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摘 要：溢洪道是水库等防洪建筑物的重要组成部分，其设计的好坏直接影响到水库的安全状况。为此，本文结合工程实例，围绕溢洪道设计计算、基础处理及安全监测等方面探讨了水库溢洪道工程的设计思路，并阐述了溢洪道设计过程中的注意事项，可供设计人员参考。
关键词：溢洪道；设计计算；结构布置；安全监测
溢洪道是水利工程建设中最为常见的建筑，是水库等防洪建筑的重要设备。当水库里水位超过安全限度时，溢洪道能够发挥出排除水库存超蓄洪水的作用，使水从溢洪道向下游流出，防止水坝被毁坏，以确保水库在汛期及泄洪期间的安全。但在水库建设过程中，若溢洪道设计不合理，则容易出现侧墙混凝土脱落、伸缩缝开裂和底板破碎等质量问题，不仅影响到溢洪道的使用性能，而且对水库的安全状况也构成极大的威胁。因此，工程设计人员应做好水库溢洪道设计工作，确保水库的质量安全。
1工程概况
某水库是一座以农田灌溉为主，兼顾防洪、水产养殖等综合效益水库，主要由攔河坝、溢洪道等建筑物组成。溢洪道位于大坝右端，堰宽15.0m，堰顶高程277.00m，最大泄量21.30m3/s。
2溢洪道设计
2.1规模确定
考虑水库为中型水库，选择4m堰宽，跟国内同规模水库比较，相对较小；同时，水库洪水主要靠溢洪道宣泄，堰宽太小，溢洪道超泄能力弱，水库安全度相对较低。
2.2结构布置
引水渠长35.0m，底高程144.50m，宽8.0m。
进口平直段采用钢筋混凝土“U”型槽结构，长12.0m，底板顶高程144.50m，净宽8.0m，墙顶高程150.90m。
闸室段采用钢筋混凝土“U”型槽结构，总净宽8m，分1孔，闸室顺水流方向长15m。采用驼峰堰，堰顶高程145.50m，边墩宽1.5m，墩顶高程150.90m。设平板工作门与平板检修门，均采用卷扬式启闭机。墩顶设交通桥，宽6.0m，桥面高程150.90m。边墩与山体间设一道钢筋混凝土刺墙，墙顶高程为150.90m，刺墙底部位于弱风化花岗岩，刺墙下布置帷幕灌浆，与闸室帷幕灌浆连接成整体。
陡坡段长72m，起点高程142.98m，断面为矩形，底宽8m，陡坡比降1∶5，陡坡两侧为衡重式挡墙，挡墙顶高程按陡坡水面线加掺气高度和超高后确定，陡槽底部为钢筋混凝土底板，挡墙后及底板下布置排水系统。
挑流段长15m，反弧半径10m，挑角20°，鼻坎顶高程127.00m。尾水渠长663m，起点底高程125.50m，比降1∶500，宽8.0m。
2.3设计计算
2.3.1堰型设计
堰型采用驼峰堰，根据定型设计水头和堰高关系，选择a型堰面曲线，上游堰高1.0m，中圆弧半径2.5m，上下圆弧半径6.0m。
2.3.2泄流能力计算
泄流能力计算采用《溢洪道设计规范》（SL253-2000）中，开敞式驼峰堰的泄流能力公式计算：
Q=mεB槡2gH03/2ε=1-0.2[ζk+（n-1）ζ]0H0nbm=0.385+0.171（P/H0）0.657（1）
式中：Q为流量，m3/s；B为溢流堰总净宽，B=8m；n为闸孔数目，n=1；g为重力加速度，m/s2；H0为计入行近流速水头的堰上总水头，m；ζk为边墩形状系数，取ζk=0；ε为闸墩侧收缩系数；m为流量系数。
经计算：设计情况，Q计算=106m3/s，Q设计=93m3/s；校核情况Q计算=179m3/s，Q设计=155m3/s，泄洪能力满足设计要求。
2.3.3泄槽水面线计算
泄槽水面线根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式为：
式中：Δ1-2为分段长度，m；h1、h2为分段始、末断面水深，m；v1、v2为分段始、末断面平均流速，m/s；、为流速分布不均匀系数，取1.05；i为泄槽底坡，i=1：5；θ为泄槽底坡角度；n为泄槽槽身糙率系数；为分段平均流速，m/s；为分段平均水力半径，m；为分段内平均摩阻坡降。
