摘要：中低水头溢洪道对于中小水利工程具有十分重要的作用，因此，其设计应当得到高度的重视。本文着重对中低水头水利工程溢洪道设计展开讨论，以期能给相关从业者提供参考和帮助。
关键词：中低水头；水利工程；溢洪道；设计
引言：在中小型水利工程中，中低水头溢洪道是十分常见的设计之一，主要发挥着泄洪、保护工程安全的重要作用。如何设计出可靠的溢洪道，是工程技术人员常常需要应对的难题。本文将对设计过程中的一些问题展开讨论，充分结合工程设计的相关实际经验，从以下几点给出有效的解决。在实际设计过程中，还应当充分结合工程的实际状况，从而做出更加科学的设计，发挥溢洪道的作用。
一、溢洪道布置。
通常溢洪道的布置，是建立在工程总体考虑的基础之上的，结合枢纽设计、工程的现场地形环境、地质条件等因素来综合考虑。实际设计过程中，常常选用相对水利条件较为稳定的河水下游，并且石方开挖和防护工程较为简捷的地段。比如在设置混凝土大坝的时候，通常在原河道布置溢洪道。如果地形条件有限，也可以将前期施工所用的导流隧道改造，将其变成龙抬头后发挥泄洪道的作用。
二、溢洪道整体设计。
溢洪道的整体设计，通常包括进口引渠设计，确定堰型，决定定型龙头，确定最大过闸水深，以及泄漕段设计。
（一）确定进口引渠。
进口引渠其主要功能是实现上游之水能够平稳到达溢流堰，因此其最重要的两个控制因素就是宽度和流速。通常为了使水流尽量平稳且顺畅，降低水头损失，往往选用喇叭口进口段，但是需要科学确定该段的长度，不能过长。在条件允许的情况下，引渠段可以不需要衬砌，只要做好溢流堰的护坦工作即可。如果引渠的设计在某种条件限制下，只能是弯曲设计时，必须注意要重视转弯半径的设计，确保符合工程规范；对于引渠长度的设计，要充分考虑坝脚的位置，一定要减少水流对坝脚的淘刷。此外，两侧的坝脚必须确保拥有良好的导墙防护。
（二）确定堰型。
在选取溢洪道适当的位置之后，要从水利工程的等级出发，充分考虑水利工程的洪水流量、水位流量关系曲线等等，并且与工程的实际状况相结合，决定堰型，并且确定是否需要设置闸门。如果工程处在较为偏远的地方，环境状况不佳，且水流量不大的地区，则可以不需要设置闸门。如果工程对于灌溉有很大的作用，或者溢流坝的宽度受到限制，必须设计闸门。
一般选用宽顶堰、驼峰堰或者WES实用堰，作为控制堰的堰型。
对于需要设计闸门，且水流相对不大的堰型，选择宽顶堰较为合适。宽顶堰相对来说，其结构不算复杂，并且施工也相对简便，但是对于溢流前缘需要较长。对于地形位置相对平缓的溢洪道设计，因为其高程较为合适，因此比较适合选用宽顶堰。驼峰堰是在我国水利科技发展过程中，水利专家结合我国水利状况，自发研究出的堰型，与宽顶堰相比，驼峰堰其泄流能力更大，并且堰前较少发生淤积情况，对于河道泥沙含量较高的河段，选用驼峰堰则更加适宜。对于实用堰的选择，需要对溢流堰的整体和工程总投资进行平衡考虑，并且要对于高低堰有详细的评估。高堰具有较强的泄流能力，但是对于宽度要求更大，因此对于基岩有更高的承载力要求，需要较深的下挖的深度，总体工程量较大；低堰的总体工程量相对较小，但是对于溢流前缘有更大的宽度需求。如果不考虑地质条件，通常来说，洪水流量不大的工程，选用无闸低堰更加适用；洪水流量较大的工程，则选择在河床中央设计高堰溢流坝更加适合。
如果设计的溢洪道不需要闸门，并且在地质条件状况较好的情况下，可以选用WES实用堰。WES实用堰具有更强的过流能力，并且对于溢流堰的总净宽的需求较小。低水头的溢流堰，负压相对不大，可以选用折线实用堰，或者2-3段圆弧来简化施工量。
（三）决定定型龙头，确定最大过闸水深。
确定最大过闸水深与定性龙头是一项需要综合考虑的问题。对于设置闸门的溢洪道，在软基环境下，通常采用宽顶堰或驼峰堰，最大过闸水深与闸孔总净宽之间相互抑制，此消彼长。其具体关系是，过闸水深越低，则闸孔总净宽越大，反之亦然。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，对于软基环境，如果最大过闸水深增加，则堰顶高程就能够得到降低，从而使过闸单宽流量加大，闸室总宽度缩小，从而使得工程量减少，工程投资能够进一步降低。
