淺談水庫(kù)溢洪道消能設(shè)計(jì)

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1、淺談水庫(kù)溢洪道消能設(shè)計(jì)深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院摘要：木文對(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).、八_亠?刖S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、水流與固休邊界摩擦撞擊、水流

2、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?！兑绾榈涝O(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5166-2002)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、面流消能和廊流消能。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%o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，

3、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，木文就此進(jìn)行了分析和探討。一、溢洪道消能型式選擇(-)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，例如屛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(méi)有溢洪道屛流消能案例[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(méi)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、

4、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。表1溢洪道消能工適用表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(jiàn)，面流消能和廊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

5、條件下溢洪道滿足消能所需的下游水深始終人于尾水深度。由于尾水深度不足，顯然不適合采用面流消能和屛流消能型式，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?、粉土層、?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)（-）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)

6、系，下泄水流可能岀現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)、臨界和淹沒(méi)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(méi)度形態(tài)的水躍。當(dāng)淹沒(méi)度取σ=1.05?1.10吋，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

7、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吋，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(kāi)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)。水流速度較高吋，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

8、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--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)人壩一致，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)