洪流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的泄量，因而對工程是不安全的。

有些工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對泄洪的特點(diǎn)和基礎(chǔ)特性考慮不周，溢水道下泄的高速水流具有很強(qiáng)的沖出力、由于急流的摻氣和脈動現(xiàn)象十分顯著常會產(chǎn)生劇烈的震動；有些溢水道采用低標(biāo)號的漿砌石或砼砌護(hù)，且砌護(hù)厚度與邊坡砌護(hù)高度都不能適應(yīng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求，因而不能抵御高流速的沖刷；有些非巖基上的溢洪道設(shè)計(jì)時，底部幾乎沒有反濾排水設(shè)備，極易發(fā)生塌滑；有些大面積圬工砼襯砌由于未設(shè)伸縮沉陷縫，致使溢洪道襯砌發(fā)生一些裂縫，總之這些都使工程安全受至影響。

直井式溢水道設(shè)計(jì)對策

溢水道設(shè)計(jì)中把握的基本資料是否充分與完善，選用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是否恰當(dāng)，均直接影響到整個工程的安全及經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)就有關(guān)問題談一些看法：

1.規(guī)劃布局

溢水道工程的規(guī)劃布局應(yīng)盡量利用有利地形地貌，即要經(jīng)濟(jì)合理又要保證安全。如大壩四周有天然山坳可以布設(shè)溢水道則最為理想，如主壩口子狹窄無法布置正堰則可考慮選擇側(cè)槽式溢洪道。其規(guī)劃布置的主要原則是：基礎(chǔ)堅(jiān)硬均一，線路短，無彎道，出口遠(yuǎn)離壩體；工程嚴(yán)禁布置在滑坡或崩塌體地上。溢水道通常有四個主要部分組成：引流段、控制段、泄流段及消能工。

2.引流段

為引流平順其進(jìn)口外形最好做成喇叭口，為減小損失其長度不宜過長。如因地形所限必須在該段內(nèi)設(shè)置彎道時，則應(yīng)使彎曲段盡量平緩?fù)?、還應(yīng)使彎道與下游銜接段和出口段盡量遠(yuǎn)離壩腳，以免沖刷壩腳。引流段截面一般選用梯形或矩形，當(dāng)流速≤1~2米/秒時一般可不砌護(hù)，但與壩端鄰近和緊接控制建筑物的范圍內(nèi)應(yīng)砌護(hù)一定長度，同時在彎道二側(cè)的凹岸亦應(yīng)砌護(hù)，如為堅(jiān)硬的巖基則可不考慮。

3.控制段

為使泄流均勻，可使近口水流垂直于控制段建筑物；根據(jù)地形條件和泄流需要必需設(shè)置寬頂堰或?qū)嵱脭嗝嫜?，堰寬度可按答?yīng)單寬流量選定，巖基上單寬流量為40~70m3/s，非巖基上為20~40m3/s，土基上為20m3/s。除近口段設(shè)有引流段外，一般應(yīng)使堰頂寬度≤3h堰；為使水流平順，堰口與其上游引流段可采用漸變段連接，其收縮角以12度左右為宜。如堰體較寬則應(yīng)在其橫向設(shè)置溫度縫與沉陷縫，其間距可按10~15m布設(shè)。

4.泄流段

該段平面均采用直線布置，并盡量避免彎道和設(shè)置扭坡順引流態(tài)的急驟變化甚至產(chǎn)生負(fù)壓；其縱斷面設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜地根據(jù)地形、地質(zhì)而選用緩坡、陡坡或多級躍水等多種形式；陡坡段應(yīng)采用均一比降；由于泄水段流速很高，故應(yīng)盡量布置在巖基上，如為非巖基則該段襯砌厚度應(yīng)按答應(yīng)流速與地質(zhì)條件選擇進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般漿砌石用0.5~1.0m，砼0.2~0.5m，鋼筋砼0.15~0.3m，其坡度一般以≤1/2.5為宜。

