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中小型水庫工程中擋水建筑物和泄水建筑物組合的選型很多，“重力壩擋水+壩身泄洪+壩后消力池”的組合始終占據(jù)重要地位。究其原因，主要有以下幾點：?較土石壩而言此壩型超泄超標洪水能力強，安全性高；?較拱壩而言此壩體斷面大，對地形地質(zhì)條件適應性好、材料性能的要求低；?維護、修復或擴建，相對其他壩型簡便；?泄水建筑物較其他壩型布置容易。

中國西南地區(qū)大部分山區(qū)河流，洪水期來流量大洪峰歷時短，重力壩超泄能力強、泄水建筑物布置緊湊、水流歸槽條件好，因此，在中小型水庫設計中，常采用重力壩壩頂溢流的型式。從溢流堰頂下泄水流，流速快且單寬流量大，如果不采用妥善的消能設施予以消減，將對建筑物和下游河床產(chǎn)生嚴重沖刷。消能方案合理與否不僅關系到工程投資是否經(jīng)濟，更關系到工程在各種復雜地質(zhì)條件下的安全性。

本文結合翁養(yǎng)水庫項目實施階段基礎開挖詳勘成果和泄洪消能的基本特性，對消力池進行了優(yōu)化設計，并重新復核相關水力及抗沖抗浮計算。

1 水庫概況

翁養(yǎng)水庫位于黔東南苗族侗族自治州雷山縣境內(nèi)，壩址集水面積6.95km2，是一座以村鎮(zhèn)供水及灌溉用水為主要任務的水庫，總庫容78.8萬m3，最大壩高53m，屬Ⅴ等小(2)型水庫。擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，樞紐布置采用碾壓混凝土重力壩+河床泄洪溢流壩+左岸壩身取水兼放空管+供水管線型式。壩頂高程1337.00m，原壩基底高程1284.00m，最大壩高53m，水庫正常蓄水位1333.00m，相應庫容為61萬m3。

2 消能防沖標準及原消能建筑物布局

該工程消能防沖標準為10年一遇，洪峰流量為95.8m3/s，水庫調(diào)蓄后入庫流量為81.1m3/s，下游水位為1295.13m，單寬流量5.4m3/s，洪水規(guī)模相對較小。

根據(jù)洪水標準和泄洪建筑物設計原則進行泄洪建筑物布置。本流域?qū)俚湫偷纳絽^(qū)雨源型河流，徑流的時空分布變化與降水基本一致，泄洪建筑物采用經(jīng)調(diào)洪演算后的下泄流量，最大下泄流量為168m3/s。壩址處河床較為寬闊，溢洪道布置于河床中部，具備下泄水流歸槽條件，同時該工程規(guī)模不大，下泄流量小，考慮到閘門運行的可靠性較低，故而采用開敞式溢洪道。

3 原消能建筑物設計方案

在中小型水庫設計中，常采用壩頂溢流及泄流底孔方式來泄放洪水，兩種泄洪方式各有優(yōu)缺點。壩頂溢流泄放流量大，下游的水力銜接設施及消能設計較易解決，必要時還可以泄放漂流物。當壩頂溢流不滿足泄洪條件時，可增設泄流底孔。泄流底孔可在較低的庫水位下泄水，在河流泥沙較多的工程條件下也可用于沖砂。

翁養(yǎng)水庫工程規(guī)模較小，壩址下游河床較寬闊，考慮到工程運行可靠性，壩頂溢洪道采用開敞式溢洪道，堰頂高程1333.00m，共設2孔，每孔寬6.5m。溢流堰采用WES實用堰型，下游壩坡采用1∶0.75，邊墻高1.5m，反弧段半徑為11.50m，消力池布置于壩下游河床部位。

消力池沿線表部為河床堆積的第四系砂卵礫石層，厚1.5～4.5m，不宜作為消力池基礎。下伏基巖為砂質(zhì)板巖，基巖自上而下分為強風化CⅣ級巖體、弱風化BⅢ2級巖體及微新BⅢ1級巖體。

強風化巖體垂直埋深7～9m，層面及節(jié)理裂隙發(fā)育，整體較破碎，強度較低；弱風化層垂直埋深18～25m，層面及節(jié)理裂隙較發(fā)育，整體較完整，強度較高；微新巖體層面多閉合，節(jié)理裂隙不發(fā)育，強度高。消力池基礎可置于強風化中下部或弱風化巖體頂部。

常用的消能方式有遠射式挑流消能、底流式水躍消能和面流式消能等。

對于高壩和中壩，且下游河床巖石條件較好時，應優(yōu)先采用遠射式挑流消能。挑流消能可通過上仰挑射角，將水流挑送到距離壩趾較遠的安全地帶，即可節(jié)約下游保護工程的造價，又能達到較好的消能效果，但這種消能方式對于下游河床或岸坡的地質(zhì)條件要求較高，本工程壩高只有53m，且下游地質(zhì)條件較差，達不到挑流消能的要求。

對于中壩和低壩，流量較大的情況，底流式水躍消能較為適合。底流消能利用壩身下泄急流與下游河床的緩流水躍連接，在水躍過程中，水流劇烈旋滾摻氣消能。設計相對面流式簡易安全，但因消能區(qū)距離壩趾較近，需要修建護坦等消能建筑物，造價相對較高。在工程實際應用中，因底流消能采取水躍消能，在淹沒式水躍中，可按水躍長度、位置設計護坦，但遠驅(qū)式水躍，在收縮斷面與水躍間還有很長的一段回水曲線，如果所有范圍都加以保護，經(jīng)濟性太差且消能效果也不佳。針對這種情況，采用在壩趾下設置消力池，使壩下發(fā)生淹沒式水躍，節(jié)約工程量。

