淺談水庫溢洪道消能設計

鄭富春

摘要：本文對于水庫溢洪道消能工的各種型式選擇原則及方法進行闡述，并結合工程實際對溢洪道消能設計和消能率復核的方法進行說明。

關鍵詞：水庫；溢洪道；消能設計

前言

溢洪道的建設是為保證水庫大壩的安全，宣泄超過規劃庫容的洪水，防止洪水溢壩，必須設置溢洪道。溢洪道下泄水流能量巨大，若不經妥善處理，必會導致下游河床受到嚴重沖刷，甚至可能引起岸坡坍塌、大壩失事的災難性后果，所以又必須設置消能設施。溢洪道消能設計主要基于能量轉換原理，通過造成水流內部紊動漩滾、水股之間擴散碰撞、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，消耗水流動能，減輕對下游河床的沖擊和破壞。《溢洪道設計規范》（DL/T 5166-2002）在其條文說明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，水庫溢洪道使用比較多的是挑流消能和底流消能，據統計兩種型式比例分別達到85%和15%。隨著水利水電工程實踐的發展，近年來出現了一些新的消能型式，例如引入T型墩、寬尾墩、臺階式消能、多種消能型式復合等。水利工程與當地自然地理、氣候條件、水文地質等關系很大，因勢利導、因地制宜的特點非常突出，反映在溢洪道消能設計方面也是百花齊放、各具特色，因此如何選擇溢洪道消能型式、怎樣進行消能防沖設計是一個常講常新的話題，本文就此進行了分析和探討。

一、溢洪道消能型式選擇

（一）消能型式選擇原則

消能型式應滿足技術經濟原則。從技術上講，應選擇先進、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、施工方便等優點，但國內幾乎沒有溢洪道戽流消能案例[1]，理論研究和工程實踐都不成熟，所以不應成為首選。從經濟角度考慮，工程量要小、造價適中。溢洪道是特定條件下使用的泄水建筑物，一般不會使用很頻繁，因此在保證安全可靠的前提下，沒有必要設計的過于復雜，為了提高經濟效益，應選擇簡潔、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缺點、適用范圍如表1所示。

在考慮消能工型式時，主要從地形條件、地質條件、泄流條件以及運行方式、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合，而挑流消能和底流消能對這方面的要求不高，所以通過水利計算得到的消能所需的下游水深-單寬流量的消能率定曲線，與根據下游水位流量關系繪制的下游水深-單寬流量的尾水率定曲線進行比較，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，所以應在挑流消能和底流消能之間進行選擇。再結合地質情況，因為地表依次為耕作土層、粉土層、強風化巖層和中風化巖層，總厚度達8～15m，抗沖條件較差。再加上水頭較小，其下泄校核標準流量的挑距為31m，沖刷坑深度達11.8m，存在嚴重安全隱患，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、溢洪道消能防沖設計

（一）消能結構設計

仍以前述水庫溢洪道為例。底流消能設計保證池內形成穩定的水躍是非常關鍵的環節。根據尾水深度與水躍躍后水深的關系，下泄水流可能出現遠驅、臨界和淹沒水躍三種銜接流態。臨界水躍消能效果最高，但狀態不穩定，可能會產生遠驅水躍，所以要設計成一定淹沒度形態的水躍。當淹沒度取σ=1.05～1.10時，流態穩定，消能效率也較高[2]。為了避免遠驅水躍，又不希望增加護坦長度，可在護坦末端設置消力坎，也可通過降低護坦高程來形成坎前消力池，還可以將兩種措施結合起來形成綜合消力池。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。為了適應尾水位的變化，護坦前段可設計成斜坡形式。也可采用多級消力池形式，能較好適應下游河床與消力池之間的高度差。當躍前斷面平均流速不超過15m/s時，可通過設置輔助消能工增強消能效果，并縮短池長。如設置趾墩、消力墩和尾坎。但躍前流速大于15m/s時，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。護坦是為了保護河床不受高速水流的沖刷破壞，所以護坦長度應能涵蓋水躍躍尾，其厚度必須滿足穩定要求，保證不會上浮。為了提高穩定性，可設置錨筋并插入基巖1.5～3m。護坦厚度既可等厚，也可以上游厚一些，下游薄一些。為了防止護坦混凝土開裂，應設置溫度伸縮縫。為了減輕護坦底部揚壓力，可設置排水系統。水流速度較高時，護坦應采用抗蝕混凝土澆灌。

（二）消力池消能率復核

前述水庫的設計洪水標準為30年一遇，其校核洪水標準是300年一遇。由于溢洪道為4級，也就是設計與校核洪水標準與水庫大壩一致，這個標準對溢洪道來說有些偏高，會造成一定浪費，所以將消能防沖設計標準進行了調整，設計洪水標準30年一遇不變，校核洪水標準改為100年一遇。經過計算，溢洪道設置2.2m深消力池，在設計洪水標準狀態下，下泄洪水流量是191m3/s，單寬流量是7.64 m3/s·m。由圖2可見，此時尾水率定曲線都在消能率定曲線之上，說明水躍完全可以被淹沒，消能效率達到100%。校核洪水狀態下，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，消能效率達到93.6%。溢洪道校核洪水標準下，下泄洪水流量為552 m3/s，單寬流量為22.1 m3/s·m，此時有更多部分的尾水率定曲線在消能率定曲線之下，但消能效率仍可達到80%。按照國內外工程實踐，消能效率達到80%以上一般就能滿足安全需要，故此消力池消能率已達到設計要求。

三、結束語

水庫溢洪道消能效果關系到水庫大壩的安全，所以消能設計應達到消能效果好、結構可靠、方便檢修等目標要求。合理選擇消能型式是實現技術、經濟統一性的前提，而結構設計是落實設計思想的重要環節，希望本文所作分析討論能對讀者有所啟發和可提供參考。

參考文獻：

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

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