新鮮巖基上的泄水道，可不砌護(hù)；如為松軟風(fēng)化巖石仍須用0.3~0.5m的漿砌石或0.2m厚的砼作砌護(hù)，并加設(shè)錨固筋；如需大面積砼襯砌則應(yīng)按地質(zhì)情況，結(jié)合溫度變化布置伸縮縫和沉陷縫，兩側(cè)邊坡可僅設(shè)橫縫，底部則應(yīng)設(shè)縱橫縫，間距一般為8~12m，同時在襯砌底部需敷設(shè)排水的反濾料；考慮高速水流摻氣的特點(diǎn)，邊坡的砌護(hù)高度應(yīng)有適當(dāng)超高。在泄水段末端需設(shè)置消能工，其具體選擇型式可根據(jù)地形、地質(zhì)和水力條件的要求而定，采用多級躍水或溢水道末端的躍流段應(yīng)使其泄流方向遠(yuǎn)離壩腳≥100~150m。對于非巖基上一般均采用底流消能，并在末端設(shè)置消力池。如泄流量不大，亦可考慮消力檻形式；如為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，由于極易造成沖刷，此時可考慮采用差動式消力檻形式；在巖基上，如溢洪道尾端有較陡邊坎時，采用挑射消能較為有利，由于這種形式可省去消力池、護(hù)坦與海漫等工程，由于其工程量小、造價低，因而常被采用。根據(jù)工程實(shí)踐鼻坎形式以矩形差動式最好，但鼻坎以上陡坡最好做成矩形斷面，千萬不可作成梯形斷面以免需用扭坡與鼻坎銜接。

5.側(cè)槽段

該段布置應(yīng)垂直于來水流向，其長度可根據(jù)等高線向上游延伸，水流特點(diǎn)是側(cè)向進(jìn)流，縱向泄流。

側(cè)堰與深槽連接的漸變過渡段，其收縮角應(yīng)控制在12°左右，其長度一般為槽內(nèi)水深的3~5倍，其主要作用是避免槽內(nèi)波動和橫向旋滾的水流直接進(jìn)入陡坡段。

直井式溢水道水利計(jì)算

為使水力計(jì)算與工程特性相一致，故正確選用計(jì)算公式十分重要。

1.引流段的水力計(jì)算：可采取自下游控制斷面向上游反推求水面曲線的方法進(jìn)行，引流段進(jìn)口處端須先計(jì)算水位壅高，才能求得泄洪時的正確庫水位。

2.控制段的匯流計(jì)算：可根據(jù)“直井堰水力計(jì)算設(shè)計(jì)規(guī)范”建議的方法計(jì)算，同時正確選用流量系數(shù)時并使其與選用的堰型相一致。

3.泄流段陡槽水力計(jì)算：推求陡槽段水面曲線的方法較多，如陡槽底寬固定不變時，可采用BⅡ型降水曲線或用查爾諾門斯基方法計(jì)算；對底寬漸變的陡槽段則可用查氏方法分段詳算。

4.消能設(shè)施的水力計(jì)算：采取底流式消能可以采用A－C：巴什基洛娃圖表計(jì)算。由于巴氏對各種消能設(shè)備的計(jì)算方法與步驟均較明確、具體，計(jì)算省時又能保證精度；但是我們在選定消能設(shè)施的尺寸時應(yīng)該留有余地，對于一些重要的中型水庫其水力計(jì)算成果還應(yīng)通過模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證；至于挑射消能計(jì)算，目前還未找到一種比較成熟適用的計(jì)算方法。

5.側(cè)槽段的水力計(jì)算：過去采用的“扎馬林法”由于計(jì)算時采用了均勻流假定，而實(shí)際水流狀態(tài)是沿程變量流，故不符合適用于均勻流的謝才公式，因而與實(shí)際泄流情況有較大出入。

近年來有些水利科技工根據(jù)水流動量或能量關(guān)系而建議采用的水面曲線推算的公式比較符合實(shí)際泄流情況，如“西南水工所在《中小型水庫側(cè)槽式溢洪道的設(shè)計(jì)》一書中介紹的公式”、“美國<小壩設(shè)計(jì)>一書中用的公式”、以及“浙江省《水利科技情》77年第三期介紹的南斯拉夫哈丁公式”等均與水工模型試驗(yàn)吻合。其中南斯拉夫的哈丁公式又可結(jié)合實(shí)際驗(yàn)算，計(jì)算方法簡便、省時，故可供設(shè)計(jì)參考。由于側(cè)槽內(nèi)實(shí)際的流態(tài)十分復(fù)雜，故在堰頂對面的岸坡水面要比平均水位抬高5~20%，因此其設(shè)計(jì)的襯砌的高度、厚度要要考慮上述影響。

