考慮臺(tái)階式溢流壩消能作用下的消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉大剛，范 平，李貴平

（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007）

前 言

當(dāng)前臺(tái)階式泄槽溢洪道已成為國內(nèi)外泄洪建筑物上一種常用的消能工型式，而且應(yīng)用范圍越來越廣泛。臺(tái)階式溢流壩在我國起步稍晚，但發(fā)展較快，越來越多的大中型工程開始采用臺(tái)階式溢流壩與其它消能設(shè)施的組合型式，在臺(tái)階式溢流壩應(yīng)用和研究方面取得了較大進(jìn)展。馬朋輝等[1]等通過3 個(gè)不同的水工模型試驗(yàn)，將臺(tái)階式溢洪道與光滑溢洪道進(jìn)行對比，引入臺(tái)階式溢洪道相對水力參數(shù)，分析了相對水力參數(shù)沿程變化情況及相對臨界水深、坡度對其影響。賈洪濤[2]通過數(shù)值模擬的方法，研究了不同臺(tái)階形式對階梯溢洪道水力學(xué)特性的影響研究，得出了不同臺(tái)階形式的消能特性規(guī)律。張峰[3]等在試驗(yàn)室開展不同單寬流量、臺(tái)階高度和壩面坡度情況下的模型試驗(yàn)研究，分析了臺(tái)階式溢洪道純臺(tái)階消能率的研究成果。田嘉寧[4]等通過模型試驗(yàn)研究了臺(tái)階式溢流壩3 種壩坡及不同臺(tái)階高度時(shí)的壓強(qiáng)、水躍長度及特性，提出了計(jì)算水躍長度的經(jīng)驗(yàn)公式。易曉華[5]等結(jié)合索風(fēng)營水電站的設(shè)計(jì)和水工模型試驗(yàn)結(jié)果，研究了寬尾墩壩面臺(tái)階聯(lián)合消能工的消能率。目前對于大中型水利水電工程臺(tái)階式壩面消能率的確定，會(huì)采取多種辦法進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證，基本上都會(huì)進(jìn)行消能工物理模型試驗(yàn)。而對于數(shù)量眾多的小型水利水電工程，則由于各種條件和環(huán)境的限制，導(dǎo)致很多工程無法開展水工模型試驗(yàn)，則合理地確定臺(tái)階式壩面消能率對于下游消能設(shè)施的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的問題。下面以營樂源水庫工程為例進(jìn)行探索。

1 工程概況

營樂源水庫是一座以灌溉為主的?。á瘢┬退畮?，設(shè)計(jì)灌溉面積為1.49 萬畝，工程等別為Ⅳ等。壩址位于宜水一級支流大溶壩上游清塘鎮(zhèn)老中坪村，壩址以上控制流域面積19.2 km2。水庫正常蓄水位405.00 m，相應(yīng)庫容440.00 萬m3，30 年一遇設(shè)計(jì)洪水位為406.84 m，相應(yīng)庫容483.20 萬m3，200 年一遇校核洪水位為407.36 m，水庫總庫容495.30 萬m3[6]。

壩址位于月巖林場北河峽谷出口處，河流流向?yàn)镹20°E，枯水期河水面寬2～12 m，河水面高程351.8～355.5 m，該段峽谷長約200 m，壩軸線下游約150 m 處河道向右偏轉(zhuǎn)約80°，為“V”型谷，河谷寬15～20 m。壩址地處紅巖～瓦札灣壓扭性斷裂之西側(cè)，巖層產(chǎn)狀變化大N55～85°W～N20～75°E ，NE（NW）∠18°～60°，傾向下游，為橫向河谷。壩址出露基巖為泥盆系中統(tǒng)碎屑巖，第四系地層主要有：崩積層、沖洪積層及殘坡積層。大壩建基面高程341.5 m，為弱風(fēng)化石英砂巖、粉砂巖，中厚～巨厚層狀，屬中硬～堅(jiān)硬巖，巖石本身抗沖刷能力較強(qiáng)，但由于節(jié)理裂隙切割，巖體完整性較差，其抗沖流速為4～6 m/s。

