开敞式溢洪道的设计要点作者：指导教师：摘要：本文归纳了开敞式溢洪道设计要点方面的研究内容，概括了在不同地区，不同库容，不同防洪条件下各种溢洪道的设计要点，总结了开敞式溢洪道设计中易出现的问题等研究成果，本文着重探讨目前开敞式溢洪道存在的一些问题，并从规划布局、水力计算等方面详细阐述了具有针对性的解决策略。
为完善中小型水库溢洪道设计提供一些意见和建议。
关键词：溢洪道水力计算地基处理施工要点问题分析研究开敞式溢洪道的设计合理与否，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%，故溢洪道合理的设计，在水库工程设计中是一个比较重要的环节。
一、溢洪道布置当挡水建筑物为土坝时，溢洪道应布置在坝体以外的岸边或天然垭口处，其轴线力求短而直，沿线的地质、水文地质条件较好，便于施工，并可保证运行期间溢洪道自身的安全。
根据工程的地形地质条件，溢洪道布置在水库的右岸处，该处地形较低洼，既经济又合理，一方面溢洪道整体均可放置在弱风化岩基上，从而保证工程运行安全; 另一方面可降低工程造价。
根据该处地形条件，将溢洪道设计为开敞正槽式进水，控制段设计为有底坎的宽顶堰型式。
溢洪道工程的规划布局应尽量利用有利地形地貌，即要经济合理又要保证安全。
如大坝四周有天然山坳可以布设溢洪道则最为理想，如主坝口子狭窄无法布置正堰则可考虑选择侧槽式溢洪道。
其规划布置的主要原则是：基础坚硬均一，线路短，无弯道，出口远离坝体；工程严禁布置在滑坡或崩塌体地上。
如堰体较宽则应在其横向设置温度缝与沉陷缝，其间距可按10~15m布设。
泄流段该段平面均采用直线布置，并尽量避免弯道和设置扭坡顺引流态的急骤变化甚至产生负压；其纵断面设计应因地制宜地根据地形、地质而选用缓坡、陡坡或多级跃水等多种形式；陡坡段应采用均一比降；由于泄水段流速很高，故应尽量布置在岩基上，如为非岩基则该段衬砌厚度应按答应流速与地质条件选择进行设计，一般浆砌石用0.5~1.0m，砼0.2~0.5m，钢筋砼0.15~0.3m，其坡度一般以≤1/2.5为宜。
在泄水段末端需设置消能工，对于非岩基上一般均采用底流消能，并在末端设置消力池。
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，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、溢洪道纵横剖面布置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。
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。
三、水利计算（1）侧槽的水力计算：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，侧草中水利情况十分复杂，可利用动量原理导出的差分公式逐段推求。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
四、建筑物结构设计（1）引流段为实现平顺引流，减小损失，引流段的进口形状应为喇叭口且长度不能过长。
受地形限制必须建立弯道的引流段，弯道与下游的衔接处与出口端应远离坝脚，且尽量平缓，避免水流冲刷拔脚。
矩形或者梯形截面一般是引流段截面的首选，紧接控制建筑物和坝端邻近的范围内要砌护一定长度，一般当水流速度小于 1~2m/s 时则不需要砌护，除坚硬的基石外，弯道两侧的凹岸也应砌护。
