大壩底流消能方案關鍵問題探討
——以海口市南渡江龍塘大壩為例

曹 陽，包第嘯

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

海口市南渡江龍塘大壩樞紐地處南渡江流域下游，工程的任務以供水為主，兼顧灌溉、生態補水、旅游、航運、發電等，并為改善上游防洪排澇創造條件。水庫正常蓄水位8.35 m，設計洪水位12.99 m，校核洪水位14.64 m，總庫容1.7億m3，電站裝機容量5 MW，工程等別為Ⅱ等大（2）型工程。

工程主要建筑物為2 級，設計洪水標準為50 a一遇，校核洪水標準為300 a一遇。設計洪水洪峰流量及最大下泄流量為11 600 m3/s，相應上游洪水位12.99 m、下游洪水位12.51 m；校核洪水洪峰流量及最大下泄流量為14 300 m3/s，相應上游洪水位14.64 m、下游洪水位14.03 m。

本工程擋水及泄水建筑物為攔河閘，布置于河床部位，由泄洪閘和控泄閘兩部分組成。泄洪閘采用開敞式結構，閘門選用平面鋼閘門，共8 孔，單孔凈寬20.0 m；控泄閘采用胸墻式結構，閘門選用弧形閘門，擋水高程8.35 m，2 孔，單孔凈寬10.0 m。堰型均選用駝峰堰，底板進口高程-3.00 m，堰頂高程0.00 m。

工程區所處河道為典型的平原區河流。根據《水閘設計規范》（SL265-2016）的相關規定，考慮平原地區水閘水頭一般較低、河道土質抗沖能力較小、下游水位變化較大的特點，本工程水閘閘下采用底流式消能方式。

1 樞紐興利和防洪調度方式與消能計算工況的選取

底流消能計算的關鍵問題之一就是工況的選取問題，關乎消力池計算的正確與否。而工況與樞紐的調度方式息息相關，下文著重探討調度方式與工況二者之間的關聯性。

南渡江龍塘大壩為平原型水庫，洪水有來勢迅猛、峰高、過程尖瘦等特點。樞紐興利時調度原則如下：龍塘壩正常運行時盡可能維持正常蓄水位8.35 m。①當上游來水量小于900.22 m3/s（此流量為2 孔控泄閘全開時的泄量，通過泄流能力計算得到）時，通過2 孔控泄閘控制泄流量，以維持上游正常蓄水位8.35 m；②當上游來水量大于900.22 m3/s 小于5 406.44 m3/s（此流量為8 孔泄洪閘全開時的泄量，通過泄流能力計算得到）時，逐步開啟8孔泄洪閘閘門泄洪，并調節控泄閘開度，以維持上游正常蓄水位8.35 m。樞紐泄洪時調度原則如下：當上游來水量大于5 406.44 m3/s時，泄洪閘閘門全部打開，同時關閉控泄閘閘門，洪水自由下泄，水位上漲，水庫發揮滯洪作用；洪水過后，逐步下閘，控制水位降低至正常蓄水位。

根據興利和防洪調度方式，確定消能計算工況。工況一：當天然來流量較小時，通過控制控泄閘的開度調節泄流量，以維持上游正常蓄水位8.35 m，閘門開度分別為0.15、0.25、0.35、0.45、0.55。工況二：當天然來流量較小時，通過啟閉2孔控泄閘控制泄流量，以維持上游正常蓄水位8.35 m。工況三：當天然來流量較大時，2孔控泄閘全部開啟后無法維持上游正常蓄水位，通過分別開啟8孔泄洪閘閘門宣泄洪水，以維持上游正常蓄水位8.35 m。工況四：當天然來流量逐漸趨近于校核洪水時，已無法維持上游正常蓄水位8.35 m，此時泄洪閘閘門全部開啟，上下游水位上升。

各工況水位流量關系，見表1—4。

表1 工況一水位流量關系

表2 工況二水位流量關系

表3 工況三水位流量關系

表4 工況四水位流量關系

2 消力池深度計算工況選取

2.1 消力池深度計算公式

消力池深度按《水閘設計規范》（SL265-2016）附錄B公式進行計算：

式（1）—（4）中：d為消力池深度（m）；σ0為水躍淹沒系數；為躍后水深（m）；hc為收縮水深（m）；g為重力加速度（m/s2），采用9.81；α為水流動能校正系數，采用1.05；φ為流速系數，采用0.95；q為過閘單寬流量（m3/s）；b1為消力池首端寬度（m）；b2為消力池末端寬度（m）；T0為由消力池底板頂面算起的總勢能（m）；ΔZ為出池落差（m）；為出池河床水深（m）。

2.2 消力池深度計算工況選擇原則

在式（1）中略去ΔZ，且為消力池深度為0時的躍后水深，此時消力池高程為下游河床高程，可得消力池深度粗估近似公式：

2.3 計算結果及分析

根據表1—4 水位流量關系的數據及式（2）、（3），計算在不設置下挖式消力池時所對應的躍后水深和出池河床水深，并通過判斷消力池深度設計工況。計算結果見表5—7，如圖1 所示。

