陳聰

（文山壯族苗族自治州水利電力勘察設(shè)計(jì)院，云南 文山 663099）

0 引言

水庫(kù)下游的消能防沖建筑物是影響水利樞紐工程安全運(yùn)行的重要部位之一。合理選擇消能方式將對(duì)工程產(chǎn)生積極的影響。水利水電工程中常用的消能方式有：挑流消能、底流消能、面流消能和消力戽消能等。各種消能方式特點(diǎn)及工作原理如下。

挑流消能是水利水電工程中泄水建筑物采用較多的一種消能方式，要求壩址附近的基巖比較堅(jiān)固。它是在泄水建筑物的出口處修建一挑流鼻坎，利用下泄水流的巨大動(dòng)能，將急流拋入空中，然后降落在遠(yuǎn)離大壩較遠(yuǎn)的下游河床。拋入空中的水舌，在湍動(dòng)及空氣阻力的相互作用下，發(fā)生摻氣、擴(kuò)散，消除一部分能量。射流落入下游尾水中淹沒(méi)紊動(dòng)擴(kuò)散消能并與河床固體邊界摩擦消能，流速逐漸減小，入水點(diǎn)附近則形成較大的滾流，大部分動(dòng)能在此階段被消除；而潛入河底的主流則沖刷河床形成沖刷坑。下游沖刷而成的基坑是否會(huì)對(duì)相鄰建筑物產(chǎn)生危害，則要視沖刷坑與建筑物之間的距離是否夠長(zhǎng)而定，因此挑流消能水利計(jì)算的主要任務(wù)就是依據(jù)相應(yīng)的水力要素綜合選擇適宜的挑坎型式，確定挑坎高程、反弧半徑和挑射角，并合理地控制水舌跌入下游河床的位置、范圍，以此來(lái)獲得足以保障上游建筑物運(yùn)行安全的合理挑距[1-2]。

底流消能也稱(chēng)水躍消能，是通過(guò)水躍將泄水建筑物下泄的急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?，并以此消除多余?dòng)能的一種消能方式。消能主要靠水躍產(chǎn)生的表層逆時(shí)針?shù)鰸L與底部主流區(qū)交接面發(fā)生的劇烈紊動(dòng)、剪切和摻混，并以此進(jìn)行消能，從而降低水流速度。底流消能具有入河流態(tài)穩(wěn)定、消能效率高、對(duì)建筑物下游地形地質(zhì)條件及尾水位變化適應(yīng)性較強(qiáng)以及水流霧化小等優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)高、中、低各級(jí)水頭。不過(guò)由于消力池土石方開(kāi)挖量及混凝土澆筑量較大，護(hù)坦較長(zhǎng)，工程造價(jià)較高，一般多用于地質(zhì)條件較差的壩基。

面流消能是利用溢洪道末端的挑流鼻坎，將自壩頂高速下泄的主流挑至下游水面，并在主流和河床之間形成漩滾，消除多余的動(dòng)能，且該漩滾流速較低，可將主流與河床分隔開(kāi)，從而避免磨蝕河床，以此達(dá)到消能防沖的目的。這種消能方式適用于下游水位、流量變幅均不大，且尾水較深，或者有漂木、排冰要求的情況。面流消能雖不需做護(hù)坦，但表流波動(dòng)強(qiáng)烈，下游水流流態(tài)不夠穩(wěn)定，消能效率較低，在實(shí)際工程中較難達(dá)到理想的水力狀態(tài)[3]。

消力戽消能適用于建筑物下游尾水較深且變幅較小，河床及岸坡抗沖刷能力較強(qiáng)且無(wú)航運(yùn)要求的情況。它是利用泄水建筑物的出流部分造成具有一定反弧半徑和較大挑角所形成的挑坎（亦稱(chēng)戽斗），在下游尾水淹沒(méi)挑坎的條件下，使下泄急流在戽斗內(nèi)產(chǎn)生劇烈漩滾，并通過(guò)底層漩滾及戽后產(chǎn)生的涌浪從而達(dá)到消能的目的。消力戽水力設(shè)計(jì)的主要任務(wù)為不僅要避免在下游水位較低時(shí)出現(xiàn)自由挑流，造成嚴(yán)重沖刷，也要防止在下游水位過(guò)高時(shí)、淹沒(méi)度太大而使急流潛入河床底部沖刷壩腳。后一種情況可能更為不利。

