翁養水庫溢流壩段消能措施優化初探

(上海勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610041)

中小型水庫工程中擋水建筑物和泄水建筑物組合的選型很多，“重力壩擋水+壩身泄洪+壩后消力池”的組合始終占據重要地位。究其原因，主要有以下幾點：?較土石壩而言此壩型超泄超標洪水能力強，安全性高；?較拱壩而言此壩體斷面大，對地形地質條件適應性好、材料性能的要求低；?維護、修復或擴建，相對其他壩型簡便；?泄水建筑物較其他壩型布置容易。

中國西南地區大部分山區河流，洪水期來流量大洪峰歷時短，重力壩超泄能力強、泄水建筑物布置緊湊、水流歸槽條件好，因此，在中小型水庫設計中，常采用重力壩壩頂溢流的型式。從溢流堰頂下泄水流，流速快且單寬流量大，如果不采用妥善的消能設施予以消減，將對建筑物和下游河床產生嚴重沖刷。消能方案合理與否不僅關系到工程投資是否經濟，更關系到工程在各種復雜地質條件下的安全性。

本文結合翁養水庫項目實施階段基礎開挖詳勘成果和泄洪消能的基本特性，對消力池進行了優化設計，并重新復核相關水力及抗沖抗浮計算。

1 水庫概況

翁養水庫位于黔東南苗族侗族自治州雷山縣境內，壩址集水面積6.95km2，是一座以村鎮供水及灌溉用水為主要任務的水庫，總庫容78.8萬m3，最大壩高53m，屬Ⅴ等小(2)型水庫。擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，樞紐布置采用碾壓混凝土重力壩+河床泄洪溢流壩+左岸壩身取水兼放空管+供水管線型式。壩頂高程1337.00m，原壩基底高程1284.00m，最大壩高53m，水庫正常蓄水位1333.00m，相應庫容為61萬m3。

2 消能防沖標準及原消能建筑物布局

該工程消能防沖標準為10年一遇，洪峰流量為95.8m3/s，水庫調蓄后入庫流量為81.1m3/s，下游水位為1295.13m，單寬流量5.4m3/s，洪水規模相對較小。

根據洪水標準和泄洪建筑物設計原則進行泄洪建筑物布置。本流域屬典型的山區雨源型河流，徑流的時空分布變化與降水基本一致，泄洪建筑物采用經調洪演算后的下泄流量，最大下泄流量為168m3/s。壩址處河床較為寬闊，溢洪道布置于河床中部，具備下泄水流歸槽條件，同時該工程規模不大，下泄流量小，考慮到閘門運行的可靠性較低，故而采用開敞式溢洪道。

3 原消能建筑物設計方案

在中小型水庫設計中，常采用壩頂溢流及泄流底孔方式來泄放洪水，兩種泄洪方式各有優缺點。壩頂溢流泄放流量大，下游的水力銜接設施及消能設計較易解決，必要時還可以泄放漂流物。當壩頂溢流不滿足泄洪條件時，可增設泄流底孔。泄流底孔可在較低的庫水位下泄水，在河流泥沙較多的工程條件下也可用于沖砂。

翁養水庫工程規模較小，壩址下游河床較寬闊，考慮到工程運行可靠性，壩頂溢洪道采用開敞式溢洪道，堰頂高程1333.00m，共設2孔，每孔寬6.5m。溢流堰采用WES實用堰型，下游壩坡采用1∶0.75，邊墻高1.5m，反弧段半徑為11.50m，消力池布置于壩下游河床部位。

消力池沿線表部為河床堆積的第四系砂卵礫石層，厚1.5～4.5m，不宜作為消力池基礎。下伏基巖為砂質板巖，基巖自上而下分為強風化CⅣ級巖體、弱風化BⅢ2級巖體及微新BⅢ1級巖體。

強風化巖體垂直埋深7～9m，層面及節理裂隙發育，整體較破碎，強度較低；弱風化層垂直埋深18～25m，層面及節理裂隙較發育，整體較完整，強度較高；微新巖體層面多閉合，節理裂隙不發育，強度高。消力池基礎可置于強風化中下部或弱風化巖體頂部。

常用的消能方式有遠射式挑流消能、底流式水躍消能和面流式消能等。

對于高壩和中壩，且下游河床巖石條件較好時，應優先采用遠射式挑流消能。挑流消能可通過上仰挑射角，將水流挑送到距離壩趾較遠的安全地帶，即可節約下游保護工程的造價，又能達到較好的消能效果，但這種消能方式對于下游河床或岸坡的地質條件要求較高，本工程壩高只有53m，且下游地質條件較差，達不到挑流消能的要求。

