考虑台阶式溢流坝消能作用下的消力池优化设计

刘大刚，范 平，李贵平

（湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007）

前 言

当前台阶式泄槽溢洪道已成为国内外泄洪建筑物上一种常用的消能工型式，而且应用范围越来越广泛。台阶式溢流坝在我国起步稍晚，但发展较快，越来越多的大中型工程开始采用台阶式溢流坝与其它消能设施的组合型式，在台阶式溢流坝应用和研究方面取得了较大进展。马朋辉等[1]等通过3 个不同的水工模型试验，将台阶式溢洪道与光滑溢洪道进行对比，引入台阶式溢洪道相对水力参数，分析了相对水力参数沿程变化情况及相对临界水深、坡度对其影响。贾洪涛[2]通过数值模拟的方法，研究了不同台阶形式对阶梯溢洪道水力学特性的影响研究，得出了不同台阶形式的消能特性规律。张峰[3]等在试验室开展不同单宽流量、台阶高度和坝面坡度情况下的模型试验研究，分析了台阶式溢洪道纯台阶消能率的研究成果。田嘉宁[4]等通过模型试验研究了台阶式溢流坝3 种坝坡及不同台阶高度时的压强、水跃长度及特性，提出了计算水跃长度的经验公式。易晓华[5]等结合索风营水电站的设计和水工模型试验结果，研究了宽尾墩坝面台阶联合消能工的消能率。目前对于大中型水利水电工程台阶式坝面消能率的确定，会采取多种办法进行计算和验证，基本上都会进行消能工物理模型试验。而对于数量众多的小型水利水电工程，则由于各种条件和环境的限制，导致很多工程无法开展水工模型试验，则合理地确定台阶式坝面消能率对于下游消能设施的设计是一个重要的问题。下面以营乐源水库工程为例进行探索。

1 工程概况

营乐源水库是一座以灌溉为主的小（Ⅰ）型水库，设计灌溉面积为1.49 万亩，工程等别为Ⅳ等。坝址位于宜水一级支流大溶坝上游清塘镇老中坪村，坝址以上控制流域面积19.2 km2。水库正常蓄水位405.00 m，相应库容440.00 万m3，30 年一遇设计洪水位为406.84 m，相应库容483.20 万m3，200 年一遇校核洪水位为407.36 m，水库总库容495.30 万m3[6]。

坝址位于月岩林场北河峡谷出口处，河流流向为N20°E，枯水期河水面宽2～12 m，河水面高程351.8～355.5 m，该段峡谷长约200 m，坝轴线下游约150 m 处河道向右偏转约80°，为“V”型谷，河谷宽15～20 m。坝址地处红岩～瓦札湾压扭性断裂之西侧，岩层产状变化大N55～85°W～N20～75°E ，NE（NW）∠18°～60°，倾向下游，为横向河谷。坝址出露基岩为泥盆系中统碎屑岩，第四系地层主要有：崩积层、冲洪积层及残坡积层。大坝建基面高程341.5 m，为弱风化石英砂岩、粉砂岩，中厚～巨厚层状，属中硬～坚硬岩，岩石本身抗冲刷能力较强，但由于节理裂隙切割，岩体完整性较差，其抗冲流速为4～6 m/s。

2 泄流建筑物设

本工程挡水建筑物为混凝土重力坝，溢流坝段居中布置，位于河道中央。设计采用开敞式无闸门控制的坝身表孔泄流，堰型选择泄流能力强的WES 堰，经计算溢流孔口尺寸采用3 孔8 m×2.5 m（宽×高）即可满足泄洪要求。溢流坝坝顶高程408.50m，建基面高程341.50 m，最大坝高67.00 m，坝底宽度55.55 m。溢流堰面采用“WES”实用堰，堰顶高程405.00 m，堰型定型设计水头取最大堰上水头的0.90 倍，即Hd＝2.12 m，上游堰面曲线为1/4 椭圆，椭圆横半轴2.50 m，纵半轴1.44 m，下游堰面为y=0.264×1.85 的幂曲线、直线段和R=15.0 m 的反弧段相切连接。溢流坝面在易产生空蚀现象的溢流面高程382.90 m 处布置一道掺气槽，自掺气槽以下的溢流坝面设置台阶跌坎，确定台阶高度1 m、宽度0.75 m，台阶级数总共30 阶，以增强下泄水流的消能效果。溢流坝段标准断面见图1。

图1 溢流坝段标准断面图

经分析，溢流坝面水流泄放到下游后无法形成稳定的面流和戽流，可考虑采用的消能方式有挑流消能和底流消能。地勘报告中针对大坝下游一定范围内的坝基抗冲刷稳定问题，提醒设计应予以重视，建议在坝下游设置消力池、护坦等工程措施进行处理。采用底流消能还具有水声水雾对当地居民生活影响非常小的优点。综合分析，最终选取底流消能方式。

