小水库加固设计中溢洪道优化设计探讨
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摘要：小水库的加固设计中的溢洪道设计影响到相应水库的安全和整体的运行和发展，从而溢洪道的设计将对小型水库的运行和发展造成相应的影响。通过对小水库中溢洪道的优化设计实现了对相应水库建设的持续发展模式，从而通过对小水库加固设计中的溢洪道的问题进行分析实现了对小型水库溢洪道的优化设计。
关键字：小水库；加固设计；溢洪道；优化设计
小水库的溢洪道是小水库建设工程中的主要建筑，同时也能实现小型水库的防洪蓄能力的总体掌控，从而切实保证水库周边的有效运作发展。溢洪道在水库的建设和发展过程中承受着宣泄洪水，防止洪水漫溢、保障水库大坝的安全等重要的作用，从而直接作用与水库的安全和稳定的性能。由于溢洪道的设计和优化，不断建设了持续发展的水库的溢洪道的设计和发展模式。
一、溢洪道设计在小型水库建设中的重要性
溢洪道的合理布局与选型，不但直接关系到小型水库的安全，而且关系到整个工程的造价，同时还影响着水库建成投入使用后的运行状况。河岸式溢洪道是溢洪道在坝体之外的河岸上修建的。当拦河坝采用的是土石坝结构时，几乎都要建设河岸溢洪道。在土石坝结构的小型水库建设中，一般溢洪道占据了整个水库枢纽工程造价的25%~30%。因此，溢洪道的设计问题，在小型水库工程设计中显得异常重要，绝对不能掉以轻心。
二、小型水库溢洪道设计中存在的问题
1．溢洪道设计尺寸过小
小型水库因为极易受到工程造价的限制，其设计时应对洪水的标准可能会设置得过低，所参考的洪峰与洪量等洪水数据也偏低。因此，造成溢洪道设计的尺寸过小，一旦周边的岩体出现风化坍落，就会造成泄洪渠淤积，导致水库的泄流能力不足。
2．溢洪道进出口段距坝身过近
一些小型水利工程的溢洪道进出口段往往距离坝身很近，坝肩和溢洪道之间只有单薄的山脊相隔。进口段如果没有采取有效的护砌措施，泄洪时一旦出现冲刷，就会危及到坝肩的安全。还有一些工程将陡槽末端和坝脚紧贴在一起，如果出现横流冲刷，就会危害到坝脚的安全。以上这些情况都对大坝的运行安全构成了威胁。
3．溢洪道平面弯道半径过大或收缩过剧
有的溢洪道在设计时，平面弯道半径过大或收缩过剧，这对泄流极为不利，尤其是在溢洪道陡坡段布置中有弯道时，因为弯道流态、流势容易出现剧烈的变化，可能会导致两岸出现水面差，此时凹岸的水面壅高，会在下游衔接的平直段内出现折冲水流，这将大大影响泄流的能力与消能的效果。
4．溢洪道陡坡比降太陡
溢洪道设计过程中容易出现的问题容易具有较高的陡坡比降。溢洪道杂布置在了非岩性，并且在相应工程的底部未实施有效的反滤衬砌，一旦溢洪道渗水后将产生滑坡的现象，同时陡坡比降太陡也将造成了水库结构的不够稳定，容易出现陡坡过陡或是衬砌厚度偏薄等现象。难以建立稳定的水库的加固系统，水库的运行的稳定性也难以得到保证。
5．水力设计方法不科学
在溢洪道的设计中，部分小型水库的水力设计方法还不够科学严谨。比如，在溢洪道进口布置有引洪平流段的时候，在水力计算中忽略了平流段时进口水位的壅高，但是实际中壅高有时会比较大，这就不能忽略。同时，有些设计者对溢洪道消能工的设计考虑不细致，有可能出现型式选择不当的情况，造成消力池的长度与深度无法满足实际需要，进而导致消能不充分，造成下游河段出现严重冲刷现象。
6．未充分考虑泄洪特点及基础特性