起始断面水深h1可按下式计算：
式中：q为起始计算断面单宽流量，m3/（s·m）；H0为起始计算断面渠底以上总水头，m；θ为泄槽底坡角度；为起始计算断面流速系数，取0.95。计算结果见表1。
表1泄槽水面线计算成果表
2.3.4挑流消能计算
挑流水舌外缘挑距按下式计算：
（4）
式中：L为自挑流鼻坎末端起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m；θ为挑流水舌水面出射角，取θ=20°；h1为挑流鼻坎末端法向水深，m；h2为鼻坎坎顶至下游河床高程差，m；v1为鼻坎坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍计。
鼻坎平均流速按下式计算：
式中：v为鼻坎末端断面平均流速，m/s；Z0为鼻坎末端断面水面以上的水头，m；为流速系数；为泄槽沿程损失，m；hj为泄槽各项局部损失水头之和，m；S为泄槽流程长度，m；q为泄槽单宽流量，m3/（s·m）。
冲刷坑最大水垫深度按下式计算：
式中：T为自下游水面至坑底最大水垫深度，m；q为鼻坎末端断面单宽流量，m3/（s·m）；Z为上、下游水位差，m；K为综合冲刷系数，取k=1.1。计算结果见表2。
表2挑流计算成果表
冲坑上游坡比为1∶3.7，能够满足规范要求。
2.3.5控制段稳定分析
堰基底面的抗滑稳定安全系数按下列抗剪断强度公式计算：
式中：K为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；fˊ为堰体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数，取fˊ=0.8；cˊ为堰体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力，取cˊ=0.7Mpa；ΣW为作用于堰体上的全部荷载对计算滑动面的法向分量；ΣP为作用于堰体上的全部荷载对计算滑动面的切向分量；A为堰体与基岩接触面的截面积。
计算了工程完建期、正常蓄水位挡水和校核洪水泄洪三种工况，成果见表3。
表3闸室稳定计算成果表
根据《溢洪道设计规范》（SL253—2000）要求，按抗剪断强度公式计算的允许最小安全系数，基本组合〔K〕=3.0，特殊组合〔K〕=2.5，计算结果均大于规范允许最小值，闸室抗滑稳定能够满足设计要求。
3基础处理和排水
溢洪道基础为弱风化花岗岩，考虑在闸室及刺墙下布置一排帷幕灌浆，并向两侧山体各延伸8m，拟定帷幕灌浆的孔距为1.5m，深度为8.0m。根据物探成果，有2条构造破碎带分别位于闸室、陡坡段，采用回填混凝土塞的方法处理。
为减弱闸室基底扬压力，在帷幕灌浆下游3m处设置一排排水孔，孔深5m，孔距1.5m。为减弱渗水对陡坡段底板和边墙的渗透压力，在底板底部和挡土墙后设置纵横沟槽式碎石排水，构成纵横排水系统，纵向排水通向挑流鼻坎下面，将渗水排向下游。
4安全监测
4.1变形监测
包括垂直、水平位移监测，共设置位移观测点10个，两岸设4个工作基点和4个校核基点。
4.2渗流监测
选择闸室轴线布置1个渗流观测断面，共设置4支渗压计（扬压力计），用来监测溢洪道的扬压力。
4.3水位观测
分别在堰前、闸室段、陡坡段及出口段设水尺以观测水位，共设水尺5根。
5 结语
在水利工程建设中，水库溢洪道设计质量的好坏直接影响到水库投入使用后的安全状况。因此，工程设计人员应加强水库溢洪道设计工作的力度，做好堰高和堰宽的选择、泄洪能力计算、挑流效能计算和安全监测等方面的工作，同时积极学习国内外成熟的溢洪道设计经验，不断提高工程设计水平，以确保溢洪道设计达到工程的需要。
参考文献