面流式消能通過挑流鼻坎與下游水位表面連接，利用表面急流底部旋滾消能。最適合溢洪道需下泄大量冰塊或漂浮物的情況。

該工程采用壩身表孔溢流泄洪方案，原設計方案消能防沖型式經(jīng)比選后采用底流消能方式。消力池底板頂高程定為1288.50m，底板厚2m，消力池長26m，池深4.5m。消力池斷面為矩形斷面，底寬15m，兩側邊墻墻頂高程為1296.00m。消力池尾坎頂高程1293.00m，之后同高程順接海漫段。

4 新消能建筑物設計方案

由于貴州屬于巖溶較為發(fā)育的地區(qū)，在現(xiàn)場實施階段，開挖揭示的地質(zhì)情況較上一階段優(yōu)，弱風化層實際埋深比初勘階段淺4.5～6m，本著節(jié)約工程投資對方案進行調(diào)整，壩頂高程不變，大壩基礎上抬6m，消力池基礎上抬4.5m，消能措施同步進行結構調(diào)整，重新進行相關計算復核。

4.1 地質(zhì)情況比較

詳勘階段的巖石物理力學試驗結果、巖體風化特征、結構類型及工程地質(zhì)分類均與初勘階段相同，故巖石物理力學性指標建議值用同初勘階段相同。但根據(jù)現(xiàn)場勘察結果，地層的分布情況出現(xiàn)較大變化，尤其是巖層的分布高程顯著上抬，詳見表1。

表1 初勘和詳勘階段地質(zhì)條件對比

原方案中大壩建基面位于弱風化層中上部，調(diào)整后建基面由1284.00m上抬至1290.00m，而弱風化層實際埋深比上階段上抬6m，故調(diào)整后大壩建基面依然位于弱風化層中上部。原消力池建基面坐落與強化分下部，相應的調(diào)整后由1286.50m上抬4.5m至1291.00m高程，調(diào)整后消力池基礎進入弱風化層上部。調(diào)整后的基礎條件更優(yōu)。

4.2 新消能建筑物型式復核

本工程采用壩身泄洪方案，在遭遇200年、30年、10年一遇洪水時，樞紐下泄流量分別為168m3/s、113m3/s、81.1m3/s，基礎上抬、消能建筑物型式調(diào)整后相關泄量還是采用原計算參數(shù)。消能防沖型式重新進行了優(yōu)選考慮，對挑流消能、底流消能、面流消能、戽式消能、臺階消能重新進行比選：

?由于采用不設閘門的自由溢流泄洪方式，下泄流量變幅大，且具有隨機性，下游水位變幅也較大，不宜采用面流及戽式消能。

?挑流消能對下游河床沖刷較大，且流量小時無法起挑，消能效果較差，依然需要深挖基礎布置護坦。

?由于上、下游最大水頭差及下泄流量相對較小，下泄歸槽條件相對較好，設計中考慮基巖面抬高依然采用底流消能方式，能夠有效保證消能效果，并不對下游河道造成沖刷。

故調(diào)整后的消能建筑物型式依然采用底流消能。

4.3 消能防沖計算成果比較分析

對原設計方案和優(yōu)化后的設計方案消能防沖設計計算進行重新復核，成果見表2：

表2 消力池底流消能防沖計算成果對比

根據(jù)計算成果，擬定消力池底板頂高程由1288.50m抬高至1292.50m，底板厚度由2.0m縮減至1.5m，消力池長度由26.0m增加至28.5m，池深由4.5m減至3.0m，尾坎高程同步降低。消力池斷面為矩形，底寬15m，兩側邊墻墻頂高程由1296.00m增加至1298.50m。經(jīng)過復核計算，調(diào)整以后的消力池能夠達到規(guī)范要求的消能防沖效果，并滿足抗沖抗浮計算要求。優(yōu)化以后的消力池結構布置圖見下圖。

優(yōu)化后的消力池縱剖面圖 (單位：cm)

5 結 語

本文結合詳勘開挖中揭露的地質(zhì)情況，對翁養(yǎng)水庫消力池布置方案進行了優(yōu)化，得出以下結論：

?優(yōu)化方案消力池底板頂高程抬高4.00m，底板厚度縮減0.5m，長度2.5m，池深減小1.5m，尾坎高程同步降低，消力池斷面仍采用矩形斷面，底寬15m，兩側邊墻墻頂高程增高2.50m。

?經(jīng)過復核計算，調(diào)整以后的消力池能夠達到規(guī)范要求的消能防沖效果，并滿足抗沖抗浮計算要求。

?優(yōu)化方案減少了基礎開挖深度4.5m，減小兩岸山體邊坡工作面的開挖深度約2m，不僅使基礎滿足規(guī)范要求，還為左岸閘閥室的布置預留了充足的空間。

?優(yōu)化后顯著減小了工程量，消力池土方明挖工程量減少1771m3，石方明挖工程量減少4685m3，消力池結構混凝土量減少398m3，共計減少消力池工程投資42.54%。