杜華冬，肖浩波

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 ，湖北 武漢 430010）

1 工程概況

某混凝土重力壩位于熱帶雨林地區(qū)，壩址河谷狹窄，河道縱坡較陡，壩后地質(zhì)條件較差。大壩為碾壓混凝土重力壩，河床部位布置溢流壩段，設(shè)三孔無(wú)閘控表孔溢流堰，兩岸布置非溢流壩段。大壩頂高程546 m，溢流堰頂高程540 m，河床建基面最低高程390 m，最大壩高156 m。

大壩上游水庫(kù)正常蓄水位540 m，相應(yīng)庫(kù)容120億m3，為一等大（1）型工程。擋泄水建筑物設(shè)計(jì)洪水頻率0.1%，校核洪水頻率0.02%。消能防沖建筑物設(shè)計(jì)洪水頻率1%。

2 設(shè)計(jì)條件

2.1 水文條件

工程所在河段洪水主要由降雨匯流形成，且洪水對(duì)降雨響應(yīng)快；枯水期很短，洪枯流量差別小。多年平均流量242 m3/s，平均年徑流量76.37億m3。

壩址各頻率洪水見表1，壩址水位流量關(guān)系見表2。

水庫(kù)正常蓄水位540 m，死水位515 m，有效調(diào)節(jié)庫(kù)容達(dá)54.75億m3，具有較強(qiáng)的蓄滯洪能力。各特征頻率洪水洪峰流量、下泄流量及相應(yīng)壩前水位如表3。

2.2 地形地質(zhì)條件

壩址位于一長(zhǎng)約1 000 m的順直河段上，河床縱向坡比約2.6%。壩址河谷狹窄，岸坡陡峻，峽谷左岸坡度43°，右岸坡度55°，谷底寬約50 m。壩區(qū)河道均覆蓋第四系沖、洪積物，岸邊可見巨大砂巖塊石。壩區(qū)巖石主要屬于早第三紀(jì)始新世濱海相地層，壩后為砂巖與頁(yè)巖、泥巖復(fù)雜組合體，其允許抗沖流速在3.5 m/s以下，屬易沖刷巖體，設(shè)計(jì)消能方式不當(dāng)將可能造成壩后嚴(yán)重沖刷而影響大壩整體穩(wěn)定。

表1 壩址各頻率洪水

表2 壩址水位流量關(guān)系

2.3 溢流壩段布置

溢流壩段布置在河床部位，設(shè)3個(gè)壩段，沿壩軸線總寬約60 m，表孔孔口凈寬54 m。大壩上游面高程470 m以上直立，高程470 m以下設(shè)1∶0.2折坡，大壩下游面坡比1∶0.8。溢流壩段橫剖面見圖1。圖中高程以m計(jì)，結(jié)構(gòu)尺寸以cm計(jì)。

表3 壩址水位流量關(guān)系

圖1 溢流壩段剖面圖

3 消能工設(shè)計(jì)

3.1 消能型式比選

大壩最大高度達(dá)156 m，河谷底寬僅50 m，河道縱坡達(dá)2.6%，設(shè)計(jì)泄量下下游尾水位僅為412.3 m，相應(yīng)下游水深僅約2.3 m，壩后巖體抗沖流速僅為 3.5 m/s。

大壩高度大，下泄水流能量高，且尾水位淺，河谷狹窄，不具備面流消能條件；而由于河道縱坡陡，尾水位淺，若采用底流消能方式，將需要設(shè)置70 m長(zhǎng)的復(fù)合式消力池，消力池下挖深度達(dá)7 m，消力池尾坎高1 m，開挖和混凝土工程量均較大，且消力池深挖對(duì)大壩穩(wěn)定較為不利，故底流消能方式亦不甚適用。

工程所在河流豐枯水量差別小，通常情況下，下泄流量較為均勻，大壩高，水流可以起挑，具備采用挑流消能方式的基本條件。同時(shí)挑流消能僅需在壩體下游部分適當(dāng)增加反弧段及挑流鼻坎等設(shè)施即可，工程量較小。

但壩后巖體抗沖性能較差，若僅單獨(dú)采用挑流消能方式，挑距及沖坑深度將不能滿足大壩安全需要，故需在挑流消能工上游利用壩身結(jié)構(gòu)先消減部分能量。參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，可采用寬尾墩加壩面臺(tái)階進(jìn)行先期消能，剩余能量經(jīng)挑流鼻坎挑出安全的距離。

在采用寬尾墩加臺(tái)階消能方式的條件下，若下游采用底流消能方式，與挑流消能方式相比較，前者的工程量仍遠(yuǎn)大于后者。

經(jīng)上述綜合分析比較，確定采用寬尾墩加壩面臺(tái)階再接挑流消能的聯(lián)合消能方式。

3.2 寬尾墩消能[1，2，3，4]

寬尾墩消能方式首先由我國(guó)水利工程設(shè)計(jì)人員提出，通常與挑流消能或底流消能方式聯(lián)合運(yùn)用。第一個(gè)應(yīng)用寬尾墩方式的是潘家口水利樞紐，系與挑流消能相結(jié)合。隨后，寬尾墩消能方式得到了迅速推廣。潘家口水利樞紐建成于1983年，迄今運(yùn)行良好。

寬尾墩墩尾的擴(kuò)展，使得出泄水流平面收縮和側(cè)緣豎向抬升，形成凹形水面，改變了水流壓力分布和水股流向，造成水流內(nèi)部紊動(dòng)消能，同時(shí)增強(qiáng)了對(duì)水流側(cè)緣摩擦、撞擊作用。水流過墩尾后，在慣性作用下，繼續(xù)收縮一段距離，然后側(cè)緣降低，水流平面擴(kuò)展，水面由凹形變?yōu)橥剐?。在這一過程中，墩尾空腔對(duì)水流大量摻氣，同時(shí)水流內(nèi)部壓力、流速、流向變化劇烈，強(qiáng)烈摻混，進(jìn)一步消能。

