羊安水庫消能方式選擇

江嗣志 劉德利

貴州省黔南州水利水電勘測設計院 貴州 都勻 558000

正文：

一、工程概況

羊安水庫大壩為C15碾壓混凝土重力壩，壩軸線長149.15m。大壩壩頂寬6.00m，壩頂高程828.00m，河床建基面高程為759.00m，最大壩高69.00m，最大底寬度64.90m。溢流壩段長12.00m溢流堰頂高程824.00m，共布置1個表孔，凈寬10m，堰面采用WES曲線與下游壩坡為1:0.85的斜坡段相接。末端采用底流消能，消力池深3.2m，池長30m。

二、壩址地形地質條件

壩區位置河谷深切，兩岸山體較為雄厚，兩岸坡基巖基本裸露，自然邊坡坡度40～60°，其邊坡類型為層狀斜向結構巖質邊坡，層面與坡面走向夾角＞50°，邊坡結構多屬穩定型結構，除局部地段表層分布有少量危巖體外自然邊坡整體穩定。

壩址河床高程768.5m，壩址河床出露地層巖性為泥盆系中統上幫寨組一段（D2b1）灰色中至厚層石英砂巖夾深灰色泥質粉砂巖及灰黑、灰綠色含粉砂質泥巖，為堅硬巖夾軟質巖的互層狀，弱風化巖體抗沖刷系數K=1.4，強風化巖體抗沖刷系數K=1.5。河床抗沖能力一般。

三、適宜消能方式分析

工程在設計及校核工況下下游水深分別為2.1m、2.7m，根據類似工程經驗，本工程可選擇挑流消能或底流消能方式。

四、消能方式比選

1、底流消能

本工程底流消能消力池洪水標準按20年一遇設計，最大下泄流量Q=63.6m3/s，相應的上、下游洪水位分別為826.1m、770.4m，下游河床高程為768.5m。

根據河床地形、地質條件，設計采用下挖式消力池，池寬與溢洪道同寬，B=10.0m。

消力池池深、池長采用下列公式計算：

在下泄流量為63.6m3/s時，計算得：消力池深為4.3m，長32.5m，設計池底板高程764.2m。消力池兩側邊墻計算高度為6.0m，消力池邊墻墻頂高程770.2m。設計邊墻及底板采用C30混凝土澆筑，厚1.0m，底流消能工程投資80萬元。

2、挑流消能

挑流消能方案設計挑坎高程771.5m，高于校核洪水位下游水位（771.2m）0.3m，設計挑射角20°。

工程消能防沖標準按20年一遇洪水設計，下泄流量為63.6m3/s，相應上、下游水位826.1m、770.4m；工程設計標準按50年一遇洪水設計，下泄流量為83.3m3/s，相應上、下游水位826.5m、770.7m；校核工況按300年一遇洪水設計，下泄流量120m3/s，相應上、下游水位827.1m、771.2m。對此三種工況下的下游消能防沖進行計算。

水舌挑流水舌外緣挑距計算公式：

式中：L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m；g—重力加速度，m/s2；v—坎頂水面流速，m/s；θ—挑射角度；h1—挑流鼻坎末端法向水深，m；h2—鼻坎坎頂至下游河床高程差，m；v1—鼻坎坎頂水面流速，m/s，可按鼻坎處平均流速v的1.1倍計。

流速公式計算：

式中：V—鼻坎末端斷面平均水深，m/s；Z0—鼻坎末端斷面水面以上水頭，m；φ—流速系數；hf—沿程損失水頭，m；hj—局部損失之和，可取hj/Z0=0.05；S—流程長度，m；q—單寬流量。

最大沖坑水墊厚度計算公式：

式中：T—水墊厚度，自水面算至坑底，m；Z—上、下游水位差，m；K—沖坑系數，取1.5～1.4。

經計算，消能工況下挑距34m，沖坑深度7.8m；設計洪水工況挑距39m，沖坑深度9.0m，校核洪水工況挑距49.0m，沖坑深度11m。各工況下L/t大于2.5，滿足規范要求，沖坑不會危及大壩安全。工程挑流消能工程投資55萬元。

3、消能方式選擇

根據對底流消能及挑流消能計算，兩種消能方式在工程技術上均可行。底流消力須對壩下游開挖，土建投資比挑流消能高約25萬元。

工程下游河床基巖抗滿足抗沖要求，挑流消能對壩體穩定無不利影響。但下游河床軟硬巖互層分布，挑流消能對河床沖刷將加劇河床及兩岸的水土流失，因挑流消能工程投資與底流消能投資差異并不明顯，綜合投資、環境影響等方面考慮，本工程選擇底流消能方式。

五、結論

在工程投資差別不大的條件下，選擇底流消能，能有效的減少洪水對下游河床的沖刷。

在對工程消能方式選擇時，應從投資、安全、環保等多方面綜合論證，才能選出合適的設計方案。