吉林省時家店水庫溢洪道臺階式消能的應用

井德泉

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

柳河縣時家店水庫位于吉林省南部地區，是一座以灌溉、防洪為主，結合養魚等綜合性利用的中型水庫，最大庫容為1734×104m3，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物等級為3級。主要建筑物的洪水標準為50年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核；消能防沖30年一遇洪水標準。

溢洪道為該工程主要建筑物，位于大壩左岸，為開敞式溢洪道，鋼筋混凝土結構，溢洪道軸線與壩軸線垂直，堰寬20m，上下游最大高差9.5m。

進口溢流堰段：進口段(樁號溢0-008.0～溢0+000m)底寬20m，鋼筋混凝土結構，底板厚度為0.5m，底板頂高程為393.00m；溢流堰段(樁號溢0+000～溢0+005.0m)，溢流堰堰型為WES堰，上游面為垂直面，堰頂高程為394.35m，鋼筋混凝土結構；整流段(樁號溢0+005.0～溢0+014.625m)底板頂高程392.00m，鋼筋混凝土底板厚度為0.5m。

臺階式消能段：消能段(樁號溢0+014.625m～溢0+036.225)為防止下泄水流淘刷壩腳并與下游尾水渠水流平順連接，依據地形和高差進行結構布置，在整流段末端設臺階式消能段，臺階尺寸為長1.0m×高0.5m，共17級臺階，后為消力池池深0.5m，底板高程為385.20m，鋼筋混凝土結構。

尾水渠段：干砌石尾渠段(樁號溢0+036.225～溢0+484.225m)，其中樁號溢0+036.225～溢0+71.225m為尾渠收縮段，渠道底寬由20m漸變至5m；樁號溢0+071.225～溢0+216.225m為尾渠彎段，轉彎半徑70m，角度119°；樁號溢0+0216.225～溢0+484.225m為尾渠直線段。

1 水工模型試驗

1.1 試驗任務及要求

進行P=3.33%、設計洪水(P=2%)和校核洪水(P=0.33%)情況下溢洪道的過流能力，測定臺階式消能在不同泄量情況下的消能率，測定臺階式消能臺階處的壓強分布，觀測分析臺階處是否會發生氣蝕。

1.2 試驗內容

1.2.1 原試驗工況

(1)試驗工況一(校核流量148.56m3/s)

試驗測得上游水位396.73m，下游水位392.51m。設計理論計算值為上游水位396.82m，下游水位392.50m。試驗測得上游水位與理論計算水位低0.09m，因此滿足泄流要求。流量系數m=0.485。消能率見表1。試驗測得階梯處壓強值見表2。

(2)試驗工況二(設計流量62.72m3/s)

試驗測得上游水位395.74m，下游水位388.89m。設計理論計算值為上游水位395.74m，下游水位388.73m。試驗測得上游水位與理論計算水位相同，實測泄量比理論計算泄量多0.98m3/s，因此滿足泄流要求。流量系數m=0.336。消能率見表1。試驗測得階梯處壓強值見表2。

(3)試驗工況三(P=3.33%流量39.42m3/s)

試驗測得上游水位395.43m，下游水位387.96m。設計理論計算值為上游水位395.37m，下游水位387.80m。試驗測得上游水位與理論計算水位高0.06m，占總水頭的0.01%，因此不影響泄流，滿足泄流要求。流量系數m=0.256。消能率見表1。試驗測得階梯處壓強值見表2。

表1 試驗測得泄流量及計算消能率

表2 臺階消能段階梯處壓強分布

試驗施放了3個具有代表性的特征流量，并繪制了泄流量與上游水位關系曲線和理論計算值的對比曲線如圖1所示，從圖1中可以看出，對比泄流能力，各個工況均可達到泄流要求。在壓強方面，設置的18個測壓孔中1號和2號測壓孔出現負壓的幾率大且最大負壓為-9.3kPa，1號和2號測壓孔布置在第一、二級臺階處。