由于側(cè)槽式溢水道在側(cè)向進(jìn)流時，水流的沖擊、摻氣和槽內(nèi)水流波動很大，流態(tài)十分復(fù)雜，故精確計(jì)算十分困難，因此對于重要的大中型水庫其側(cè)槽式溢洪道設(shè)計(jì)需依據(jù)水工模型試驗(yàn)來確定其相應(yīng)尺寸。

直井式溢水道結(jié)構(gòu)計(jì)算

為保證建筑物安全穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)計(jì)算是不可缺少的，除一些護(hù)坡及擋土墻的穩(wěn)定可按一般方法計(jì)算外，必須進(jìn)行陡坡面砌護(hù)厚度與消力池底板的穩(wěn)定分析，而對挑射消能則應(yīng)進(jìn)行鼻坎的穩(wěn)定與基礎(chǔ)應(yīng)力計(jì)算。

1.陡坡的護(hù)砌厚度應(yīng)滿足滑動安全，設(shè)置伸縮縫沉陷縫以后，坡面砌護(hù)類似大面積薄板，故對基礎(chǔ)應(yīng)力以及傾復(fù)穩(wěn)定一般可不須計(jì)算，其主要控制條件是滑動穩(wěn)定，作用在護(hù)面上的滑動力主要有水流拖泄力、砌體自重順坡方向的分力及護(hù)面凸體產(chǎn)生的阻力；抗滑力則包括砌體自重垂直坡面的分力和水流靜壓力、護(hù)面上的上舉力和滲透壓力，其抗滑安全系數(shù)應(yīng)≥1.3~1.5即為安全。

2.消力池底板厚度應(yīng)滿足抗浮穩(wěn)定要求，由于底板四面邊界的約束作用，一般沒有滑動問題，因此僅需對其抗浮要求進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。作用在底板上的上浮力包括滲透壓力、脈動壓力、底板上凸出體產(chǎn)生的上舉力，以及下游消力池水深與水躍段內(nèi)壓力差?？垢×Πǖ装宓母≈睾偷装迳系乃兀淇垢“踩禂?shù)≥1.3~1.5即為安全。

3.挑流鼻坎的尺寸應(yīng)滿足滑動穩(wěn)定、傾復(fù)穩(wěn)定和答應(yīng)的基礎(chǔ)應(yīng)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，挑流曲面離心力的垂直分力；向上的垂直力包括脈動力、滲透壓力、鼻坎下游尾部形成的上浮力、以及鼻坎上凸出體產(chǎn)生的上舉力。作用于鼻坎的水平推力包括水流的拖泄力，挑流時其鼻壩曲面離心力的水平分力，以及鼻坎上凸出體產(chǎn)生的水平分力。按一般力學(xué)方法計(jì)算鼻坎的滑動與傾復(fù)穩(wěn)定時其要求抗滑安全系數(shù)≥1.3~1.5，抗傾安全系數(shù)≥1.5，同時計(jì)算上述各力的合力，其作用點(diǎn)應(yīng)位于基礎(chǔ)面中三分點(diǎn)之內(nèi)，且基礎(chǔ)最大與最小應(yīng)力比值≤3~5，以避免發(fā)生不均勻沉陷。

用于宣泄規(guī)劃庫容所不能容納的洪水，保證壩體安全的開敞式或帶有胸墻進(jìn)水口的直井泄水建筑物。 溢水道一般不經(jīng)常工作， 但卻是水庫樞紐中的重要建筑物。 溢水道按泄洪標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)用情況， 分為正常溢水道和非常溢水道。 前者用以宣泄設(shè)計(jì)洪水， 后者用于宣泄非常洪水。按其所在位置，分為河床式溢水道和岸邊溢水道。

