碾壓混凝土重力壩臺階消能設計探討

王 青，童元雄

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002)

技術論壇

碾壓混凝土重力壩臺階消能設計探討

王 青，童元雄

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002)

以往的碾壓混凝土重力壩設計中，存在因溢流壩段和非溢流壩段壩體斷面不同而制約壩體混凝土連續施工的問題。為解決這個問題，文章結合工程實例，采用溢流壩段和非溢流壩相同斷面的臺階式溢流壩的設計方法；同時，對臺階式消能和常規泄槽消能兩種方案的消能效率做了一個定量分析比較。計算結果表明：臺階式溢流壩能較好的解決制約碾壓混凝土連續施工的問題；臺階消能的消能效率遠高于常規泄槽，能減小下游消能工的尺寸，節省工程投資。

臺階消能；重力壩；結構設計；水力計算

1 工程概況

雨汪河水庫工程由樞紐工程和輸水工程組成。樞紐工程包含混凝土重力壩、泄洪表孔、取水口、取水兼放空管。

2 大壩壩體斷面設計

1)非溢流壩斷面：大壩為碾壓混凝土重力壩，大壩壩頂高程1497.5m，建基面高程1448m，最大壩高49.5m(含1m墊層)，壩頂長度157.3 m，壩頂寬度6m，壩軸線方位角為N27.552°E。大壩上游面鉛直，下游綜合壩坡1:0.8，下游折坡點高程1492m，壩體最大底寬為41.2m。為方便碾壓混凝土碾壓施工，下游壩面采用臺階式，單級臺階尺寸為3m×2.4m(寬×高)。

2)溢流壩斷面：本工程采用的是臺階消能+底流消能的消能方式，故溢流壩段和非溢流壩段采用相同的壩體斷面，可以給碾壓混凝土的快速、連續施工帶來較大的方便。

3 泄洪表孔結構設計

雨汪河水庫工程規模屬中型，工程等別為Ⅲ等。泄水建筑物為3級建筑物，設計洪水為50a一遇，相應下泄流量為262m3/s；校核洪水為500a一遇，相應下泄流量為328m3/s；消能防沖建筑物洪水為30a一遇，相應下泄流量為246m3/s。

泄洪表孔由控制段、臺階式泄槽段、消力池段組成。

控制段布置在河床中間，設2孔平板鋼閘門，閘門尺寸為5m×5m(寬×高)，閘門上方設啟閉機室，用以操作啟閉設備啟閉閘門；兩側采用C25鋼筋混凝土邊墩，厚度2m，中墩厚度3m；壩頂設交通橋，橋寬5m，橋面高程為1497.5m，與壩頂同高?？刂贫我缌餮邽閃ES實用堰，堰頂高程1490m，堰頂上游端堰面曲線采用帶斜坡(坡比3:3)的單圓弧曲線，圓弧半徑R1=0.45Hd，x坐標a=0.119Hd，堰頂下游的堰面曲線方程為：y=0.1528x1.776，溢流面混凝土采用C30鋼筋混凝土。

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臺階式泄槽(綜合坡比1∶0.8)接下游堰面曲線之后，于壩體1548m高程接半徑為8m的反弧段。臺階式泄槽，單級臺階尺寸與壩體一致，為3m×2.4m(寬×高)，泄槽與反弧段采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚度為0.5m，泄槽襯砌混凝土與壩體混凝土之間用插筋連接。

本次設計消能方式采用臺階消能+底流消能，主要考慮該消能方式有兩個優點：①臺階消能非溢流壩段和溢流壩段壩體斷面尺寸相同，能給壩體碾壓混凝土的施工帶來較大的方便；②臺階消能在臺階式泄槽段已經消掉一部分水能，因此能縮短、減小后面的消力池的長度，節省工程投資。同時，本工程校核工況下最大設計單寬流量為25.2m3/(s·m)<50 m3/(s·m)，也在臺階消能的適用范圍。

消力池接反弧段，消力池底板高程為1453.5m，尾檻高1m(下挖1m)，消力池高8m，池寬13m，消力池長度L=20m；消力池底板面層采用0.5m厚C35抗沖磨混凝土，底層采用1m厚C25混凝土；消力池邊墻采用C25混凝土，邊墻頂部寬0.8m，邊墻外側貼著邊坡開挖坡比1∶0.5，邊墻內側采用1:0.3坡比。消力池基礎設置φ25基礎錨桿，根長L=6m，間排距3m；同時對底板進行固結灌漿，孔深8m，間排距3m，梅花形布置；底板設置排水孔，深入基巖1m，間排距4m。