2 泄流建筑物設(shè)

本工程擋水建筑物為混凝土重力壩，溢流壩段居中布置，位于河道中央。設(shè)計(jì)采用開敞式無閘門控制的壩身表孔泄流，堰型選擇泄流能力強(qiáng)的WES 堰，經(jīng)計(jì)算溢流孔口尺寸采用3 孔8 m×2.5 m（寬×高）即可滿足泄洪要求。溢流壩壩頂高程408.50m，建基面高程341.50 m，最大壩高67.00 m，壩底寬度55.55 m。溢流堰面采用“WES”實(shí)用堰，堰頂高程405.00 m，堰型定型設(shè)計(jì)水頭取最大堰上水頭的0.90 倍，即Hd＝2.12 m，上游堰面曲線為1/4 橢圓，橢圓橫半軸2.50 m，縱半軸1.44 m，下游堰面為y=0.264×1.85 的冪曲線、直線段和R=15.0 m 的反弧段相切連接。溢流壩面在易產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象的溢流面高程382.90 m 處布置一道摻氣槽，自摻氣槽以下的溢流壩面設(shè)置臺(tái)階跌坎，確定臺(tái)階高度1 m、寬度0.75 m，臺(tái)階級數(shù)總共30 階，以增強(qiáng)下泄水流的消能效果。溢流壩段標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1。

圖1 溢流壩段標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

經(jīng)分析，溢流壩面水流泄放到下游后無法形成穩(wěn)定的面流和戽流，可考慮采用的消能方式有挑流消能和底流消能。地勘報(bào)告中針對大壩下游一定范圍內(nèi)的壩基抗沖刷穩(wěn)定問題，提醒設(shè)計(jì)應(yīng)予以重視，建議在壩下游設(shè)置消力池、護(hù)坦等工程措施進(jìn)行處理。采用底流消能還具有水聲水霧對當(dāng)?shù)鼐用裆钣绊懛浅Ｐ〉膬?yōu)點(diǎn)。綜合分析，最終選取底流消能方式。

3 泄流消能計(jì)算分析

本工程大壩主要建筑物溢流壩按4 級建筑物設(shè)計(jì)，根據(jù)規(guī)范[7]洪水標(biāo)準(zhǔn)取值：設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇重現(xiàn)期，設(shè)計(jì)洪峰流量為136 m3/s，相應(yīng)下泄流量98 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 年一遇重現(xiàn)期，校核洪峰流量為188 m3/s，相應(yīng)下泄流量142 m3/s；消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇重現(xiàn)期，洪峰流量為124 m3/s，相應(yīng)下泄流量88 m3/s。

3.1 不考慮臺(tái)階消能作用下的消能設(shè)計(jì)計(jì)算

當(dāng)不考慮臺(tái)階消能作用時(shí)，按照規(guī)范[8]對下游消力池進(jìn)行消能計(jì)算。對各級水位進(jìn)行平底水躍計(jì)算，計(jì)算成果見表1。

表1 不考慮臺(tái)階壩面消能作用下各洪水工況下消力池計(jì)算成果表

水躍淹沒系數(shù)以1.05～1.10 為控制條件進(jìn)行消力池設(shè)計(jì)，根據(jù)規(guī)范本工程消能設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇重現(xiàn)期，綜合考慮，消力池寬度為16 m，池深取3.0 m，池長35 m。根據(jù)抗沖和抗浮計(jì)算結(jié)果，消力池底板厚度需達(dá)到3 m。若不考慮臺(tái)階壩面消能作用，則消力池池深要求較大，底板基礎(chǔ)需要開挖的深度增加，池長較大導(dǎo)致所需的混凝土方量也較大，同時(shí)由于在大壩下游挖除較多的基巖覆重，對于大壩的深層抗滑穩(wěn)定不利。