直井式溫水道按泄洪標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)用情況，分為正常直井式溫水道和非常直井式溢洪道。前者用以宣泄設(shè)計(jì)洪水，后者用于宣泄非常洪水。按其所在位置，分為河床式直井式溫水道和岸邊直井式溫水道。河床式直井式溫水道經(jīng)由壩身溢洪。岸邊直井式溫水道按結(jié)構(gòu)形式可分為：

①正槽直井式溫水道。泄槽與直井堰正交，過堰水流與泄槽軸線方向一致。

②側(cè)槽直井式溫水道。直井堰大致沿等高線布置，水流從直井堰泄入與堰軸線大致平行的側(cè)槽后，流向作近90°轉(zhuǎn)彎，再經(jīng)泄槽或隧洞流向下游。

③井式直井式溫水道。洪水流過環(huán)形直井堰，經(jīng)豎井和隧洞泄入下游。

④虹吸直井式溫水道。利用虹吸作用泄水，水流出虹吸管后，經(jīng)泄槽流向下游，可建在岸邊，也可建在壩內(nèi)。岸邊直井式溫水道通常由進(jìn)水渠、控制段、泄水段、消能段組成。進(jìn)水渠起進(jìn)水與調(diào)整水流的作用?？刂贫纬Ｓ脤?shí)用堰或?qū)掜斞撸唔斂稍O(shè)或不設(shè)閘門。泄水段有泄槽和隧洞兩種形式。為保護(hù)泄槽免遭沖刷和巖石不被風(fēng)化，一般都用混凝土襯砌。消能段多用挑流消能或水躍消能。當(dāng)下泄水流不能直接歸入原河道時，還需另設(shè)尾水渠，以便與下游河道妥善銜接。濟(jì)式溢洪道的選型和布置，應(yīng)根據(jù)壩址地形、地質(zhì)、樞紐布置及施工條件等，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

用于宣泄規(guī)劃庫容所不能容納的洪水，保證壩體安全的開敞式或帶有胸墻進(jìn)水口的直井泄水建筑物。 溫水道一般不經(jīng)常工作， 但卻是水庫樞紐中的重要建筑物。 溫水道按泄洪標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)用情況， 分為正常溫水道和非常溫水道。 前者用以宣泄設(shè)計(jì)洪水， 后者用于宣泄非常洪水。按其所在位置，分為河床式溫水道和岸邊溫水道。

直井式溢洪道按泄洪標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)用情況，分為正常直井式溢洪道和非常直井式溢洪道。前者用以宣泄設(shè)計(jì)洪水，后者用于宣泄非常洪水。按其所在位置，分為河床式直井式溢洪道和岸邊直井式溢洪道。河床式直井式溢洪道經(jīng)由壩身溢洪。岸邊直井式溢洪道按結(jié)構(gòu)形式可分為：

①正槽直井式溢洪道。泄槽與溢流堰正交，過堰水流與泄槽軸線方向一致。

②側(cè)槽直井式溢洪道。溢流堰大致沿等高線布置，水流從溢流堰泄入與堰軸線大致平行的側(cè)槽后，流向作近90°轉(zhuǎn)彎，再經(jīng)泄槽或隧洞流向下游。

③井式直井式溢洪道。洪水流過環(huán)形溢流堰，經(jīng)豎井和隧洞泄入下游。

④虹吸直井式溢洪道。利用虹吸作用泄水，水流出虹吸管后，經(jīng)泄槽流向下游，可建在岸邊，也可建在壩內(nèi)。岸邊直井式溢洪道通常由進(jìn)水渠、控制段、泄水段、消能段組成。進(jìn)水渠起進(jìn)水與調(diào)整水流的作用?？刂贫纬Ｓ脤?shí)用堰或?qū)掜斞撸唔斂稍O(shè)或不設(shè)閘門。泄水段有泄槽和隧洞兩種形式。為保護(hù)泄槽免遭沖刷和巖石不被風(fēng)化，一般都用混凝土襯砌。消能段多用挑流消能或水躍消能。當(dāng)下泄水流不能直接歸入原河道時，還需另設(shè)尾水渠，以便與下游河道妥善銜接。直井式溢洪道的選型和布置，應(yīng)根據(jù)壩址地形、地質(zhì)、樞紐布置及施工條件等，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。