4 臺階消能設計計算

4.1 判斷水流流態

先計算泄槽臨界水深dc，計算公式為：

(1)

式中：hk為臨界水深，m；Q為單寬流量，m3/(s·m)。

計算成果見表1。

表1 臨界水深dc計算成果表

根據《水工設計手冊》(第二版)[1]中的公式，判別水流流態：

大壩下游壩坡坡比為1∶0.8，坡角為51.3°>27°，臺階步高h=3m，臺階步長L=2.4m。

表2 水流流態判別成果表

結論：由于dc/h>(dc/h)特，故水流流態為滑移流。

4.2 初始摻氣點位置L1計算

從堰頂算起，至長度為L1處開始出面表面摻氣，距離L1、L1斷面處的水深d1、平均流速v按下列計算公式：

(2)

計算成果見表3。

表3 初始摻氣點計算成果

4.3 均勻摻氣斷面位置L2計算

從堰頂算起，至長度為L2處開始出面表面摻氣，距離L2、L2斷面處的水深d0、平均流速v0按下列計算公式：

(3)

計算成果見表4。

表4 均勻摻氣斷面計算成果

4.4 末端斷面水深d和平均流速v計算

本工程泄槽總長度L=55.6m，介于初始摻氣點位置距離L1和均勻摻氣水流位置L2之間，因此，文章采用內插法，計算末端斷面的設計水深d和平均流速v，如表5：

4.5 消能率計算

計算公式為：

(4)

式中：H堰為壩趾以上堰高，m；H為堰上水頭，m。

計算成果見表6。

表5 末端斷面計算成果

表6 消能率計算成果表

從以上計算結果可知，消能率η代表的是臺階式消釋水能的效率，在消能防沖設計工況，臺階式消能的消能率為75%，剩余的水能通過消力池進一步消釋。

5 與常規泄槽方案對比

若采用常規的泄槽方案(無臺階)，根據《混凝土重力壩設計規范》SL319-2005[2]，對常規泄槽方案進行水力計算，計算其消能效率，如表7-8：

表7 常規泄槽方案末端斷面水力要素成果

表8 常規泄槽方案消能率計算

由表8可以看出：常規泄槽方案(無臺階)經過L=55.6m的泄槽段，消能率僅為7%，與之對比，臺階消能方案的消能率能達到75%，臺階式泄槽的消能效率明顯高于常規泄槽。

通過計算，在采用相同消力池寬度13m的情況下，臺階消能方案下游消力池所需長度為20m，而常規泄槽方案下游消力池所需長度為48m；因此，采用臺階式泄槽的臺階消能，可以使下游消能工尺寸節省約58%，帶來較大的經濟效益。

6 結 語

通過上述計算及分析，對大壩的臺階消能設計做了一個較為全面的設計計算，并與常規泄槽方案的消能效率做了一個定量分析比較。計算結果表明：對碾壓混凝土重力壩來說，采用臺階式泄槽的臺階消能，能較大的方便碾壓混凝土的立模、連續施工，同時也能減小下游消能工尺寸，節省工程投資。

[1]劉志明，溫續余.水工設計手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2014：56-77.

[2]中華人民共和國水利部.SL319-2005混凝土重力壩設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2005.

DiscussiononStepEnergyDissipationDesignaboutRollerCompactedConcreteGravelDam

WANGQingandTONGYuan-xiong

(GuizhouProvincialWaterConservancy&HydroelectricPowerInvestigation,DesignandResearchInstitute,Guiyang550002,China)

In the past designs of roller compacted concrete gravel dams, because the dam body sections of spillway dam and un-spillway dam were different, there were problems to limit the continuous concrete construction on dam body In order to solve the problems, in combination with a project case, this paper adopted the design method of step-style spillway dam in same sections on spillway dam and un-spillway dam; meanwhile, the energy dissipation effects were analyzed and compared quantitatively for the two schemes of step energy dissipation and normal chute energy dissipation in this paper. The calculated results show that step spillway dam can solve the problem of roller compacted concrete continuous construction properly and the effect of step energy dissipation is well above the effect of normal chute, can reduce the dimension of lower energy dissipation project and save the project cost.

step energy dissipation; gravel dam; structure design; hydraulic calculation

1007-7596(2017)07-0044-03

2017-06-18

王青(1987-)，男，江西南昌人，工程師，從事水工結構設計工作；童元雄(1984-)，男，湖北孝感人，工程師，從事水工結構設計工作。

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