水庫消能設施的選擇與設計

□董明玥（營口市水利勘測建筑設計院）

水庫消能設施的選擇與設計

□董明玥（營口市水利勘測建筑設計院）

近年來各地開展了不少小型水庫除險加固工程項目，對水庫大壩、溢洪道、輸水洞等進行加固維修，其中由于消能設施設計洪水標準較低易出現(xiàn)損壞，常常被列入除險加固設計中。文章以楊堡水庫為例，詳述了小型水庫消能設施的選擇與設計過程，為其他相關工程提供經驗與參考。

小型水庫；除險加固；溢洪道；消能

1 概述

溢洪道是泄水建筑物的一種，用于宣泄水庫中多余的洪水，如果消能措施不當，下游河床和岸坡會遭受沖刷，嚴重的甚至會危及溢洪道和大壩安全。溢洪道按其所在位置的不同分為河岸式與河床式兩種。小型水庫多為河岸式溢洪道，一般采用底流消能或挑流消能，也可采用面流、戽流等其他形式。

2 工程概況

楊堡水庫位于蓋州市楊運鎮(zhèn)三道溝屯熊岳河上游右岸支流上。庫區(qū)流域面積3.80 km2，壩址以上河道長2.22 km，河道平均比降為136.00‰，是一座灌溉、防洪等綜合利用的?。?）型水庫。水庫于1976年在初步設計的基礎上動工興建，并于1979年汛末攔蓄洪水，為了提高防洪標準，于1980年對水庫進行續(xù)建維修，之后投入正常使用。由于水庫年久失修，加上洪水破壞，近年來溢洪道泄槽段及消能設施損毀嚴重，需要重新設計維修。

3 消能方案的選擇

楊堡水庫溢洪道包括引水渠、平底槽、泄槽、消能防沖設施及出水渠五部分。溢洪道兩側為山體巖石邊坡，巖石裸露，基礎為強風化千枚巖。水庫所在地區(qū)為山區(qū)、丘陵區(qū)，消能防沖設計洪水標準取10 a一遇，洪水泄流量36.83 m3/s。

3.1 底流消能與挑流消能的選擇

小型水庫的消能設施主要采用底流消能和挑流消能。

底流消能是一種利用水躍進行消能的傳統(tǒng)方式，具有流態(tài)穩(wěn)定、消能效果好、對地質條件和尾水水位變化適應性強、泄洪霧化輕微等優(yōu)點，可用于中低水頭各種地基上溢洪道，但由于消力池幾何尺寸較大，因而造價較高。挑流消能是利用挑流鼻坎將下泄的高速水流挑射到距建筑物較遠的地方進行消能的方式，可用于巖基的中高水頭樞紐，結構簡單、工程量小，當溢洪道下游地質條件較好、河道抗沖刷能力較強時，采用這種消能方式是比較經濟合理的。

楊堡水庫溢洪道上下游最大水頭差為18.50 m，屬于中低水頭建筑物。下游段基礎為強風化千枚巖，巖體破碎，抗沖刷能力不強，且消能出口距壩腳較近，泄洪時可能會危及大壩安全所以不適合采用挑流消能，加之水庫現(xiàn)狀為底流消能，所以選定底流消能方案。

3.2 消力池與跌水的選擇

現(xiàn)狀泄槽末端位置較高與下游形成跌坎，底流消能方案可采用消力池和跌水兩種方案。

3.2.1 消力池方案

因泄槽末端需直接觸及消力池底，將泄槽段拆除后沿表層向下開挖，泄槽段坡度由1:2.63變?yōu)?：2.31，消力池的長度與深度采用中等寬矩形斷面公式計算。

自由水躍共軛水深h2可按下式計算：

式中：h1為收縮斷面水深，m；Fr1為收縮斷面弗勞德數；v1為收縮斷面流速，m/s；h2為自由水躍共軛水深，m。

水躍長度L按下式計算：

池長、池深可按下式公式計算：

式中：d為池深，m；σ水躍淹沒度，取1.05；ht為消力池出口下游水深，下游尾水渠設計標準為10 a一遇為，按明渠均勻流公式推求，水深為0.83 m；Q為設計流量，取36.83 m3/s；b為消力池寬度，取11.80 m；?為消力池出口段流速系數，取0.95；ΔZ為消力池尾部出口水面跌落，取0.76 m。

經計算，水庫下游消力池計算參數及成果見表1。

表1 消力池方案計算參數及成果表

3.2.2 跌水方案

跌水方案泄槽段可按現(xiàn)狀布置，可節(jié)省土石方工程量。對泄槽末端有跌坎的連接形式，消能段池深度可按下式計算：

式中：E0為池底以上的總能頭，m；q為水舌跌落處的單寬流量，m3/s；ψ為流速系數，取0.90；Fr1為收縮斷面弗勞德數；h1為收縮斷面水深取，m；h2為共軛水深取，m。

池長可按下式計算：

式中：l1為水舌拋射長度，m；l2為雍高水躍的水躍長度，m；P為水流跌差，m；H0為包含流速水頭的總水頭。經計算，缺水參數及成果見表2。

表2 跌水計算參數及成果表

3.3 方案經濟比較

兩種方案的工程量及造價見表3。

表3 方案經濟比選表

3.4 方案選擇

由上述可以看出，兩種方案經濟比較相差不大，消力池方案中泄槽段底板下為強風化千枚巖，且在陡坡上施工難度較大，加上工程要求施工期較短，所以最終采用跌水方案。

4 消能防沖設計

新建跌水消能段池長24 m，池深2.60 m，寬11.80 m，底板厚0.70 m，邊墻高為3.80 m，為鋼筋混凝土U型槽結構，底板設排水孔。采用混凝土強度等級為C30，抗凍等級為F200，抗?jié)B等級為W4，鋼筋采用HRB400。本次海漫段采用500 mm厚的固濱籠進行護底與護坡，底寬為12 m，長度為20 m，兩側坡比為1：2.00。

［1］劉志明，溫續(xù)余.水工設計手冊第二版第7卷泄水與過壩建筑物［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

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：1673-8853（2017）02-0059-02

2016-10-12

編輯：符 蕾

董明玥（1984-），女，工程師，主要從事水利工程設計方面工作。