浅谈水库溢洪道消能设计

浅谈水库溢洪道消能设计

郑富春

深圳市水务规划设计院

摘要：本文对于水库溢洪道消能工的各种型式选择原则及方法进行阐述，并结合工程实际对溢洪道消能设计和消能率复核的方法进行说明。

关键词：水库；溢洪道；消能设计

前言

溢洪道的建设是为保证水库大坝的安全，宣泄超过规划库容的洪水，防止洪水溢坝，必须设置溢洪道。溢洪道下泄水流能量巨大，若不经妥善处理，必会导致下游河床受到严重冲刷，甚至可能引起岸坡坍塌、大坝失事的灾难性后果，所以又必须设置消能设施。溢洪道消能设计主要基于能量转换原理，通过造成水流内部紊动漩滚、水股之间扩散碰撞、水流与固体边界摩擦撞击、水流与周围空气摩擦掺混等途径，消耗水流动能，减轻对下游河床的冲击和破坏。《溢洪道设计规范》（DL/T5166-2002）在其条文说明5.5.1条中列出了4种消能型式，即底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能。目前，水库溢洪道使用比较多的是挑流消能和底流消能，据统计两种型式比例分别达到85%和15%。随着水利水电工程实践的发展，近年来出现了一些新的消能型式，例如引入T型墩、宽尾墩、台阶式消能、多种消能型式复合等。水利工程与当地自然地理、气候条件、水文地质等关系很大，因势利导、因地制宜的特点非常突出，反映在溢洪道消能设计方面也是百花齐放、各具特色，因此如何选择溢洪道消能型式、怎样进行消能防冲设计是一个常讲常新的话题，本文就此进行了分析和探讨。

一、溢洪道消能型式选择

（一）消能型式选择原则

消能型式应满足技术经济原则。从技术上讲，应选择先进、可靠、安全、消能率高的型式，例如戽流消能虽具有消能效果好、体积小、工程量少、施工方便等优点，但国内几乎没有溢洪道戽流消能案例[1]，理论研究和工程实践都不成熟，所以不应成为首选。从经济角度考虑，工程量要小、造价适中。溢洪道是特定条件下使用的泄水建筑物，一般不会使用很频繁，因此在保证安全可靠的前提下，没有必要设计的过于复杂，为了提高经济效益，应选择简洁、高效的型式，这样有利于控制成本。

（二）消能工型式选择方法

4种主要消能型式的优缺点、适用范围如表1所示。

表1溢洪道消能工适用表

在考虑消能工型式时，主要从地形条件、地质条件、泄流条件以及运行方式、下游水深、河床抗冲能力、下游水流衔接、泄流雾化影响等方面综合考虑。由表1可见，面流消能和戽流消能适用于下游水深较大的场合，而挑流消能和底流消能对这方面的要求不高，所以通过水利计算得到的消能所需的下游水深-单宽流量的消能率定曲线，与根据下游水位流量关系绘制的下游水深-单宽流量的尾水率定曲线进行比较，可以判断选择哪一类消能型式更适合。

由于河道较宽，任何流量条件下溢洪道满足消能所需的下游水深始终大于尾水深度。由于尾水深度不足，显然不适合采用面流消能和戽流消能型式，所以应在挑流消能和底流消能之间进行选择。再结合地质情况，因为地表依次为耕作土层、粉土层、强风化岩层和中风化岩层，总厚度达8～15m，抗冲条件较差。再加上水头较小，其下泄校核标准流量的挑距为31m，冲刷坑深度达11.8m，存在严重安全隐患，所以选择挑流消能型式也不适合，只有选用底流消能型式了。

二、溢洪道消能防冲设计

（一）消能结构设计

仍以前述水库溢洪道为例。底流消能设计保证池内形成稳定的水跃是非常关键的环节。根据尾水深度与水跃跃后水深的关系，下泄水流可能出现远驱、临界和淹没水跃三种衔接流态。临界水跃消能效果最高，但状态不稳定，可能会产生远驱水跃，所以要设计成一定淹没度形态的水跃。当淹没度取σ=1.05～1.10时，流态稳定，消能效率也较高[2]。为了避免远驱水跃，又不希望增加护坦长度，可在护坦末端设置消力坎，也可通过降低护坦高程来形成坎前消力池，还可以将两种措施结合起来形成综合消力池。消力池横断面一般采用矩形，而且大多情况下采用等宽矩形断面。为了适应尾水位的变化，护坦前段可设计成斜坡形式。也可采用多级消力池形式，能较好适应下游河床与消力池之间的高度差。当跃前断面平均流速不超过15m/s时，可通过设置辅助消能工增强消能效果，并缩短池长。如设置趾墩、消力墩和尾坎。但跃前流速大于15m/s时，辅助消能工容易受到空蚀破坏，所以不适宜再采用这种型式。护坦是为了保护河床不受高速水流的冲刷破坏，所以护坦长度应能涵盖水跃跃尾，其厚度必须满足稳定要求，保证不会上浮。为了提高稳定性，可设置锚筋并插入基岩1.5～3m。护坦厚度既可等厚，也可以上游厚一些，下游薄一些。为了防止护坦混凝土开裂，应设置温度伸缩缝。为了减轻护坦底部扬压力，可设置排水系统。水流速度较高时，护坦应采用抗蚀混凝土浇灌。

（二）消力池消能率复核

前述水库的设计洪水标准为30年一遇，其校核洪水标准是300年一遇。由于溢洪道为4级，也就是设计与校核洪水标准与水库大坝一致，这个标准对溢洪道来说有些偏高，会造成一定浪费，所以将消能防冲设计标准进行了调整，设计洪水标准30年一遇不变，校核洪水标准改为100年一遇。经过计算，溢洪道设置2.2m深消力池，在设计洪水标准状态下，下泄洪水流量是191m3/s，单宽流量是7.64m3/s·m。由图2可见，此时尾水率定曲线都在消能率定曲线之上，说明水跃完全可以被淹没，消能效率达到100%。校核洪水状态下，下泄洪水流量为375m3/s，单宽流量是15m3/s·m，尾水率定曲线与消能率定曲线有交叉，小部分尾水率定曲线在消能率定曲线之下，消能效率达到93.6%。溢洪道校核洪水标准下，下泄洪水流量为552m3/s，单宽流量为22.1m3/s·m，此时有更多部分的尾水率定曲线在消能率定曲线之下，但消能效率仍可达到80%。按照国内外工程实践，消能效率达到80%以上一般就能满足安全需要，故此消力池消能率已达到设计要求。

三、结束语

水库溢洪道消能效果关系到水库大坝的安全，所以消能设计应达到消能效果好、结构可靠、方便检修等目标要求。合理选择消能型式是实现技术、经济统一性的前提，而结构设计是落实设计思想的重要环节，希望本文所作分析讨论能对读者有所启发和可提供参考。

参考文献：

[1]李红艳，刘耀宗.奈曼旗山区小型水库溢洪道及消能工型式选择[J].内蒙古水利，2014（2）：45-46.

[2]林继镛，王光纶.水工建筑物[J].第5版.北京：中国水利水电出版社，2009.