一些水利工程在结构设计中对泄洪的特点及基础特性缺乏充分的考虑。溢洪道下泄的高速水流往往都有极强的冲击力，造成急流的掺气与脉动现象十分突出，经常会出现剧烈的震动。一些溢洪道采取的是低标号浆砌石，或是混凝土砌护，而且砌护厚度和边坡砌护的高度都无法适应结构稳定的要求，所以无法抵御高速水流的大力冲刷。一些非岩基上的溢洪道在设计时，其底部未能设置反滤排水设备，很容易出现崩陷。还有一些大面积圬工混凝土衬砌中，因为没有设置伸缩沉降缝，容易导致溢洪道衬砌出现裂缝，以上这些都有可能导致工程安全受到影响。
三、解决小型水库溢洪道设计问题的对策
1、建立科学规划的溢洪道设计
在小型水库的溢洪道工程规划布局阶段，要充分利用工程所在地的地形、地貌等，不但要做到经济合理，而且又要确保安全。比如，大坝附近如果有天然山坳，就能通过自然的地势和特点实现了溢洪道的设计。同时，工程应严禁布置在滑坡、崩塌体之上，以便排除危险。溢洪道一般由引流段、控制段、泄流段和消能工等四部分组成的，现分别展开分析。
溢洪道的引流段，又被称为进口段。为建立平顺的进口形状，可将其设计为喇叭口，从而能尽量减少损失，并且应布置适当的长度。溢洪道的控制段，也被称为堰流段。为建立均匀的泄流，能实现对进口水流的垂直于控制段地建筑，从而能根据地形设计宽顶堰或是断面堰，具体宽度可根据单位流量确定。溢洪道的泄流段，又称为陡坡段、急流段。泄流段的平面都应采取直线布置的方式，要尽量避免弯道与设置扭坡，以避免产生负压。其纵断面的设计则要因地制宜地按照地形与地质选用缓坡、陡坡或多级跃水等形式。溢洪道的消能工。在泄水段的末端，可根据需要来设置消能工，具体选择型式可依据地形、地质与水力条件的要求来确定。
2、加强各环节的水利计算
通过对各环节的水利计算能有效实现对相应水库的设计和优化，同时对目前溢洪道系统建立和奠定了科学的优化设计模式。通过自下游控制断面，向上游反推，求水面曲线的方法进行计算。在引流段进口处，应先计算水位的壅高，随后才能求得泄洪后的正确水位。具体的计算过程中，可加强控制段水力计算。根据溢流堰水力计算设计规范的建议方法进行计算，使用准确的水流系数，从而能切实反映水库的基本特征。还可加强泄流段陡槽水力计算。计算陡槽段水面曲线的的方式是多样的，可根据具体的水库情形进行有效计算。还可加强消能设施水力计算。选择和合适的算法后还应对计算的结构建立有效的模型进行验证，从而能建立最为合适溢洪道的设计。还应加强侧槽段水力计算。由于计算对溢洪道的优化设计具有较为重要的作用，从而在数据的设计和算法的选择上都应合适，从而保证优化设计的适应性。
3、注重各部分的结构计算
陡坡护砌厚度要满足滑动安全。在设计了伸缩缝沉降缝之后，坡面砌护类似于大面积的薄板，所以对基础应力及倾覆稳定，一般都可以不进行计算，其主要控制条件为滑动稳定。作用在护面之上的滑动力主要是水流拖泄力、砌体自重顺坡方向分力和护面凸体所形成的阻力。抗滑力主要有砌体自重垂直坡面分力、水流静压力、护面上举力及渗透压力，应建立适合的抗滑系数。
消力池底板厚度要满足抗浮稳定的需要。因为底板四周边界存在约束作用，一般都没有滑动的问题，所以只需要对其抗浮要求做出稳定计算。作用在底板上的上浮力主要有渗透压力、脉动压力、底板上凸出体所形成的上举力、下游消力池水深和水跃段内的压力差。
挑流鼻坎的尺寸要满足滑动稳定、倾覆稳定及允许的基础应力。作用在鼻坎上向下的垂直力主要有鼻坎自重、鼻坎上的水重及挑流曲面离心力垂直分力等。向上的垂直力主要有脉动力、渗透压力、鼻坎下游尾部的上浮力和鼻坎上凸出体的上举力等。作用在鼻坎上的水平推力主要有水流拖泄力、挑流时鼻坝曲面离心力的水平分力等。
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