（2）控制段,近口水流应与控制段建筑物垂直，再根据地形条件设置实用断面堰或宽顶堰，以满足泄洪需要。
可根据允许单宽流量选定堰宽度，应使堰顶宽度小于或等于 3h 堰（除近口段布置有引流段外），以达到泄流均匀的目的。
为了使水流平顺，应使用渐变段进行堰口和上游引流段的连接，收缩角应控制在12b 左右。
较宽的堰体可在横向设置沉陷缝和温度缝，可按 10m~15m 间距布设。
（3）泄流段泄流段纵断面设计应根据实际的地理条件选择多级跃水、陡坡或缓坡或者等形式；泄流段平面均采用直线布置，并避免设置扭坡与弯道随着流态急骤变化，甚至造成负压；陡坡段则应使用均一比降；泄流段尽量设计在岩基之上，避免高流速冲刷，新岩基可不砌护。
布置在非岩基上的泄洪道则应根据地质条件以及允许流速进行衬砌。
若布置在松软风化岩石上必须采用 0.2m 厚的砼或者 0.3m~0.5m 的浆砌石作砌护，并且加设锚固筋。
大面积的混凝土衬砌沉陷缝与伸缩缝则应根据地质条件与温度变化来布置，可在两侧边坡设置横缝，在底部则设置纵横缝，一般间距为 8~12m，并在衬砌底部设排水反滤料。
边坡砌护的高度应适当增加，防止高速水流出现渗水后产生的冲击。
（4）消能工。
消能工一般设置在泄洪段的末端，根据水利条件和地理条件选择型式。
溢洪道尾部的跃流段最好能使其泄流方向距离坝脚 100m~150m。
一般对设置在非岩基上的溢洪道采用底流消能，并在尾部设置消力池。
若是远驱式水跃一般使用差动式消力槛形式，消力槛形式则适用于泄洪量较小的情况。
挑射消能一般使用在于设置在岩基上的溢洪道尾部有较为陡峭的边坎，这种消能形式能够省去海漫、护坦以及消力池等工程，并且具有造价低廉、工程量少等优势，在水利建设中被广泛使用。
（5）侧槽段侧槽段的布置可根据等高线将长度延伸至上游，垂直于来水方向，有侧向进流、纵向泄洪的水流特点，深槽与侧堰连接的渐变过渡段，一般收缩角度以 10~15b 为宜，长度为槽内水深的 3~5 倍。
起到避免槽内横向旋滚与波动的水流直接流入陡坡段的作用。
挑流鼻坎挑流鼻坎在泄洪时所受的动水压力按附录C.5的公式计算,其抗滑稳定分析及安全系数可与控制段相同. 挑流鼻坎顺水流向纵缝的间距可按要求采用.挑流鼻坎不宜设垂直水流向的结构缝.五、地基及边坡处理设计5.1基本要求一般规定溢洪道的地基处理设计,应结合建筑物的结构和运用特点,满足各部位对承载能力,抗滑稳定,地基变形,渗流控制,抗冲及耐久性的要求.地基处理方案,应根据工程重要性,地质条件,施工条件和运用特点等因素,通过技术经济比较确定.当地基为软弱岩石或存在规模较大,性状差的断层破碎带,软弱夹层,岩溶等缺陷时,应进行专门处理设计. 溢洪道的边坡必须保持稳定,对可能失稳的边坡应采取适当的处理措施.对地质条件复杂的高边坡尚应进行专门的研究及边坡监测设计.对易风化掉块,易软化或抗冲能力低的稳定边坡也应进行相应的防护.地基及边坡处理,应重视防渗排水设施的设计.设计排水设施应因地制宜,合理布设,便于检修,保证排水通畅.5.2地基开挖1.溢洪道的建基面,应根据建筑物对地基的要求,结合地质条件,工程处理措施等综合研究确定.重要部位的地基宜开挖至弱风化的中部至上部岩层.不衬砌的泄槽,应开挖至坚硬,完整的新鲜或微风化岩层.对易风化,易泥化的基岩,应提出相应的施工保护措施.2.对于岩层较差的地基,不宜只采用开挖满足建筑物对地基的要求,还可采取加固措施改善地基条件,并通过技术经济比较确定开挖深度.3.