3 泄流消能计算分析

本工程大坝主要建筑物溢流坝按4 级建筑物设计，根据规范[7]洪水标准取值：设计洪水标准为30 年一遇重现期，设计洪峰流量为136 m3/s，相应下泄流量98 m3/s，校核洪水标准为200 年一遇重现期，校核洪峰流量为188 m3/s，相应下泄流量142 m3/s；消能防冲设计洪水标准为20 年一遇重现期，洪峰流量为124 m3/s，相应下泄流量88 m3/s。

3.1 不考虑台阶消能作用下的消能设计计算

当不考虑台阶消能作用时，按照规范[8]对下游消力池进行消能计算。对各级水位进行平底水跃计算，计算成果见表1。

表1 不考虑台阶坝面消能作用下各洪水工况下消力池计算成果表

水跃淹没系数以1.05～1.10 为控制条件进行消力池设计，根据规范本工程消能设计洪水标准为20 年一遇重现期，综合考虑，消力池宽度为16 m，池深取3.0 m，池长35 m。根据抗冲和抗浮计算结果，消力池底板厚度需达到3 m。若不考虑台阶坝面消能作用，则消力池池深要求较大，底板基础需要开挖的深度增加，池长较大导致所需的混凝土方量也较大，同时由于在大坝下游挖除较多的基岩覆重，对于大坝的深层抗滑稳定不利。

3.2 考虑台阶消能作用下的消能设计计算

当考虑台阶消能作用时，按照《水工设计手册（第2 版）》[9]中介绍的方法，首先判断各设计洪水工况下溢流坝台阶面上水流流态，然后采用《水工设计手册（第2 版）》中推荐的半经验计算方法“H.Chanson 公式”和经验公式计算方法“南京水利科学研究院公式”，对台阶式坝面的消能率进行计算，计算结果如表2。

表2 不同计算方法下台阶式坝面消能率计算结果

根据类似工程晒北滩水电站水工模型试验成果，采用台阶式坝面消能，具有良好的消能效果，坝面流态绝大多数情况为滑移流，水工模型试验单宽流量范围为8.55～42.5 m3/s,台阶坝面的消能率为82.5%～64.7%，消能率随单宽流量的增大而减小[10]。毛俊水库工程也进行了台阶溢流坝水工模型试验，单宽流量6.68～35.65m3/s 时，台阶坝面消能率为70.55%～38.44%[11]，同样试验结果表明消能率随单宽流量的增大而减小，当溢流坝面单宽流量小于20 m3/s，台阶式坝面具有较好的消能效果。本工程泄流建筑物没有进行水工模型试验，通过采用上述半经验公式和经验公式对消能率进行计算，结果表明随着单宽流量的增大台阶式坝面消能率呈下降趋势，但由于本工程各工况下单宽流量均不大，各工况消能率依然较高。对比两种公式计算结果发现，整体上经验公式计算的消能率偏高，为安全计本工程采用半经验公式计算的结果。计算得出的各工况下台阶式坝面消能率为77.80%～81.00%，然后再考虑台阶坝面消能作用下进行消力池设计计算，成果见表3。

表3 考虑台阶坝面消能作用下各洪水工况下消力池计算成果表

水跃淹没系数以1.05～1.10 为控制条件进行消力池设计，根据规范本工程消能设计洪水标准为20 年一遇重现期，综合考虑，消力池宽度为16 m，池深取2.0 m，池长31 m，消力池底板厚度为2.5 m。相对于不考虑台阶坝面消能作用时，消力池深减小约30%，消力池长缩短约15%，则消力池底板基础需要开挖的深度可以减小，所需的混凝土工程量也会减少。改进设计后的消力池方案对于加快项目进度、节约工程投资和溢流坝段深层抗滑稳定有利。

4 小 结

根据半经验和经验公式计算结果对比发现，采用半经验公式计算出的营乐源水库工程台阶式坝面在各洪水工况下的消能率相对稍小，参照类似工程已经开展的台阶式坝面消能水工试验模型成果，半经验公式计算结果与试验成果更为接近。按此确定出台阶式坝面消能率，然后进行下游消力池的设计则更加科学合理，可以在一定程度上节省工程投资、加快建设进度。

对采用半经验公式进行台阶式坝面消能率计算的成果分析，在单宽流量相同的情况下，其计算的台阶式坝面消能率与同类工程的试验结果比较接近，该方法的计算成果具有一定的可信度。由于台阶式坝面消能的相关计算方法和理论仍不是十分成熟和完善，在今后工程完建运行过程中，要进一步密切观测消能工的运行效果，对设计进行验证和完善。