1 工程概況

那哈水庫(kù)位于富寧縣洞波瑤族鄉(xiāng)那哈村委會(huì)所處的洞波河上游段里那河上，地處東經(jīng)105°43′12″，北緯23°45′14″。壩址以上控制徑流面積21.1km2，據(jù)水文計(jì)算，壩址處多年平均徑流量為1013 萬(wàn)m3，P=75%年徑流量為735 萬(wàn)m3，P=95%年徑流量為476萬(wàn)m3，壩區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速17.0m/s，多年平均輸沙量0.640 萬(wàn)m3，水庫(kù)總庫(kù)容179.9 萬(wàn)m3，興利庫(kù)容120.16 萬(wàn)m3，死庫(kù)容30.0 萬(wàn)m3，總供水量319.3 萬(wàn)m3。水庫(kù)校核洪水位991.18m，設(shè)計(jì)洪水位990.76m，正常蓄水位989.00m，死水位972.71m。該水庫(kù)建成后，可解決鄉(xiāng)政府駐地及周邊村寨規(guī)劃水平年7747 人、2454 頭大型牲畜生活用水問(wèn)題，同時(shí)可解決4621 畝農(nóng)田灌溉用水問(wèn)題[4]。

那哈水庫(kù)工程由水庫(kù)樞紐工程和供水工程兩大部分組成。擋水建筑物為攔河壩，壩型為C15 堆石混凝土重力壩，最大壩高47.15m，壩頂寬度5m，壩軸線(xiàn)長(zhǎng)93m，河床壩段建基面高程945.00m，壩頂高程992.10m。大壩共分6 個(gè)壩段布置，非溢流壩段分別布置于左、右岸，共5 個(gè)壩段，壩0+032m～壩0+048.4m 為溢流壩段，布置于河床部位。取水管道埋設(shè)于壩體靠右岸的第5＃壩段壩體內(nèi)，大壩防滲采用沿壩軸線(xiàn)及兩岸延長(zhǎng)線(xiàn)和壩體灌漿廊道中線(xiàn)進(jìn)行帷幕灌漿。樞紐建筑由攔河壩、輸水管、溢洪道組成。

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252—2017），那哈水庫(kù)規(guī)模為?。ㄒ唬┬停こ痰葎e為Ⅳ等，主要建筑物為4 級(jí)建筑物；次要及臨時(shí)建筑物為5 級(jí)。

根據(jù)工程等別及建筑物級(jí)別，建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)分別為：大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇（P=3.33%），其洪峰流量為69.7m3/s，相應(yīng)下泄流量為61.8m3/s；大壩校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 年一遇（P=0.5%），其洪峰流量為93.2m3/s，相應(yīng)下泄流量為83.9m3/s。

2 方案對(duì)比

消能防沖建筑物的設(shè)計(jì)原則：盡可能使下泄水流的多數(shù)能量消除在水流內(nèi)部的紊動(dòng)中，包括水流和空氣交界面的摩擦，不產(chǎn)生危及壩體安全的河床或兩岸坡的局部淘刷與磨蝕；下泄急流的流態(tài)穩(wěn)定，不影響樞紐中別的建筑物正常作業(yè)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作可靠，工程量小。因?yàn)槊媪飨芎拖嫦苓m用于尾水較深，變幅較小的情況，而該工程尾水較小，加之這兩種消能方式對(duì)水力條件要求比較嚴(yán)苛，不適用于本工程，所以本次消能設(shè)計(jì)不予考慮這兩種方案。

本文對(duì)底流消能、挑流消能、兩種消能方式進(jìn)行主要比較。

本工程泄水建筑物是開(kāi)敞式溢洪道，布置于河床部位。溢洪道由WES 型實(shí)用堰曲線(xiàn)段、泄槽直線(xiàn)段等組成。其中溢流堰總寬14m（設(shè)2 孔，單孔凈寬7m），堰頂高程即為正常蓄水位989.00m，溢流堰處壩頂設(shè)有工作橋，溢流堰采用實(shí)用堰冪曲線(xiàn)，堰面曲線(xiàn)方程Y=0.2846×1.836，堰后直線(xiàn)段坡度1:0.75，溢流堰兩側(cè)均設(shè)有導(dǎo)水墻，導(dǎo)水墻在后壩坡的收縮角為6°，從堰頂14.8m 收縮至挑坎處為8.0m，導(dǎo)水墻厚0.8m，高2.0m，采用C25鋼筋混凝土澆筑。

2.1 溢流堰水力計(jì)算

溢流堰泄流能力按開(kāi)敞式WES 型實(shí)用堰的泄流公式[5-6]計(jì)算：

式中：M——綜合流量系數(shù)；B——溢流堰總凈寬，m；H0——堰上總水頭，m。

計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 溢流堰泄流能力計(jì)算成果

根據(jù)相關(guān)規(guī)范并結(jié)合本工程，大壩下游消能防沖建筑物按20 年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)下泄流量Q=56.59m3/s。

