淺談水庫(kù)溢洪道消能設(shè)計(jì)

鄭富春

摘要：本文對(duì)于水庫(kù)溢洪道消能工的各種型式選擇原則及方法進(jìn)行闡述，并結(jié)合工程實(shí)際對(duì)溢洪道消能設(shè)計(jì)和消能率復(fù)核的方法進(jìn)行說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)；溢洪道；消能設(shè)計(jì)

前言

溢洪道的建設(shè)是為保證水庫(kù)大壩的安全，宣泄超過(guò)規(guī)劃庫(kù)容的洪水，防止洪水溢壩，必須設(shè)置溢洪道。溢洪道下泄水流能量巨大，若不經(jīng)妥善處理，必會(huì)導(dǎo)致下游河床受到嚴(yán)重沖刷，甚至可能引起岸坡坍塌、大壩失事的災(zāi)難性后果，所以又必須設(shè)置消能設(shè)施。溢洪道消能設(shè)計(jì)主要基于能量轉(zhuǎn)換原理，通過(guò)造成水流內(nèi)部紊動(dòng)漩滾、水股之間擴(kuò)散碰撞、水流與固體邊界摩擦撞擊、水流與周圍空氣摩擦摻混等途徑，消耗水流動(dòng)能，減輕對(duì)下游河床的沖擊和破壞。《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5166-2002）在其條文說(shuō)明5.5.1條中列出了4種消能型式，即底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能。目前，水庫(kù)溢洪道使用比較多的是挑流消能和底流消能，據(jù)統(tǒng)計(jì)兩種型式比例分別達(dá)到85%和15%。隨著水利水電工程實(shí)踐的發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了一些新的消能型式，例如引入T型墩、寬尾墩、臺(tái)階式消能、多種消能型式復(fù)合等。水利工程與當(dāng)?shù)刈匀坏乩?、氣候條件、水文地質(zhì)等關(guān)系很大，因勢(shì)利導(dǎo)、因地制宜的特點(diǎn)非常突出，反映在溢洪道消能設(shè)計(jì)方面也是百花齊放、各具特色，因此如何選擇溢洪道消能型式、怎樣進(jìn)行消能防沖設(shè)計(jì)是一個(gè)常講常新的話題，本文就此進(jìn)行了分析和探討。

一、溢洪道消能型式選擇

（一）消能型式選擇原則

消能型式應(yīng)滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)原則。從技術(shù)上講，應(yīng)選擇先進(jìn)、可靠、安全、消能率高的型式，例如戽流消能雖具有消能效果好、體積小、工程量少、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)幾乎沒有溢洪道戽流消能案例[1]，理論研究和工程實(shí)踐都不成熟，所以不應(yīng)成為首選。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，工程量要小、造價(jià)適中。溢洪道是特定條件下使用的泄水建筑物，一般不會(huì)使用很頻繁，因此在保證安全可靠的前提下，沒有必要設(shè)計(jì)的過(guò)于復(fù)雜，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)選擇簡(jiǎn)潔、高效的型式，這樣有利于控制成本。

（二）消能工型式選擇方法

4種主要消能型式的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍如表1所示。

在考慮消能工型式時(shí)，主要從地形條件、地質(zhì)條件、泄流條件以及運(yùn)行方式、下游水深、河床抗沖能力、下游水流銜接、泄流霧化影響等方面綜合考慮。由表1可見，面流消能和戽流消能適用于下游水深較大的場(chǎng)合，而挑流消能和底流消能對(duì)這方面的要求不高，所以通過(guò)水利計(jì)算得到的消能所需的下游水深-單寬流量的消能率定曲線，與根據(jù)下游水位流量關(guān)系繪制的下游水深-單寬流量的尾水率定曲線進(jìn)行比較，可以判斷選擇哪一類消能型式更適合。

由于河道較寬，任何流量條件下溢洪道滿足消能所需的下游水深始終大于尾水深度。由于尾水深度不足，顯然不適合采用面流消能和戽流消能型式，所以應(yīng)在挑流消能和底流消能之間進(jìn)行選擇。再結(jié)合地質(zhì)情況，因?yàn)榈乇硪来螢楦魍翆印⒎弁翆?、?qiáng)風(fēng)化巖層和中風(fēng)化巖層，總厚度達(dá)8～15m，抗沖條件較差。再加上水頭較小，其下泄校核標(biāo)準(zhǔn)流量的挑距為31m，沖刷坑深度達(dá)11.8m，存在嚴(yán)重安全隱患，所以選擇挑流消能型式也不適合，只有選用底流消能型式了。

二、溢洪道消能防沖設(shè)計(jì)

