王 青，童元雄

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002)

技術(shù)論壇

碾壓混凝土重力壩臺(tái)階消能設(shè)計(jì)探討

王 青，童元雄

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002)

以往的碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)中，存在因溢流壩段和非溢流壩段壩體斷面不同而制約壩體混凝土連續(xù)施工的問(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)題，文章結(jié)合工程實(shí)例，采用溢流壩段和非溢流壩相同斷面的臺(tái)階式溢流壩的設(shè)計(jì)方法；同時(shí)，對(duì)臺(tái)階式消能和常規(guī)泄槽消能兩種方案的消能效率做了一個(gè)定量分析比較。計(jì)算結(jié)果表明：臺(tái)階式溢流壩能較好的解決制約碾壓混凝土連續(xù)施工的問(wèn)題；臺(tái)階消能的消能效率遠(yuǎn)高于常規(guī)泄槽，能減小下游消能工的尺寸，節(jié)省工程投資。

臺(tái)階消能；重力壩；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；水力計(jì)算

1 工程概況

雨汪河水庫(kù)工程由樞紐工程和輸水工程組成。樞紐工程包含混凝土重力壩、泄洪表孔、取水口、取水兼放空管。

2 大壩壩體斷面設(shè)計(jì)

1)非溢流壩斷面：大壩為碾壓混凝土重力壩，大壩壩頂高程1497.5m，建基面高程1448m，最大壩高49.5m(含1m墊層)，壩頂長(zhǎng)度157.3 m，壩頂寬度6m，壩軸線方位角為N27.552°E。大壩上游面鉛直，下游綜合壩坡1:0.8，下游折坡點(diǎn)高程1492m，壩體最大底寬為41.2m。為方便碾壓混凝土碾壓施工，下游壩面采用臺(tái)階式，單級(jí)臺(tái)階尺寸為3m×2.4m(寬×高)。

2)溢流壩斷面：本工程采用的是臺(tái)階消能+底流消能的消能方式，故溢流壩段和非溢流壩段采用相同的壩體斷面，可以給碾壓混凝土的快速、連續(xù)施工帶來(lái)較大的方便。

3 泄洪表孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雨汪河水庫(kù)工程規(guī)模屬中型，工程等別為Ⅲ等。泄水建筑物為3級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)洪水為50a一遇，相應(yīng)下泄流量為262m3/s；校核洪水為500a一遇，相應(yīng)下泄流量為328m3/s；消能防沖建筑物洪水為30a一遇，相應(yīng)下泄流量為246m3/s。

泄洪表孔由控制段、臺(tái)階式泄槽段、消力池段組成。

控制段布置在河床中間，設(shè)2孔平板鋼閘門，閘門尺寸為5m×5m(寬×高)，閘門上方設(shè)啟閉機(jī)室，用以操作啟閉設(shè)備啟閉閘門；兩側(cè)采用C25鋼筋混凝土邊墩，厚度2m，中墩厚度3m；壩頂設(shè)交通橋，橋?qū)?m，橋面高程為1497.5m，與壩頂同高。控制段溢流堰為WES實(shí)用堰，堰頂高程1490m，堰頂上游端堰面曲線采用帶斜坡(坡比3:3)的單圓弧曲線，圓弧半徑R1=0.45Hd，x坐標(biāo)a=0.119Hd，堰頂下游的堰面曲線方程為：y=0.1528x1.776，溢流面混凝土采用C30鋼筋混凝土。

社區(qū)商家一般是居民比較熟悉的商戶，其產(chǎn)品更容易得到消費(fèi)者的信任，消費(fèi)者通過(guò)平臺(tái)購(gòu)買更為便捷，對(duì)商家信任感和滿意度不斷提升，購(gòu)買次數(shù)增多，商家收益也相應(yīng)增加，雙方價(jià)值均得到提升。

臺(tái)階式泄槽(綜合坡比1∶0.8)接下游堰面曲線之后，于壩體1548m高程接半徑為8m的反弧段。臺(tái)階式泄槽，單級(jí)臺(tái)階尺寸與壩體一致，為3m×2.4m(寬×高)，泄槽與反弧段采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚度為0.5m，泄槽襯砌混凝土與壩體混凝土之間用插筋連接。

本次設(shè)計(jì)消能方式采用臺(tái)階消能+底流消能，主要考慮該消能方式有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①臺(tái)階消能非溢流壩段和溢流壩段壩體斷面尺寸相同，能給壩體碾壓混凝土的施工帶來(lái)較大的方便；②臺(tái)階消能在臺(tái)階式泄槽段已經(jīng)消掉一部分水能，因此能縮短、減小后面的消力池的長(zhǎng)度，節(jié)省工程投資。同時(shí)，本工程校核工況下最大設(shè)計(jì)單寬流量為25.2m3/(s·m)<50 m3/(s·m)，也在臺(tái)階消能的適用范圍。

消力池接反弧段，消力池底板高程為1453.5m，尾檻高1m(下挖1m)，消力池高8m，池寬13m，消力池長(zhǎng)度L=20m；消力池底板面層采用0.5m厚C35抗沖磨混凝土，底層采用1m厚C25混凝土；消力池邊墻采用C25混凝土，邊墻頂部寬0.8m，邊墻外側(cè)貼著邊坡開(kāi)挖坡比1∶0.5，邊墻內(nèi)側(cè)采用1:0.3坡比。消力池基礎(chǔ)設(shè)置φ25基礎(chǔ)錨桿，根長(zhǎng)L=6m，間排距3m；同時(shí)對(duì)底板進(jìn)行固結(jié)灌漿，孔深8m，間排距3m，梅花形布置；底板設(shè)置排水孔，深入基巖1m，間排距4m。

