□董明玥（營口市水利勘測(cè)建筑設(shè)計(jì)院）

水庫消能設(shè)施的選擇與設(shè)計(jì)

□董明玥（營口市水利勘測(cè)建筑設(shè)計(jì)院）

近年來各地開展了不少小型水庫除險(xiǎn)加固工程項(xiàng)目，對(duì)水庫大壩、溢洪道、輸水洞等進(jìn)行加固維修，其中由于消能設(shè)施設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)較低易出現(xiàn)損壞，常常被列入除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中。文章以楊堡水庫為例，詳述了小型水庫消能設(shè)施的選擇與設(shè)計(jì)過程，為其他相關(guān)工程提供經(jīng)驗(yàn)與參考。

小型水庫；除險(xiǎn)加固；溢洪道；消能

1 概述

溢洪道是泄水建筑物的一種，用于宣泄水庫中多余的洪水，如果消能措施不當(dāng)，下游河床和岸坡會(huì)遭受沖刷，嚴(yán)重的甚至?xí)＜耙绾榈篮痛髩伟踩?。溢洪道按其所在位置的不同分為河岸式與河床式兩種。小型水庫多為河岸式溢洪道，一般采用底流消能或挑流消能，也可采用面流、戽流等其他形式。

2 工程概況

楊堡水庫位于蓋州市楊運(yùn)鎮(zhèn)三道溝屯熊岳河上游右岸支流上。庫區(qū)流域面積3.80 km2，壩址以上河道長(zhǎng)2.22 km，河道平均比降為136.00‰，是一座灌溉、防洪等綜合利用的?。?）型水庫。水庫于1976年在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上動(dòng)工興建，并于1979年汛末攔蓄洪水，為了提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，于1980年對(duì)水庫進(jìn)行續(xù)建維修，之后投入正常使用。由于水庫年久失修，加上洪水破壞，近年來溢洪道泄槽段及消能設(shè)施損毀嚴(yán)重，需要重新設(shè)計(jì)維修。

3 消能方案的選擇

楊堡水庫溢洪道包括引水渠、平底槽、泄槽、消能防沖設(shè)施及出水渠五部分。溢洪道兩側(cè)為山體巖石邊坡，巖石裸露，基礎(chǔ)為強(qiáng)風(fēng)化千枚巖。水庫所在地區(qū)為山區(qū)、丘陵區(qū)，消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)取10 a一遇，洪水泄流量36.83 m3/s。

3.1 底流消能與挑流消能的選擇

小型水庫的消能設(shè)施主要采用底流消能和挑流消能。

底流消能是一種利用水躍進(jìn)行消能的傳統(tǒng)方式，具有流態(tài)穩(wěn)定、消能效果好、對(duì)地質(zhì)條件和尾水水位變化適應(yīng)性強(qiáng)、泄洪霧化輕微等優(yōu)點(diǎn)，可用于中低水頭各種地基上溢洪道，但由于消力池幾何尺寸較大，因而造價(jià)較高。挑流消能是利用挑流鼻坎將下泄的高速水流挑射到距建筑物較遠(yuǎn)的地方進(jìn)行消能的方式，可用于巖基的中高水頭樞紐，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工程量小，當(dāng)溢洪道下游地質(zhì)條件較好、河道抗沖刷能力較強(qiáng)時(shí)，采用這種消能方式是比較經(jīng)濟(jì)合理的。

楊堡水庫溢洪道上下游最大水頭差為18.50 m，屬于中低水頭建筑物。下游段基礎(chǔ)為強(qiáng)風(fēng)化千枚巖，巖體破碎，抗沖刷能力不強(qiáng)，且消能出口距壩腳較近，泄洪時(shí)可能會(huì)危及大壩安全所以不適合采用挑流消能，加之水庫現(xiàn)狀為底流消能，所以選定底流消能方案。

3.2 消力池與跌水的選擇

現(xiàn)狀泄槽末端位置較高與下游形成跌坎，底流消能方案可采用消力池和跌水兩種方案。

3.2.1 消力池方案

因泄槽末端需直接觸及消力池底，將泄槽段拆除后沿表層向下開挖，泄槽段坡度由1:2.63變?yōu)?：2.31，消力池的長(zhǎng)度與深度采用中等寬矩形斷面公式計(jì)算。

自由水躍共軛水深h2可按下式計(jì)算：

式中：h1為收縮斷面水深，m；Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù)；v1為收縮斷面流速，m/s；h2為自由水躍共軛水深，m。

水躍長(zhǎng)度L按下式計(jì)算：

池長(zhǎng)、池深可按下式公式計(jì)算：

式中：d為池深，m；σ水躍淹沒度，取1.05；ht為消力池出口下游水深，下游尾水渠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇為，按明渠均勻流公式推求，水深為0.83 m；Q為設(shè)計(jì)流量，取36.83 m3/s；b為消力池寬度，取11.80 m；?為消力池出口段流速系數(shù)，取0.95；ΔZ為消力池尾部出口水面跌落，取0.76 m。

經(jīng)計(jì)算，水庫下游消力池計(jì)算參數(shù)及成果見表1。

表1 消力池方案計(jì)算參數(shù)及成果表

3.2.2 跌水方案

跌水方案泄槽段可按現(xiàn)狀布置，可節(jié)省土石方工程量。對(duì)泄槽末端有跌坎的連接形式，消能段池深度可按下式計(jì)算：

式中：E0為池底以上的總能頭，m；q為水舌跌落處的單寬流量，m3/s；ψ為流速系數(shù)，取0.90；Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù)；h1為收縮斷面水深取，m；h2為共軛水深取，m。

池長(zhǎng)可按下式計(jì)算：

式中：l1為水舌拋射長(zhǎng)度，m；l2為雍高水躍的水躍長(zhǎng)度，m；P為水流跌差，m；H0為包含流速水頭的總水頭。經(jīng)計(jì)算，缺水參數(shù)及成果見表2。

表2 跌水計(jì)算參數(shù)及成果表

3.3 方案經(jīng)濟(jì)比較

兩種方案的工程量及造價(jià)見表3。

表3 方案經(jīng)濟(jì)比選表

3.4 方案選擇

由上述可以看出，兩種方案經(jīng)濟(jì)比較相差不大，消力池方案中泄槽段底板下為強(qiáng)風(fēng)化千枚巖，且在陡坡上施工難度較大，加上工程要求施工期較短，所以最終采用跌水方案。

4 消能防沖設(shè)計(jì)

新建跌水消能段池長(zhǎng)24 m，池深2.60 m，寬11.80 m，底板厚0.70 m，邊墻高為3.80 m，為鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu)，底板設(shè)排水孔。采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，抗凍等級(jí)為F200，抗?jié)B等級(jí)為W4，鋼筋采用HRB400。本次海漫段采用500 mm厚的固濱籠進(jìn)行護(hù)底與護(hù)坡，底寬為12 m，長(zhǎng)度為20 m，兩側(cè)坡比為1：2.00。

［1］劉志明，溫續(xù)余.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版第7卷泄水與過壩建筑物［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

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：1673-8853（2017）02-0059-02

2016-10-12

編輯：符 蕾

董明玥（1984-），女，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)方面工作。