考慮臺階式溢流壩消能作用下的消力池優化設計

劉大剛，范 平，李貴平

（湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007）

前 言

當前臺階式泄槽溢洪道已成為國內外泄洪建筑物上一種常用的消能工型式，而且應用范圍越來越廣泛。臺階式溢流壩在我國起步稍晚，但發展較快，越來越多的大中型工程開始采用臺階式溢流壩與其它消能設施的組合型式，在臺階式溢流壩應用和研究方面取得了較大進展。馬朋輝等[1]等通過3 個不同的水工模型試驗，將臺階式溢洪道與光滑溢洪道進行對比，引入臺階式溢洪道相對水力參數，分析了相對水力參數沿程變化情況及相對臨界水深、坡度對其影響。賈洪濤[2]通過數值模擬的方法，研究了不同臺階形式對階梯溢洪道水力學特性的影響研究，得出了不同臺階形式的消能特性規律。張峰[3]等在試驗室開展不同單寬流量、臺階高度和壩面坡度情況下的模型試驗研究，分析了臺階式溢洪道純臺階消能率的研究成果。田嘉寧[4]等通過模型試驗研究了臺階式溢流壩3 種壩坡及不同臺階高度時的壓強、水躍長度及特性，提出了計算水躍長度的經驗公式。易曉華[5]等結合索風營水電站的設計和水工模型試驗結果，研究了寬尾墩壩面臺階聯合消能工的消能率。目前對于大中型水利水電工程臺階式壩面消能率的確定，會采取多種辦法進行計算和驗證，基本上都會進行消能工物理模型試驗。而對于數量眾多的小型水利水電工程，則由于各種條件和環境的限制，導致很多工程無法開展水工模型試驗，則合理地確定臺階式壩面消能率對于下游消能設施的設計是一個重要的問題。下面以營樂源水庫工程為例進行探索。

1 工程概況

營樂源水庫是一座以灌溉為主的小（Ⅰ）型水庫，設計灌溉面積為1.49 萬畝，工程等別為Ⅳ等。壩址位于宜水一級支流大溶壩上游清塘鎮老中坪村，壩址以上控制流域面積19.2 km2。水庫正常蓄水位405.00 m，相應庫容440.00 萬m3，30 年一遇設計洪水位為406.84 m，相應庫容483.20 萬m3，200 年一遇校核洪水位為407.36 m，水庫總庫容495.30 萬m3[6]。

壩址位于月巖林場北河峽谷出口處，河流流向為N20°E，枯水期河水面寬2～12 m，河水面高程351.8～355.5 m，該段峽谷長約200 m，壩軸線下游約150 m 處河道向右偏轉約80°，為“V”型谷，河谷寬15～20 m。壩址地處紅巖～瓦札灣壓扭性斷裂之西側，巖層產狀變化大N55～85°W～N20～75°E ，NE（NW）∠18°～60°，傾向下游，為橫向河谷。壩址出露基巖為泥盆系中統碎屑巖，第四系地層主要有：崩積層、沖洪積層及殘坡積層。大壩建基面高程341.5 m，為弱風化石英砂巖、粉砂巖，中厚～巨厚層狀，屬中硬～堅硬巖，巖石本身抗沖刷能力較強，但由于節理裂隙切割，巖體完整性較差，其抗沖流速為4～6 m/s。

2 泄流建筑物設

本工程擋水建筑物為混凝土重力壩，溢流壩段居中布置，位于河道中央。設計采用開敞式無閘門控制的壩身表孔泄流，堰型選擇泄流能力強的WES 堰，經計算溢流孔口尺寸采用3 孔8 m×2.5 m（寬×高）即可滿足泄洪要求。溢流壩壩頂高程408.50m，建基面高程341.50 m，最大壩高67.00 m，壩底寬度55.55 m。溢流堰面采用“WES”實用堰，堰頂高程405.00 m，堰型定型設計水頭取最大堰上水頭的0.90 倍，即Hd＝2.12 m，上游堰面曲線為1/4 橢圓，橢圓橫半軸2.50 m，縱半軸1.44 m，下游堰面為y=0.264×1.85 的冪曲線、直線段和R=15.0 m 的反弧段相切連接。溢流壩面在易產生空蝕現象的溢流面高程382.90 m 處布置一道摻氣槽，自摻氣槽以下的溢流壩面設置臺階跌坎，確定臺階高度1 m、寬度0.75 m，臺階級數總共30 階，以增強下泄水流的消能效果。溢流壩段標準斷面見圖1。

圖1 溢流壩段標準斷面圖

經分析，溢流壩面水流泄放到下游后無法形成穩定的面流和戽流，可考慮采用的消能方式有挑流消能和底流消能。地勘報告中針對大壩下游一定范圍內的壩基抗沖刷穩定問題，提醒設計應予以重視，建議在壩下游設置消力池、護坦等工程措施進行處理。采用底流消能還具有水聲水霧對當地居民生活影響非常小的優點。綜合分析，最終選取底流消能方式。