1.2.2 修改試驗工況

由于在第一、二級臺階處出現較大負壓，為了改善水流條件防止氣蝕產生破壞混凝土結構，修改了第一、二級臺階，臺階改為橢圓弧段，弧線方程為x2/30+y2/10=1。修改后再進行上面的試驗，得出以下成果：

(1)修改試驗工況一(校核流量148.56m3/s)

試驗測得上游水位396.92m，下游水位392.52m。設計理論計算值為上游水位396.82m，下游水位392.50m。試驗測得上游水位與理論計算水位高0.1m，占總水頭的0.03%，滿足泄流要求。流量系數m=0.55。消能率見表3。試驗測得階梯處壓強值見表4。

(2)修改試驗工況二(設計流量62.72m3/s)

試驗測得上游水位395.77m，下游水位388.92m。設計理論計算值為上游水位395.74m，下游水位388.73m。試驗測得上游水位與理論計算水位高0.03m，占總水頭的0.01%，因此不影響泄流，滿足泄流要求。流量系數m=0.341。消能率見表3。試驗測得階梯處壓強值見表4。

(3)修改試驗工況三(P=3.33%流量39.42m3/s)

試驗測得上游水位395.45m，下游水位387.98m。設計理論計算值為上游水位395.37m，下游水位387.80m。試驗測得上游水位與理論計算水位高0.08m，占總水頭的0.01%，因此不影響泄流，滿足泄流要求。流量系數m=0.242。消能率見表3。試驗測得階梯處壓強值見表4。

表3 試驗測得泄流量及計算消能率

表4 臺階消能段階梯處壓強分布

修改后的試驗施放了同樣的3個具有代表性的特征流量，并繪制了泄流量與上游水位關系曲線和理論計算值的對比曲線如圖1所示，從圖1中可以看出，對比泄流能力，各個工況均可達到泄流要求。

在壓強方面，改為橢圓弧段后撤銷了1號、2號、13號和14號測壓孔，由于第一、二級臺階修改為橢圓弧段，因此其他測壓孔的壓力值均不同程度受到了影響，大部分壓力值有所增大。9號孔處出現了該方案中最大負壓，負壓值僅為-4.8kPa，負壓值較小，不會發生氣蝕現象。

圖1 兩方案水位流量與理論值對比曲線

由上述水工模型試驗可以看出，原設計方案和修改后設計方案，在泄流能力和消能率方面基本相同，但在壓強方面，修改方案要優于原方案，修改方案降低了負壓，減少了在洪水泄流時發生氣蝕的可能，泄洪更為安全，故本次設計選用了修改后的方案。

該選定的溢洪道消能布置方案，符合工程實際情況，消能方式采用了臺階式消能的方式，經試驗測得的消能率為：校核洪水流量148.56m3/s時，消能率為31.20%；設計洪水流量62.47m3/s時，消能率為66.29%；30年一遇洪水流量40.19m3/s時，消能率為74.18%。由此可以看出，臺階式消能的結構布置很好地解決了本工程溢洪道的消能防沖等問題。

2 結語

當泄洪建筑物下游布置消力池空間受限時，采用臺階式消能的措施，能大大減小下游消力池等消能工的尺寸，以優化結構布置和節省工程投資。

臺階式消能在溢洪道消能方面應用具有較好的消能效果，消能率達到70%以上，消能率與單寬流量有著密切聯系，在臺階的尺寸和型式保持一定時，單寬流量越小其消能率越高。

消能臺階的型式也會影響到泄流過程中的臺階處的壓強變化，當單寬流量較大時，建議結合水工模型試驗，來確定最優的臺階尺寸和型式，以減少混凝土臺階氣蝕的發生，來保障泄流建筑物結構安全。

吉林省柳河縣時家店水庫溢洪道消能防沖工程自2010年投入運行以來，歷經多年汛期洪水考驗，泄流平順，消能率高，下游尾水流態平穩，下游河道基本無沖刷，充分體現了臺階式消能在低水頭、小單寬流量溢洪道消能中布置的優勢。