水庫溢洪道消能設計分析(共4頁)

1、水庫溢洪道消能設計分析作者：顏精藝來源：科學與技術2015年第01期        摘要：本文闡述了水庫溢洪道消能設計的重要性，分析了常用消能工的各種型式及其特點，討論了消能型式選擇的原則和方法，并結合實例說明了溢洪道消能設計和消能率復核的方法。        關鍵詞：水庫；溢洪道；消能設計        溢洪道是水庫泄水建筑物。為了保證水庫大壩安全，宣泄超

2、過規(guī)劃庫容的洪水，防止洪水溢壩，必須設置溢洪道。溢洪道下泄水流能量巨大，若不經(jīng)妥善處理，必會導致下游河床受到嚴重沖刷，甚至可能引起岸坡坍塌、大壩失事的災難性后果，所以又必須設置消能設施。溢洪道消能設計主要基于能量轉換原理，通過造成水流內部紊動漩滾、水股之間擴散碰撞、水流與固體邊界摩擦撞擊、水流與周圍空氣摩擦摻混等途徑，消耗水流動能，減輕對下游河床的沖擊和破壞。溢洪道設計規(guī)范（DL/T 5166-2002）在其條文說明5.5.1條中列出了4種消能型式，即底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能。目前，水庫溢洪道使用比較多的是挑流消能和底流消能，據(jù)統(tǒng)計兩種型式比例分別達到85%和15%。隨著水利水電

3、工程實踐的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了一些新的消能型式，例如引入T型墩、寬尾墩、臺階式消能、多種消能型式復合等。水利工程與當?shù)刈匀坏乩?、氣候條件、水文地質等關系很大，因勢利導、因地制宜的特點非常突出，反映在溢洪道消能設計方面也是百花齊放、各具特色，因此如何選擇溢洪道消能型式、怎樣進行消能防沖設計是一個常講常新的話題，本文就此進行了分析和探討。        1 溢洪道消能型式選擇        1.1 消能型式選擇原則  &#

4、160;     消能型式應滿足技術經(jīng)濟原則。從技術上講，應選擇先進、可靠、安全、消能率高的型式，例如戽流消能雖具有消能效果好、體積小、工程量少、施工方便等優(yōu)點，但國內幾乎沒有溢洪道戽流消能案例1，理論研究和工程實踐都不成熟，所以不應成為首選。從經(jīng)濟角度考慮，工程量要小、造價適中。溢洪道是特定條件下使用的泄水建筑物，一般不會使用很頻繁，因此在保證安全可靠的前提下，沒有必要設計的過于復雜，為了提高經(jīng)濟效益，應選擇簡潔、高效的型式，這樣有利于控制成本。        1

5、.2 消能工型式選擇方法        4種主要消能型式的優(yōu)缺點、適用范圍如表1所示。        在考慮消能工型式時，主要從地形條件、地質條件、泄流條件以及運行方式、下游水深、河床抗沖能力、下游水流銜接、泄流霧化影響等方面綜合考慮。由表1可見，面流消能和戽流消能適用于下游水深較大的場合，而挑流消能和底流消能對這方面的要求不高，所以通過水利計算得到的消能所需的下游水深-單寬流量的消能率定曲線，與根據(jù)下游水位流量關系繪制的下游水深-單寬

6、流量的尾水率定曲線進行比較，可以判斷選擇哪一類消能型式更適合。        圖1為某水庫開敞式無閘門溢洪道建消力池前消能率定曲線與尾水率定曲線。可見由于河道較寬，任何流量條件下溢洪道滿足消能所需的下游水深始終大于尾水深度。由于尾水深度不足，顯然不適合采用面流消能和戽流消能型式，所以應在挑流消能和底流消能之間進行選擇。再結合地質情況，因為地表依次為耕作土層、粉土層、強風化巖層和中風化巖層，總厚度達815m，抗沖條件較差。再加上水頭較小，其下泄校核標準流量的挑距為31m，沖刷坑深度達11.8m，存在嚴重安全隱患，所以