但較之平尾墩，寬尾墩的存在會(huì)影響斷面的過流能力。因此選擇合適的收縮率至關(guān)重要，使得寬尾墩既不對(duì)過流能力造成較大影響，又能確保消能效果。對(duì)寬尾墩收縮率的研究仍處在經(jīng)驗(yàn)公式階段，實(shí)際設(shè)計(jì)中常采用工程類比，并經(jīng)模型試驗(yàn)確定。

寬尾墩有矩形、X形、Y形等多種形式。該工程通常情況下流量較小，校核洪水下單寬流量約7 m3/(s·m)，采用體形簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、施工及維護(hù)方便的矩形寬尾墩即可，墩尾向兩邊各擴(kuò)展2 m。

3.3 臺(tái)階消能[4，5，6]

臺(tái)階式泄槽的水流特點(diǎn)是臺(tái)階干擾水流運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)水流紊動(dòng)摻氣，并利用臺(tái)階對(duì)水流的撞擊消能。下泄水流被壩面臺(tái)階沿級(jí)阻擋，從上一級(jí)臺(tái)階前沿跌落，在下一級(jí)臺(tái)階面產(chǎn)生撞擊，并在臺(tái)階內(nèi)凹處形成水平軸旋滾，上部水流紊動(dòng)，在水氣接觸面摻氣。在這一連串的跌、擊、旋滾、摻氣的過程中，下泄水流的能量得到消殺。在一定的臺(tái)階形狀及尺寸下，小流量時(shí)，跌、擊起主要消能作用；流量較大時(shí)旋滾、摻氣起主要消能作用；在摻氣飽和的情況下，形成水深、流速沿程不變的穩(wěn)定滑行水流。

臺(tái)階式泄槽與末端消能工組合的消能方式更能適應(yīng)高水頭、窄河谷泄洪消能工程。

臺(tái)階消能工已得到廣泛應(yīng)用，但臺(tái)階消能率研究尚處于試驗(yàn)階段，至今并無(wú)統(tǒng)一公式。大量試驗(yàn)研究表明，臺(tái)階消能率可達(dá)20%～80%。臺(tái)階消能率總體隨流量增大而降低。

根據(jù)該工程溢流壩段斷面型式，參照類似工程，臺(tái)階高寬比取為1∶0.8，單級(jí)臺(tái)階高1 m，寬0.8 m，共計(jì)126級(jí)。

3.4 挑流消能

相較于寬尾墩消能和臺(tái)階消能，挑流消能在理論和應(yīng)用上均更成熟。

臺(tái)階末端的反弧段及挑流鼻坎將下泄水流挑出，出射水流在重力及空氣阻力等的作用下，擴(kuò)散、摩擦、相互撞擊消除一部分能量；水流射入下游河床，沖擊水墊，并產(chǎn)生劇烈紊動(dòng)，消除剩余能量。

根據(jù)計(jì)算比較，擬定該工程反弧半徑30 m，挑射角 25°。

3.5 消能計(jì)算

考慮到高壩溢流堰光滑壩面消能率一般可達(dá)10%，而消能防沖設(shè)計(jì)中通常不計(jì)光滑壩面消能率，直接取堰上總水頭Hy進(jìn)行計(jì)算，故在該次計(jì)算中取臺(tái)階末端水頭H0為

根據(jù)DL 5108-1999《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，挑流消能設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)各級(jí)下泄流量進(jìn)行水力計(jì)算，估算水舌挑射距離、最大沖坑深度。挑流水舌挑射距離和跌入下游河床的最大沖坑深度可按照該規(guī)范附錄C計(jì)算。消能計(jì)算結(jié)果見表4。

計(jì)算各級(jí)流量下挑距約90 m，相應(yīng)位置下游水深 2.3～2.7 m，流速約 1.4～2.2 m/s，不會(huì)對(duì)下游河床造成嚴(yán)重沖刷。

4 模型試驗(yàn)及設(shè)計(jì)優(yōu)化

為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，委托長(zhǎng)江科學(xué)院進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)。這次試驗(yàn)分別測(cè)定了臺(tái)階壩面摻氣的起始位置、壩面水面線、壩面壓力和臺(tái)階消能率。

表4 消能計(jì)算結(jié)果

斷面模型試驗(yàn)選用水槽寬度B=0.6 m，上游模型高H=2.8 m。模型比例為1∶40，模擬兩孔(含兩個(gè)整墩)，在每隔10級(jí)臺(tái)階的立面和平面上分別均勻布置兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)臺(tái)階壩面的消能率可達(dá)79%～86%。但50級(jí)以上的臺(tái)階存在空蝕可能，需增強(qiáng)摻氣措施。經(jīng)研究決定采用前置摻氣坎。摻氣坎位于寬尾墩末端溢流面上，高35 cm。通過對(duì)模型修正并重新試驗(yàn)，采用前置摻氣坎對(duì)50級(jí)臺(tái)階以上水流摻氣效果良好，消除了整個(gè)壩面空蝕隱患。

5 結(jié)語(yǔ)

該工程處于窄河谷區(qū)，最大壩高156 m，壩后巖體軟弱易沖刷，設(shè)計(jì)采用寬尾墩加臺(tái)階加挑流聯(lián)合消能，并經(jīng)模型試驗(yàn)修正，取得了良好的消能效果，可供類似工程借鑒。

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