3.2 考慮臺(tái)階消能作用下的消能設(shè)計(jì)計(jì)算

當(dāng)考慮臺(tái)階消能作用時(shí)，按照《水工設(shè)計(jì)手冊（第2 版）》[9]中介紹的方法，首先判斷各設(shè)計(jì)洪水工況下溢流壩臺(tái)階面上水流流態(tài)，然后采用《水工設(shè)計(jì)手冊（第2 版）》中推薦的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法“H.Chanson 公式”和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法“南京水利科學(xué)研究院公式”，對臺(tái)階式壩面的消能率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 不同計(jì)算方法下臺(tái)階式壩面消能率計(jì)算結(jié)果

根據(jù)類似工程曬北灘水電站水工模型試驗(yàn)成果，采用臺(tái)階式壩面消能，具有良好的消能效果，壩面流態(tài)絕大多數(shù)情況為滑移流，水工模型試驗(yàn)單寬流量范圍為8.55～42.5 m3/s,臺(tái)階壩面的消能率為82.5%～64.7%，消能率隨單寬流量的增大而減小[10]。毛俊水庫工程也進(jìn)行了臺(tái)階溢流壩水工模型試驗(yàn)，單寬流量6.68～35.65m3/s 時(shí)，臺(tái)階壩面消能率為70.55%～38.44%[11]，同樣試驗(yàn)結(jié)果表明消能率隨單寬流量的增大而減小，當(dāng)溢流壩面單寬流量小于20 m3/s，臺(tái)階式壩面具有較好的消能效果。本工程泄流建筑物沒有進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，通過采用上述半經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)公式對消能率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明隨著單寬流量的增大臺(tái)階式壩面消能率呈下降趨勢，但由于本工程各工況下單寬流量均不大，各工況消能率依然較高。對比兩種公式計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整體上經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的消能率偏高，為安全計(jì)本工程采用半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果。計(jì)算得出的各工況下臺(tái)階式壩面消能率為77.80%～81.00%，然后再考慮臺(tái)階壩面消能作用下進(jìn)行消力池設(shè)計(jì)計(jì)算，成果見表3。

表3 考慮臺(tái)階壩面消能作用下各洪水工況下消力池計(jì)算成果表

水躍淹沒系數(shù)以1.05～1.10 為控制條件進(jìn)行消力池設(shè)計(jì)，根據(jù)規(guī)范本工程消能設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇重現(xiàn)期，綜合考慮，消力池寬度為16 m，池深取2.0 m，池長31 m，消力池底板厚度為2.5 m。相對于不考慮臺(tái)階壩面消能作用時(shí)，消力池深減小約30%，消力池長縮短約15%，則消力池底板基礎(chǔ)需要開挖的深度可以減小，所需的混凝土工程量也會(huì)減少。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的消力池方案對于加快項(xiàng)目進(jìn)度、節(jié)約工程投資和溢流壩段深層抗滑穩(wěn)定有利。

4 小 結(jié)

根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，采用半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的營樂源水庫工程臺(tái)階式壩面在各洪水工況下的消能率相對稍小，參照類似工程已經(jīng)開展的臺(tái)階式壩面消能水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ统晒?，半?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)成果更為接近。按此確定出臺(tái)階式壩面消能率，然后進(jìn)行下游消力池的設(shè)計(jì)則更加科學(xué)合理，可以在一定程度上節(jié)省工程投資、加快建設(shè)進(jìn)度。

對采用半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行臺(tái)階式壩面消能率計(jì)算的成果分析，在單寬流量相同的情況下，其計(jì)算的臺(tái)階式壩面消能率與同類工程的試驗(yàn)結(jié)果比較接近，該方法的計(jì)算成果具有一定的可信度。由于臺(tái)階式壩面消能的相關(guān)計(jì)算方法和理論仍不是十分成熟和完善，在今后工程完建運(yùn)行過程中，要進(jìn)一步密切觀測消能工的運(yùn)行效果，對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和完善。