4 臺(tái)階消能設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 判斷水流流態(tài)

先計(jì)算泄槽臨界水深dc，計(jì)算公式為：

(1)

式中：hk為臨界水深，m；Q為單寬流量，m3/(s·m)。

計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 臨界水深dc計(jì)算成果表

根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版)[1]中的公式，判別水流流態(tài)：

大壩下游壩坡坡比為1∶0.8，坡角為51.3°>27°，臺(tái)階步高h(yuǎn)=3m，臺(tái)階步長(zhǎng)L=2.4m。

表2 水流流態(tài)判別成果表

結(jié)論：由于dc/h>(dc/h)特，故水流流態(tài)為滑移流。

4.2 初始摻氣點(diǎn)位置L1計(jì)算

從堰頂算起，至長(zhǎng)度為L(zhǎng)1處開(kāi)始出面表面摻氣，距離L1、L1斷面處的水深d1、平均流速v按下列計(jì)算公式：

(2)

計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 初始摻氣點(diǎn)計(jì)算成果

4.3 均勻摻氣斷面位置L2計(jì)算

從堰頂算起，至長(zhǎng)度為L(zhǎng)2處開(kāi)始出面表面摻氣，距離L2、L2斷面處的水深d0、平均流速v0按下列計(jì)算公式：

(3)

計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 均勻摻氣斷面計(jì)算成果

4.4 末端斷面水深d和平均流速v計(jì)算

本工程泄槽總長(zhǎng)度L=55.6m，介于初始摻氣點(diǎn)位置距離L1和均勻摻氣水流位置L2之間，因此，文章采用內(nèi)插法，計(jì)算末端斷面的設(shè)計(jì)水深d和平均流速v，如表5：

4.5 消能率計(jì)算

計(jì)算公式為：

(4)

式中：H堰為壩趾以上堰高，m；H為堰上水頭，m。

計(jì)算成果見(jiàn)表6。

表5 末端斷面計(jì)算成果

表6 消能率計(jì)算成果表

從以上計(jì)算結(jié)果可知，消能率η代表的是臺(tái)階式消釋水能的效率，在消能防沖設(shè)計(jì)工況，臺(tái)階式消能的消能率為75%，剩余的水能通過(guò)消力池進(jìn)一步消釋。

5 與常規(guī)泄槽方案對(duì)比

若采用常規(guī)的泄槽方案(無(wú)臺(tái)階)，根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL319-2005[2]，對(duì)常規(guī)泄槽方案進(jìn)行水力計(jì)算，計(jì)算其消能效率，如表7-8：

表7 常規(guī)泄槽方案末端斷面水力要素成果

表8 常規(guī)泄槽方案消能率計(jì)算

由表8可以看出：常規(guī)泄槽方案(無(wú)臺(tái)階)經(jīng)過(guò)L=55.6m的泄槽段，消能率僅為7%，與之對(duì)比，臺(tái)階消能方案的消能率能達(dá)到75%，臺(tái)階式泄槽的消能效率明顯高于常規(guī)泄槽。

通過(guò)計(jì)算，在采用相同消力池寬度13m的情況下，臺(tái)階消能方案下游消力池所需長(zhǎng)度為20m，而常規(guī)泄槽方案下游消力池所需長(zhǎng)度為48m；因此，采用臺(tái)階式泄槽的臺(tái)階消能，可以使下游消能工尺寸節(jié)省約58%，帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述計(jì)算及分析，對(duì)大壩的臺(tái)階消能設(shè)計(jì)做了一個(gè)較為全面的設(shè)計(jì)計(jì)算，并與常規(guī)泄槽方案的消能效率做了一個(gè)定量分析比較。計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)碾壓混凝土重力壩來(lái)說(shuō)，采用臺(tái)階式泄槽的臺(tái)階消能，能較大的方便碾壓混凝土的立模、連續(xù)施工，同時(shí)也能減小下游消能工尺寸，節(jié)省工程投資。

[1]劉志明，溫續(xù)余.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2014：56-77.

[2]中華人民共和國(guó)水利部.SL319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

DiscussiononStepEnergyDissipationDesignaboutRollerCompactedConcreteGravelDam

WANGQingandTONGYuan-xiong

(GuizhouProvincialWaterConservancy&HydroelectricPowerInvestigation,DesignandResearchInstitute,Guiyang550002,China)

In the past designs of roller compacted concrete gravel dams, because the dam body sections of spillway dam and un-spillway dam were different, there were problems to limit the continuous concrete construction on dam body In order to solve the problems, in combination with a project case, this paper adopted the design method of step-style spillway dam in same sections on spillway dam and un-spillway dam; meanwhile, the energy dissipation effects were analyzed and compared quantitatively for the two schemes of step energy dissipation and normal chute energy dissipation in this paper. The calculated results show that step spillway dam can solve the problem of roller compacted concrete continuous construction properly and the effect of step energy dissipation is well above the effect of normal chute, can reduce the dimension of lower energy dissipation project and save the project cost.

step energy dissipation; gravel dam; structure design; hydraulic calculation

1007-7596(2017)07-0044-03

2017-06-18

王青(1987-)，男，江西南昌人，工程師，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；童元雄(1984-)，男，湖北孝感人，工程師，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

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