[1] 蔡忠平.水利水电工程中的水库溢洪道设计[J].建筑与文化，2012年第07期
[2] 王振业.浅谈中小型水库的溢洪道设计[J].建筑科技与管理，2011年第12期
关键词：溢洪道；设计计算；结构布置；安全监测
溢洪道是水利工程建设中最为常见的建筑，是水库等防洪建筑的重要设备。当水库里水位超过安全限度时，溢洪道能够发挥出排除水库存超蓄洪水的作用，使水从溢洪道向下游流出，防止水坝被毁坏，以确保水库在汛期及泄洪期间的安全。但在水库建设过程中，若溢洪道设计不合理，则容易出现侧墙混凝土脱落、伸缩缝开裂和底板破碎等质量问题，不仅影响到溢洪道的使用性能，而且对水库的安全状况也构成极大的威胁。因此，工程设计人员应做好水库溢洪道设计工作，确保水库的质量安全。
1工程概况
某水库是一座以农田灌溉为主，兼顾防洪、水产养殖等综合效益水库，主要由攔河坝、溢洪道等建筑物组成。溢洪道位于大坝右端，堰宽15.0m，堰顶高程277.00m，最大泄量21.30m3/s。
2溢洪道设计
2.1规模确定
考虑水库为中型水库，选择4m堰宽，跟国内同规模水库比较，相对较小；同时，水库洪水主要靠溢洪道宣泄，堰宽太小，溢洪道超泄能力弱，水库安全度相对较低。
2.2结构布置
引水渠长35.0m，底高程144.50m，宽8.0m。
进口平直段采用钢筋混凝土“U”型槽结构，长12.0m，底板顶高程144.50m，净宽8.0m，墙顶高程150.90m。
闸室段采用钢筋混凝土“U”型槽结构，总净宽8m，分1孔，闸室顺水流方向长15m。采用驼峰堰，堰顶高程145.50m，边墩宽1.5m，墩顶高程150.90m。设平板工作门与平板检修门，均采用卷扬式启闭机。墩顶设交通桥，宽6.0m，桥面高程150.90m。边墩与山体间设一道钢筋混凝土刺墙，墙顶高程为150.90m，刺墙底部位于弱风化花岗岩，刺墙下布置帷幕灌浆，与闸室帷幕灌浆连接成整体。
陡坡段长72m，起点高程142.98m，断面为矩形，底宽8m，陡坡比降1∶5，陡坡两侧为衡重式挡墙，挡墙顶高程按陡坡水面线加掺气高度和超高后确定，陡槽底部为钢筋混凝土底板，挡墙后及底板下布置排水系统。
挑流段长15m，反弧半径10m，挑角20°，鼻坎顶高程127.00m。尾水渠长663m，起点底高程125.50m，比降1∶500，宽8.0m。
2.3设计计算
2.3.1堰型设计
堰型采用驼峰堰，根据定型设计水头和堰高关系，选择a型堰面曲线，上游堰高1.0m，中圆弧半径2.5m，上下圆弧半径6.0m。
2.3.2泄流能力计算
泄流能力计算采用《溢洪道设计规范》（SL253-2000）中，开敞式驼峰堰的泄流能力公式计算：
Q=mεB槡2gH03/2ε=1-0.2[ζk+（n-1）ζ]0H0nbm=0.385+0.171（P/H0）0.657（1）
式中：Q为流量，m3/s；B为溢流堰总净宽，B=8m；n为闸孔数目，n=1；g为重力加速度，m/s2；H0为计入行近流速水头的堰上总水头，m；ζk为边墩形状系数，取ζk=0；ε为闸墩侧收缩系数；m为流量系数。
经计算：设计情况，Q计算=106m3/s，Q设计=93m3/s；校核情况Q计算=179m3/s，Q设计=155m3/s，泄洪能力满足设计要求。
2.3.3泄槽水面线计算
泄槽水面线根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式为：
式中：Δ1-2为分段长度，m；h1、h2为分段始、末断面水深，m；v1、v2为分段始、末断面平均流速，m/s；、为流速分布不均匀系数，取1.05；i为泄槽底坡，i=1：5；θ为泄槽底坡角度；n为泄槽槽身糙率系数；为分段平均流速，m/s；为分段平均水力半径，m；为分段内平均摩阻坡降。
起始断面水深h1可按下式计算：