建筑物的基坑形状,应根据地形,地质条件及上部结构要求确定,开挖面宜连续平顺.控制段的基坑宜略向上游倾斜,若受地形地质条件限制,高差过大或略向下游倾斜时,可开挖成带钝角的台阶状.5.3固结灌浆溢洪道地基固结灌浆的范围和深度应根据岩石的破碎程度,风化深度,裂隙大小和基础应力情况确定,宜在控制段及消能建筑物地基范围内进行.基岩条件好时,可不进行固结灌浆.2 固结灌浆孔可按梅花型或方格型布置.灌浆孔方向应尽量穿过较多的裂隙.固结灌浆孔的孔距,排距,孔深应根据岩体的破碎情况,节理发育程度及基础应力综合考虑.孔距,排距宜取3~4m.孔深宜取3~5m.必要时可通过灌浆试验确定孔,排距及灌浆压力等参数.3 固结灌浆宜在混凝土浇筑后进行,灌浆压力当有混凝土盖5.4地基防渗和排水溢洪道地基的防渗,排水设计应根据工程地质和水文地质条件,建筑物的重要性及作用,建筑物的安全稳定,综合考虑防渗,排水的相互作用,确定相应措施.靠近坝肩的溢洪道,其防渗,排水布设应与大坝的防渗,排水系统统筹安排.防渗和排水设施的布设应满足下列要求：减少堰(闸)基的渗漏和绕渗.防止在软弱夹层,断层破碎带,岩体裂隙软弱充填物及其它抗渗变形性能差的地基中产生渗透破坏.降低建筑物基底的扬压力.具有可靠的连续性和足够的耐久性.防渗帷幕不得设置在建筑物底面的拉力区.在严寒地区,排水设施应防止冰冻破坏.堰(闸)基及其两岸的防渗措施,宜采用水泥灌浆帷幕,也可根据条件采用混凝土齿墙,防渗墙,水平防渗板或其组合措施.必要时应进行帷幕灌浆试验.控制段防渗帷幕的范围及深度,应遵守下列规定：当地基下存在着明显的相对隔水层时,一般帷幕应伸入到该隔水层内2~3m.相对隔水层透水率的控制标准为小于5Lu.当地基的相对隔水层埋藏较深或分布无规律时,帷幕深度除应满足要求外,无相对隔水层或地下水位较深时,帷幕延伸范围应通过渗流计算,并类比已建工程经验确定.靠近坝肩的溢洪道,其帷幕应与大坝帷幕衔接,形成整体防渗系统.远离坝肩的溢洪道,其防渗帷幕深度,伸入岸边范围可适当降低要求.防渗帷幕体透水性控制标准应与相对隔水层透水性控制标准一致,与大坝帷幕衔接的溢洪道防渗帷幕应与大坝帷幕透水性控制标准相一致.远离坝肩的溢洪道,防渗帷幕透水性控制标准可适当降低.帷幕灌浆孔宜设一排,对地质条件较差,岩体破碎,裂隙发育或可能发生渗透变形地段,可增加至两排,且与第一排灌浆孔相间布置.帷幕灌浆的孔距可取为1.5~3.0m,排距宜略小于孔距.有条件时,灌浆孔距,排距可通过灌浆试验选定.帷幕钻孔方向宜采用铅直或略向上游倾斜,应使钻孔尽量穿过岩体的层面和主要裂隙,但不宜倾向下游.5.5断层,软弱夹层及岩溶处理1、溢洪道地基范围内的断层破碎带和软弱夹层,应根据其出露部位,规模,性状,研究上部结构对地基强度,稳定,变形的要求和渗漏的影响,结合施工条件和类似工程经验,采取相应措施进行处理.2、溢洪道地基的岩溶处理应与大坝及其他建筑物岩溶处理结合进行.其处理措施应根据岩溶特点,规模,埋深,水文地质条件,充填物的物理力学性质以及对建筑物结构的影响等,选用下列不同方式：6、总结国内有关开敞式溢洪道设计的研究主要集中在型式设计、水利计算、结构计算、地基处理等方面，新型式溢洪道方面研究不足，多数研究是局部的、个案的，有关小河流面板坝土石坝的研究文献较少，特别是软基溢洪道消能防冲方面的解决办法较单一，而针对多形式溢洪道设计的研究在不同地区不同地质环境下的解决办法有重要的意义，需要深入的探索。