3 泄流消能計算分析

本工程大壩主要建筑物溢流壩按4 級建筑物設計，根據規范[7]洪水標準取值：設計洪水標準為30 年一遇重現期，設計洪峰流量為136 m3/s，相應下泄流量98 m3/s，校核洪水標準為200 年一遇重現期，校核洪峰流量為188 m3/s，相應下泄流量142 m3/s；消能防沖設計洪水標準為20 年一遇重現期，洪峰流量為124 m3/s，相應下泄流量88 m3/s。

3.1 不考慮臺階消能作用下的消能設計計算

當不考慮臺階消能作用時，按照規范[8]對下游消力池進行消能計算。對各級水位進行平底水躍計算，計算成果見表1。

表1 不考慮臺階壩面消能作用下各洪水工況下消力池計算成果表

水躍淹沒系數以1.05～1.10 為控制條件進行消力池設計，根據規范本工程消能設計洪水標準為20 年一遇重現期，綜合考慮，消力池寬度為16 m，池深取3.0 m，池長35 m。根據抗沖和抗浮計算結果，消力池底板厚度需達到3 m。若不考慮臺階壩面消能作用，則消力池池深要求較大，底板基礎需要開挖的深度增加，池長較大導致所需的混凝土方量也較大，同時由于在大壩下游挖除較多的基巖覆重，對于大壩的深層抗滑穩定不利。

3.2 考慮臺階消能作用下的消能設計計算

當考慮臺階消能作用時，按照《水工設計手冊（第2 版）》[9]中介紹的方法，首先判斷各設計洪水工況下溢流壩臺階面上水流流態，然后采用《水工設計手冊（第2 版）》中推薦的半經驗計算方法“H.Chanson 公式”和經驗公式計算方法“南京水利科學研究院公式”，對臺階式壩面的消能率進行計算，計算結果如表2。

表2 不同計算方法下臺階式壩面消能率計算結果

根據類似工程曬北灘水電站水工模型試驗成果，采用臺階式壩面消能，具有良好的消能效果，壩面流態絕大多數情況為滑移流，水工模型試驗單寬流量范圍為8.55～42.5 m3/s,臺階壩面的消能率為82.5%～64.7%，消能率隨單寬流量的增大而減小[10]。毛俊水庫工程也進行了臺階溢流壩水工模型試驗，單寬流量6.68～35.65m3/s 時，臺階壩面消能率為70.55%～38.44%[11]，同樣試驗結果表明消能率隨單寬流量的增大而減小，當溢流壩面單寬流量小于20 m3/s，臺階式壩面具有較好的消能效果。本工程泄流建筑物沒有進行水工模型試驗，通過采用上述半經驗公式和經驗公式對消能率進行計算，結果表明隨著單寬流量的增大臺階式壩面消能率呈下降趨勢，但由于本工程各工況下單寬流量均不大，各工況消能率依然較高。對比兩種公式計算結果發現，整體上經驗公式計算的消能率偏高，為安全計本工程采用半經驗公式計算的結果。計算得出的各工況下臺階式壩面消能率為77.80%～81.00%，然后再考慮臺階壩面消能作用下進行消力池設計計算，成果見表3。

表3 考慮臺階壩面消能作用下各洪水工況下消力池計算成果表

水躍淹沒系數以1.05～1.10 為控制條件進行消力池設計，根據規范本工程消能設計洪水標準為20 年一遇重現期，綜合考慮，消力池寬度為16 m，池深取2.0 m，池長31 m，消力池底板厚度為2.5 m。相對于不考慮臺階壩面消能作用時，消力池深減小約30%，消力池長縮短約15%，則消力池底板基礎需要開挖的深度可以減小，所需的混凝土工程量也會減少。改進設計后的消力池方案對于加快項目進度、節約工程投資和溢流壩段深層抗滑穩定有利。

4 小 結

根據半經驗和經驗公式計算結果對比發現，采用半經驗公式計算出的營樂源水庫工程臺階式壩面在各洪水工況下的消能率相對稍小，參照類似工程已經開展的臺階式壩面消能水工試驗模型成果，半經驗公式計算結果與試驗成果更為接近。按此確定出臺階式壩面消能率，然后進行下游消力池的設計則更加科學合理，可以在一定程度上節省工程投資、加快建設進度。

對采用半經驗公式進行臺階式壩面消能率計算的成果分析，在單寬流量相同的情況下，其計算的臺階式壩面消能率與同類工程的試驗結果比較接近，該方法的計算成果具有一定的可信度。由于臺階式壩面消能的相關計算方法和理論仍不是十分成熟和完善，在今后工程完建運行過程中，要進一步密切觀測消能工的運行效果，對設計進行驗證和完善。