下面進(jìn)行兩種消能方案的比較：

2.2 挑流消能水力計(jì)算

泄槽末端接等寬（8m）連續(xù)鼻坎，鼻坎反弧半徑為6.0m，中心角為75°31′05″，鼻坎挑射角為20°。

（1）水舌挑距計(jì)算公式[7]為：

式中：t——沖刷坑深度，m；T——水墊深度，從下游水面算至坑，m；k——沖刷系數(shù)（本工程巨塊狀弱風(fēng)化基巖取1.1）；q——單寬流量，m3/（s·m）；Z——上、下游水位的高差，m；ht—下游水深，m。

圖1 挑流水舌拋距及沖刷坑

表2 溢流表孔泄流下游消能防沖計(jì)算成果

沖刷坑后坡的定義：i=t/L，i 值越大對(duì)大壩的安全越不利。許可的沖刷坑最大后坡ik值的確定，涉及工程地質(zhì)條件，較為復(fù)雜。根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)范及實(shí)際工程的資料：“沖坑上游部分影響范圍，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件進(jìn)行估算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，其數(shù)值大概為2.5～5 倍坑深”。換言之，允許的最大后坡ik不能大于0.2～0.4。從上表計(jì)算結(jié)果可以看出，溢流表孔下泄20 年一遇洪水、并復(fù)核30 年及200 年一遇下泄洪水，計(jì)算所得的挑距均較大，入射點(diǎn)離壩腳較遠(yuǎn)，其20 年、30 年、200 年一遇洪水下，沖刷坑后坡i 均小于ik（0.20～0.40），所以沖刷坑不會(huì)危及大壩安全。

2.3 底流消能水力計(jì)算

泄槽出口后接消力池，消力池采用等寬矩形斷面下挖式，根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253—2018）[7]及《水力計(jì)算手冊(cè)》[8]：

（1）收縮水深h1、水躍共軛水深h2、水躍長(zhǎng)度可按式（5）至式（8）計(jì)算：

式中：d——消力池深，m；σ——水躍淹沒(méi)度，取1.05；h2——躍后水深，m；ht——下游水深，m；△Z——消力池尾部出口水面跌落，m；Lk——消力池長(zhǎng)度，m；Q——下泄流量，m3/s；b——消力池寬度，m，本工程取8m；φ—流速系數(shù)，取0.95；L——自由水躍長(zhǎng)度，m。下挖式消力池水躍如圖2 所示。

圖2 下挖式消力池水躍

式（9）至式（11）中h1=0.28m（池首斷面水深），h2=5.87m（池中躍后水深），v1=25.07m/s（池首斷面平均流速），計(jì)算得消力池長(zhǎng)Lk=30.86m（實(shí)際取值31.00m），池深d=3.51m（實(shí)際取3.60m）。

消力池采用C25 鋼筋混凝土澆筑，邊墻及底板厚度為0.5m，消力池后接一段護(hù)坦，經(jīng)計(jì)算，該消力池工程量為：C25 混凝土251.1m3，土石方開(kāi)挖426.9m3，護(hù)坦50.0m3，鋼筋7.53t。

3 方案的選取

該工程壩址處地形地質(zhì)條件較好，沖刷坑坐落于弱風(fēng)化塊狀砂巖之上，抗沖刷能力較好，且經(jīng)計(jì)算挑距均較大，入射點(diǎn)離壩腳較遠(yuǎn)，沖刷坑后坡i 均小于許可的最大后坡ik，沖坑不會(huì)危及大壩的安全，可采用挑流消能；如若采用底流消能的話(huà)，就會(huì)多出消力池的土石方開(kāi)挖、混凝土澆筑、鋼筋及護(hù)坦的工程量，于工程而言，增加了建設(shè)投資。

綜上所述，那哈水庫(kù)的消能方式采用挑流消能更利于優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

消能方式的選擇要考慮諸多因素，如壩址處的地形、地質(zhì)條件，樞紐中各建筑物的合理布置和使用要求，工期及工程量，后期運(yùn)行可靠性、是否易于維護(hù)、維修及對(duì)下游的生態(tài)影響等。根據(jù)大壩的具體情況，對(duì)各消能方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇布置最合理，投資最節(jié)省的消能方式，使設(shè)計(jì)方案最優(yōu)化，是水工設(shè)計(jì)中的重要一項(xiàng)。本文通過(guò)對(duì)那哈水庫(kù)泄水建筑物的消能方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后，發(fā)現(xiàn)在滿(mǎn)足大壩泄洪要求及不危及大壩安全的前提下，采用挑流消能是最經(jīng)濟(jì)及合適的消能方式。