（一）消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仍以前述水庫(kù)溢洪道為例。底流消能設(shè)計(jì)保證池內(nèi)形成穩(wěn)定的水躍是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。根據(jù)尾水深度與水躍躍后水深的關(guān)系，下泄水流可能出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)、臨界和淹沒水躍三種銜接流態(tài)。臨界水躍消能效果最高，但狀態(tài)不穩(wěn)定，可能會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍，所以要設(shè)計(jì)成一定淹沒度形態(tài)的水躍。當(dāng)淹沒度取σ=1.05～1.10時(shí)，流態(tài)穩(wěn)定，消能效率也較高[2]。為了避免遠(yuǎn)驅(qū)水躍，又不希望增加護(hù)坦長(zhǎng)度，可在護(hù)坦末端設(shè)置消力坎，也可通過(guò)降低護(hù)坦高程來(lái)形成坎前消力池，還可以將兩種措施結(jié)合起來(lái)形成綜合消力池。消力池橫斷面一般采用矩形，而且大多情況下采用等寬矩形斷面。為了適應(yīng)尾水位的變化，護(hù)坦前段可設(shè)計(jì)成斜坡形式。也可采用多級(jí)消力池形式，能較好適應(yīng)下游河床與消力池之間的高度差。當(dāng)躍前斷面平均流速不超過(guò)15m/s時(shí)，可通過(guò)設(shè)置輔助消能工增強(qiáng)消能效果，并縮短池長(zhǎng)。如設(shè)置趾墩、消力墩和尾坎。但躍前流速大于15m/s時(shí)，輔助消能工容易受到空蝕破壞，所以不適宜再采用這種型式。護(hù)坦是為了保護(hù)河床不受高速水流的沖刷破壞，所以護(hù)坦長(zhǎng)度應(yīng)能涵蓋水躍躍尾，其厚度必須滿足穩(wěn)定要求，保證不會(huì)上浮。為了提高穩(wěn)定性，可設(shè)置錨筋并插入基巖1.5～3m。護(hù)坦厚度既可等厚，也可以上游厚一些，下游薄一些。為了防止護(hù)坦混凝土開裂，應(yīng)設(shè)置溫度伸縮縫。為了減輕護(hù)坦底部揚(yáng)壓力，可設(shè)置排水系統(tǒng)。水流速度較高時(shí)，護(hù)坦應(yīng)采用抗蝕混凝土澆灌。

（二）消力池消能率復(fù)核

前述水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，其校核洪水標(biāo)準(zhǔn)是300年一遇。由于溢洪道為4級(jí)，也就是設(shè)計(jì)與校核洪水標(biāo)準(zhǔn)與水庫(kù)大壩一致，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)溢洪道來(lái)說(shuō)有些偏高，會(huì)造成一定浪費(fèi)，所以將消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)整，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)30年一遇不變，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)改為100年一遇。經(jīng)過(guò)計(jì)算，溢洪道設(shè)置2.2m深消力池，在設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，下泄洪水流量是191m3/s，單寬流量是7.64 m3/s·m。由圖2可見，此時(shí)尾水率定曲線都在消能率定曲線之上，說(shuō)明水躍完全可以被淹沒，消能效率達(dá)到100%。校核洪水狀態(tài)下，下泄洪水流量為375 m3/s，單寬流量是15 m3/s·m，尾水率定曲線與消能率定曲線有交叉，小部分尾水率定曲線在消能率定曲線之下，消能效率達(dá)到93.6%。溢洪道校核洪水標(biāo)準(zhǔn)下，下泄洪水流量為552 m3/s，單寬流量為22.1 m3/s·m，此時(shí)有更多部分的尾水率定曲線在消能率定曲線之下，但消能效率仍可達(dá)到80%。按照國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐，消能效率達(dá)到80%以上一般就能滿足安全需要，故此消力池消能率已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

三、結(jié)束語(yǔ)

水庫(kù)溢洪道消能效果關(guān)系到水庫(kù)大壩的安全，所以消能設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到消能效果好、結(jié)構(gòu)可靠、方便檢修等目標(biāo)要求。合理選擇消能型式是實(shí)現(xiàn)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)一性的前提，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是落實(shí)設(shè)計(jì)思想的重要環(huán)節(jié)，希望本文所作分析討論能對(duì)讀者有所啟發(fā)和可提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李紅艷，劉耀宗. 奈曼旗山區(qū)小型水庫(kù)溢洪道及消能工型式選擇[J]. 內(nèi)蒙古水利，2014（2）：45-46.

[2] 林繼鏞，王光綸. 水工建筑物[J]. 第5版. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.