式中：q为起始计算断面单宽流量，m3/（s·m）；H0为起始计算断面渠底以上总水头，m；θ为泄槽底坡角度；为起始计算断面流速系数，取0.95。计算结果见表1。
表1泄槽水面线计算成果表
2.3.4挑流消能计算
挑流水舌外缘挑距按下式计算：
（4）
式中：L为自挑流鼻坎末端起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m；θ为挑流水舌水面出射角，取θ=20°；h1为挑流鼻坎末端法向水深，m；h2为鼻坎坎顶至下游河床高程差，m；v1为鼻坎坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍计。
鼻坎平均流速按下式计算：
式中：v为鼻坎末端断面平均流速，m/s；Z0为鼻坎末端断面水面以上的水头，m；为流速系数；为泄槽沿程损失，m；hj为泄槽各项局部损失水头之和，m；S为泄槽流程长度，m；q为泄槽单宽流量，m3/（s·m）。
冲刷坑最大水垫深度按下式计算：
式中：T为自下游水面至坑底最大水垫深度，m；q为鼻坎末端断面单宽流量，m3/（s·m）；Z为上、下游水位差，m；K为综合冲刷系数，取k=1.1。计算结果见表2。
表2挑流计算成果表
冲坑上游坡比为1∶3.7，能够满足规范要求。
2.3.5控制段稳定分析
堰基底面的抗滑稳定安全系数按下列抗剪断强度公式计算：
式中：K为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；fˊ为堰体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数，取fˊ=0.8；cˊ为堰体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力，取cˊ=0.7Mpa；ΣW为作用于堰体上的全部荷载对计算滑动面的法向分量；ΣP为作用于堰体上的全部荷载对计算滑动面的切向分量；A为堰体与基岩接触面的截面积。
计算了工程完建期、正常蓄水位挡水和校核洪水泄洪三种工况，成果见表3。
表3闸室稳定计算成果表
根据《溢洪道设计规范》（SL253—2000）要求，按抗剪断强度公式计算的允许最小安全系数，基本组合〔K〕=3.0，特殊组合〔K〕=2.5，计算结果均大于规范允许最小值，闸室抗滑稳定能够满足设计要求。
3基础处理和排水
溢洪道基础为弱风化花岗岩，考虑在闸室及刺墙下布置一排帷幕灌浆，并向两侧山体各延伸8m，拟定帷幕灌浆的孔距为1.5m，深度为8.0m。根据物探成果，有2条构造破碎带分别位于闸室、陡坡段，采用回填混凝土塞的方法处理。
为减弱闸室基底扬压力，在帷幕灌浆下游3m处设置一排排水孔，孔深5m，孔距1.5m。为减弱渗水对陡坡段底板和边墙的渗透压力，在底板底部和挡土墙后设置纵横沟槽式碎石排水，构成纵横排水系统，纵向排水通向挑流鼻坎下面，将渗水排向下游。
4安全监测
4.1变形监测
包括垂直、水平位移监测，共设置位移观测点10个，两岸设4个工作基点和4个校核基点。
4.2渗流监测
选择闸室轴线布置1个渗流观测断面，共设置4支渗压计（扬压力计），用来监测溢洪道的扬压力。
4.3水位观测
分别在堰前、闸室段、陡坡段及出口段设水尺以观测水位，共设水尺5根。
5 结语
在水利工程建设中，水库溢洪道设计质量的好坏直接影响到水库投入使用后的安全状况。因此，工程设计人员应加强水库溢洪道设计工作的力度，做好堰高和堰宽的选择、泄洪能力计算、挑流效能计算和安全监测等方面的工作，同时积极学习国内外成熟的溢洪道设计经验，不断提高工程设计水平，以确保溢洪道设计达到工程的需要。
参考文献
[1] 蔡忠平.水利水电工程中的水库溢洪道设计[J].建筑与文化，2012年第07期
[2] 王振业.浅谈中小型水库的溢洪道设计[J].建筑科技与管理，2011年第12期