在运用实用堰的过程中，上游堰高与定型水头之比（P1/Hd），也就是相对堰高，上游水位与定型水头之比（H0/Dd），也就是相对水位，二者之间的变化将决定着流量系数的变化。
因此，首先要通过校核洪水位下洪水的上下游水位流量关系，对实用堰究竟是高堰还是低堰做出明确的判断。相关规定如下，相对堰高大于1.33的时候，则为高堰；相对堰高小于1.33，则为低堰；其中，如果相对堰高在0.60到1.00之间的时候，可以视之为中高堰，中高堰的泄流能力与高堰没有太大的差别，在洪水流量较大的情况下比较适用；如果洪水流量较小，可以采用相对堰高在0.30到0.60之间的相对较低的堰高，但是最低不能够低于0.30。
相对堰高于流量系数之间的关系，在水力计算手册中有较为详细的分析，这里不做赘述。但是要注意，相对堰高于流量系数之间的关系，和同一相对堰高下不同上游水位的流量系数变化之间略有不同。
定型水头的选用，可以参考有关规范。对于上游堰高大于1.33的高堰，定型水头可以选用（0.75-0.95）范围，对于上游堰高小于1.33的低堰，定型水头选取（0.65-0.85）范围。
（四）决定泄漕段。
通常来说，泄槽段的轴线尽量保持直线，避免弯道设计。泄槽段的坡度要充分考虑地形、地质条件的影响。一旦泄槽段必须变化坡度的时候，必须采用先缓后陡的模式，并且保证陡坡段确实被设置在岩基之上；当泄槽段必须要设置弯道时，必须将弯道设置在水流量较小，水流平缓，流速不大，且得到坡度平缓的上游位置。
泄槽段的横截面，最好设计成为矩形界面，也就是边墙设计成为直立状态。泄槽段底板使用浆砌石或者混凝土方式，厚度通常在300-500mm之间，并且要特别设计锚筋。此外，要充分考虑排水的影响。通常泄槽底板底部的排水可以设计成为横纵交织的暗排方式，也可以在地板设计排水孔，运用直接排水方式。
三、消能方式的设计。
泄槽末端的消能方式，应当充分考虑地形状况，地质条件来综合决定。通常中低水头工程，单宽流量较小，可以运用底流消能的方式，这种方式对于衔接流态有较好作用；如果泄槽下游的岩基较好，并且比降较大，可以运用挑流消能的方式，这种方式能够让消能工程量有效降低。如果运用底流消能的方式，对于软基基础或单宽流量不大的工程，应当使用护坦保护，从而有效降低下游冲刷。
挑流消能的设计，尽管能够降低工程量，减少工程投入，但是在实际设计过程中，要注意对沿岸建筑和岸坡的保护。
四、设计相关注意事项。
溢洪道的实际，很多时候取决于地质条件。对于较为偏远的山区，可以采用无闸溢洪道设计，也是出于运行比较简单的考虑。然而，对于流量相对较大的工程，必须设计总净宽较大的溢流堰。
定型水头的设计，需要反复的试算才能得到更加合理的方案。通常较高的定型水头，存在着堰型较肥，工程量过大的问题；如果选用较低的定型水头，则必须综合考虑洪水流量，以及工程等级等等。
泄槽底板的设计，要综合考虑基础、流速、坡度等诸多条件。速度较低的水流段必须重视排水问题，流速较高的水流段，要重视水流冲刷问题。
五、结语
中低水头水利工程溢洪道设计，需要从各个方面综合考虑。本文从几个方面分析了在设计过程中需要重点面对的问题，希望能够给相关工程的设计者提供借鉴，以保障工程的安全性、经济性和实用性。
参考文献：
[1] SL 253-2000，溢洪道设计规范[S].
[2] SL 252-2000，水利水电工程.等级划分及洪水标准[S].
[3]云口水电站溢洪道水工模型试验报告[R].武汉大学，2013.
论文作者:徐珊
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/17
标签：溢洪道论文; 水头论文; 工程论文; 流量论文; 水利工程论文; 水流论文; 条件论文; 《基层建设》2019年第26期论文;