表5 控泄閘消力池判別

表6 泄洪閘消力池判別（工況三）

表7 泄洪閘消力池判別（工況四）

圖1 泄流量與出池河床水深及躍后水深對應情況

3 消力池深度計算

3.1 消力池深度計算思路和步驟

（1）初擬d，通過閘前水頭、出池河床高程等已知條件得到消力池底板頂面算起的總勢能。

（2）將q和T0代入式（3），求得hc。

（3）將hc代入式（2），求得。

（4）將已得數值代入式（4），求得出池落差。

（5）將d、、代入式（1），求得在該消力池深度下的σ0。

（6）對σ0進行分析：①當σ0＜1.05 時，可能產生遠驅式水躍，消能效果不明顯，極易對下游產生沖刷，應加大消力池深度，重新計算；②當σ0＞1.10時，淹沒度過大，產生淹沒水躍，此時將形成落底射流，反而對消能產生不利影響，其產生的射流極易沖刷下游河床，嚴重程度不亞于遠驅式水躍，應減小消力池深度，重新計算；③當1.05≤σ0≤1.10 時，此時所產生的水躍為稍有淹沒的臨界式水躍，消能效果最為理想，此時的消力池深度即可作為最終的設計結果。

3.2 消力池深度計算過程及結果分析

按照上述步驟經過試算，在最不利工況二控泄閘開1 孔時，消力池深度取2.5 m，滿足1.05≤σ0≤1.10的要求，計算結果見表8。

表8 消力池深度計算結果

當消力池深度取2.5 m 即消力池底板頂高程-5.50 m時，可以滿足消力池深度要求。

4 消力池長度計算

4.1 消力池長度計算公式

消力池長度按《水閘設計規范》（SL265-2016）附錄B公式進行計算：

式中：Lsj為消力池長度（m）；Ls為消力池斜坡段水平投影長度（m）；β為水躍長度校正系數，采用0.8；Lj為水躍長度（m）；其余變量含義同上。

4.2 消力池長度計算思路和步驟

（1）消力池長度決定性因素討論。①消力池長度取決于水躍長度，與共軛水深之差成正比，由共軛水深性質可知與hc成反比，即消力池長度與成正比；②根據《水力計算手冊》（第二版）躍后水深求解曲線可以看出，與臨界水深hk成正比，與T0/hk成反比；③根據臨界水深計算公式可知，hk與q成正比；④由上述推導可得出結論，在總勢能相同或相近似的情況下，消力池長度與q成正比。

（2）消力池深度為設計深度時，通過式（1）—（4）計算得出及消力池水平段長度。

（3）對σ0進行驗算：①各工況不可出現σ0＜1.05即遠驅式水躍的情況，若出現則消力池深度計算結果錯誤；②當計算結果中出現σ0＞1.10 即淹沒水躍的情況，消力池中無法形成有效水躍，此種工況不能作為消力池長度的設計工況；③當1.05≤σ0≤1.10時即出現稍有淹沒的臨界式水躍時，選取最大值作為設計值，工況作為設計工況。

4.3 消力池長度計算過程及結果分析

消力池長度計算結果，見表9—11。

表9 控泄閘消力池長度計算結果

表10 泄洪閘（工況三）消力池長度計算結果

表11 泄洪閘（工況四）消力池長度計算結果

經上述分析，得出以下結論：①通過對工況一至工況四的計算，消力池深度取2.5 m 時，各工況所產生的水躍均為淹沒水躍，消力池深度滿足設計要求；②由于工況三中泄洪閘開孔數大于3 孔和工況四，水躍淹沒系數均大于1.10，不能作為消力池長度的設計工況；③能夠在消力池中產生有效水躍且消力池水平段長度最大值出現在工況三泄洪閘開孔數為2孔時，此工況水平段長度為31.29 m，消力池斜坡段長度為2.80 m，故計算得消力池總長34.09 m，取35.00 m；④通過水躍淹沒系數在1.05≤σ0≤1.10 的數據進行對比分析發現，在總勢能為近似值時，單寬流量與消力池長度成正比，滿足前述分析的結果，計算成果符合理論分析結果。

5 結語

（1）本工程具有泄洪流量大、水頭低、單寬流量大、洪水調度方式復雜等特點，因此消力池的設計應作為工程設計的重點。

（2）消力池設計的首要問題是工況的選取，尤其是對運行調度較復雜的工程更應將所有可能出現的工況及對應的流量、水位分析清楚。

（3）在消力池深度計算時，應重點關注單寬流量較大且總流量較小時的工況，此時的躍后水深較大且下游河床水深較淺，必然出現遠驅式水躍的情況。

（4）消力池的長度由水躍長度決定，一般來說水躍長度隨著單寬流量的增加而增長，在消力池長度設計時應注意較大流量的情況。