對于中壩和低壩，流量較大的情況，底流式水躍消能較為適合。底流消能利用壩身下泄急流與下游河床的緩流水躍連接，在水躍過程中，水流劇烈旋滾摻氣消能。設計相對面流式簡易安全，但因消能區距離壩趾較近，需要修建護坦等消能建筑物，造價相對較高。在工程實際應用中，因底流消能采取水躍消能，在淹沒式水躍中，可按水躍長度、位置設計護坦，但遠驅式水躍，在收縮斷面與水躍間還有很長的一段回水曲線，如果所有范圍都加以保護，經濟性太差且消能效果也不佳。針對這種情況，采用在壩趾下設置消力池，使壩下發生淹沒式水躍，節約工程量。

面流式消能通過挑流鼻坎與下游水位表面連接，利用表面急流底部旋滾消能。最適合溢洪道需下泄大量冰塊或漂浮物的情況。

該工程采用壩身表孔溢流泄洪方案，原設計方案消能防沖型式經比選后采用底流消能方式。消力池底板頂高程定為1288.50m，底板厚2m，消力池長26m，池深4.5m。消力池斷面為矩形斷面，底寬15m，兩側邊墻墻頂高程為1296.00m。消力池尾坎頂高程1293.00m，之后同高程順接海漫段。

4 新消能建筑物設計方案

由于貴州屬于巖溶較為發育的地區，在現場實施階段，開挖揭示的地質情況較上一階段優，弱風化層實際埋深比初勘階段淺4.5～6m，本著節約工程投資對方案進行調整，壩頂高程不變，大壩基礎上抬6m，消力池基礎上抬4.5m，消能措施同步進行結構調整，重新進行相關計算復核。

4.1 地質情況比較

詳勘階段的巖石物理力學試驗結果、巖體風化特征、結構類型及工程地質分類均與初勘階段相同，故巖石物理力學性指標建議值用同初勘階段相同。但根據現場勘察結果，地層的分布情況出現較大變化，尤其是巖層的分布高程顯著上抬，詳見表1。

表1 初勘和詳勘階段地質條件對比

原方案中大壩建基面位于弱風化層中上部，調整后建基面由1284.00m上抬至1290.00m，而弱風化層實際埋深比上階段上抬6m，故調整后大壩建基面依然位于弱風化層中上部。原消力池建基面坐落與強化分下部，相應的調整后由1286.50m上抬4.5m至1291.00m高程，調整后消力池基礎進入弱風化層上部。調整后的基礎條件更優。

4.2 新消能建筑物型式復核

本工程采用壩身泄洪方案，在遭遇200年、30年、10年一遇洪水時，樞紐下泄流量分別為168m3/s、113m3/s、81.1m3/s，基礎上抬、消能建筑物型式調整后相關泄量還是采用原計算參數。消能防沖型式重新進行了優選考慮，對挑流消能、底流消能、面流消能、戽式消能、臺階消能重新進行比選：

?由于采用不設閘門的自由溢流泄洪方式，下泄流量變幅大，且具有隨機性，下游水位變幅也較大，不宜采用面流及戽式消能。

?挑流消能對下游河床沖刷較大，且流量小時無法起挑，消能效果較差，依然需要深挖基礎布置護坦。

?由于上、下游最大水頭差及下泄流量相對較小，下泄歸槽條件相對較好，設計中考慮基巖面抬高依然采用底流消能方式，能夠有效保證消能效果，并不對下游河道造成沖刷。

故調整后的消能建筑物型式依然采用底流消能。

4.3 消能防沖計算成果比較分析

對原設計方案和優化后的設計方案消能防沖設計計算進行重新復核，成果見表2：

表2 消力池底流消能防沖計算成果對比

根據計算成果，擬定消力池底板頂高程由1288.50m抬高至1292.50m，底板厚度由2.0m縮減至1.5m，消力池長度由26.0m增加至28.5m，池深由4.5m減至3.0m，尾坎高程同步降低。消力池斷面為矩形，底寬15m，兩側邊墻墻頂高程由1296.00m增加至1298.50m。經過復核計算，調整以后的消力池能夠達到規范要求的消能防沖效果，并滿足抗沖抗浮計算要求。優化以后的消力池結構布置圖見下圖。

優化后的消力池縱剖面圖 (單位：cm)

5 結 語

本文結合詳勘開挖中揭露的地質情況，對翁養水庫消力池布置方案進行了優化，得出以下結論：

?優化方案消力池底板頂高程抬高4.00m，底板厚度縮減0.5m，長度2.5m，池深減小1.5m，尾坎高程同步降低，消力池斷面仍采用矩形斷面，底寬15m，兩側邊墻墻頂高程增高2.50m。

?經過復核計算，調整以后的消力池能夠達到規范要求的消能防沖效果，并滿足抗沖抗浮計算要求。

?優化方案減少了基礎開挖深度4.5m，減小兩岸山體邊坡工作面的開挖深度約2m，不僅使基礎滿足規范要求，還為左岸閘閥室的布置預留了充足的空間。

?優化后顯著減小了工程量，消力池土方明挖工程量減少1771m3，石方明挖工程量減少4685m3，消力池結構混凝土量減少398m3，共計減少消力池工程投資42.54%。