7、選擇挑流消能型式也不適合，只有選用底流消能型式了。        2 溢洪道消能防沖設計        2.1 消能結構設計        仍以前述水庫溢洪道為例。底流消能設計保證池內形成穩(wěn)定的水躍是非常關鍵的環(huán)節(jié)。根據(jù)尾水深度與水躍躍后水深的關系，下泄水流可能出現(xiàn)遠驅、臨界和淹沒水躍三種銜接流態(tài)。臨界水躍消能效果最高，但狀態(tài)不穩(wěn)定，可能會產(chǎn)生遠驅水躍，所以

8、要設計成一定淹沒度形態(tài)的水躍。當淹沒度取=1.051.10時，流態(tài)穩(wěn)定，消能效率也較高2。為了避免遠驅水躍，又不希望增加護坦長度，可在護坦末端設置消力坎，也可通過降低護坦高程來形成坎前消力池，還可以將兩種措施結合起來形成綜合消力池。消力池橫斷面一般采用矩形，而且大多情況下采用等寬矩形斷面。為了適應尾水位的變化，護坦前段可設計成斜坡形式。也可采用多級消力池形式，能較好適應下游河床與消力池之間的高度差。當躍前斷面平均流速不超過15m/s時，可通過設置輔助消能工增強消能效果，并縮短池長。如設置趾墩、消力墩和尾坎。但躍前流速大于15m/s時，輔助消能工容易受到空蝕破壞，所以不適宜再采用這種型式。護坦是

9、為了保護河床不受高速水流的沖刷破壞，所以護坦長度應能涵蓋水躍躍尾，其厚度必須滿足穩(wěn)定要求，保證不會上浮。為了提高穩(wěn)定性，可設置錨筋并插入基巖1.53m。護坦厚度既可等厚，也可以上游厚一些，下游薄一些。為了防止護坦混凝土開裂，應設置溫度伸縮縫。為了減輕護坦底部揚壓力，可設置排水系統(tǒng)。水流速度較高時，護坦應采用抗蝕混凝土澆灌。        2.2 消力池消能率復核        前述水庫的設計洪水標準為30年一遇，其校核洪水標準是300年

10、一遇。由于溢洪道為4級，也就是設計與校核洪水標準與水庫大壩一致，這個標準對溢洪道來說有些偏高，會造成一定浪費，所以將消能防沖設計標準進行了調整，設計洪水標準30年一遇不變，校核洪水標準改為100年一遇。經(jīng)過計算，溢洪道設置2.2m深消力池，在設計洪水標準狀態(tài)下，下泄洪水流量是191m3/s，單寬流量是7.64 m3/s·m。由圖2可見，此時尾水率定曲線都在消能率定曲線之上，說明水躍完全可以被淹沒，消能效率達到100%。校核洪水狀態(tài)下，下泄洪水流量為375 m3/s，單寬流量是15 m3/s·m，尾水率定曲線與消能率定曲線有交叉，小部分尾水率定曲線在消能率定曲線之下，消能效率

11、達到93.6%。溢洪道校核洪水標準下，下泄洪水流量為552 m3/s，單寬流量為22.1 m3/s·m，此時有更多部分的尾水率定曲線在消能率定曲線之下，但消能效率仍可達到80%。按照國內外工程實踐，消能效率達到80%以上一般就能滿足安全需要，故此消力池消能率已達到設計要求。        3 結語        水庫溢洪道消能效果關系到水庫大壩的安全，所以消能設計應達到消能效果好、結構可靠、方便檢修等目標要求。合理選擇消能型式是實現(xiàn)技術、經(jīng)濟統(tǒng)一性的前提，而結構設計是落實設計思想的重要環(huán)節(jié)，希望本文所作分析討論能對讀者有所啟發(fā)和可提供參考。        參考文獻：