某高壩消能工設計與模型試驗

杜華冬，肖浩波

（長江勘測規(guī)劃設計研究院 ，湖北 武漢 430010）

1 工程概況

某混凝土重力壩位于熱帶雨林地區(qū)，壩址河谷狹窄，河道縱坡較陡，壩后地質(zhì)條件較差。大壩為碾壓混凝土重力壩，河床部位布置溢流壩段，設三孔無閘控表孔溢流堰，兩岸布置非溢流壩段。大壩頂高程546 m，溢流堰頂高程540 m，河床建基面最低高程390 m，最大壩高156 m。

大壩上游水庫正常蓄水位540 m，相應庫容120億m3，為一等大（1）型工程。擋泄水建筑物設計洪水頻率0.1%，校核洪水頻率0.02%。消能防沖建筑物設計洪水頻率1%。

2 設計條件

2.1 水文條件

工程所在河段洪水主要由降雨匯流形成，且洪水對降雨響應快；枯水期很短，洪枯流量差別小。多年平均流量242 m3/s，平均年徑流量76.37億m3。

壩址各頻率洪水見表1，壩址水位流量關(guān)系見表2。

水庫正常蓄水位540 m，死水位515 m，有效調(diào)節(jié)庫容達54.75億m3，具有較強的蓄滯洪能力。各特征頻率洪水洪峰流量、下泄流量及相應壩前水位如表3。

2.2 地形地質(zhì)條件

壩址位于一長約1 000 m的順直河段上，河床縱向坡比約2.6%。壩址河谷狹窄，岸坡陡峻，峽谷左岸坡度43°，右岸坡度55°，谷底寬約50 m。壩區(qū)河道均覆蓋第四系沖、洪積物，岸邊可見巨大砂巖塊石。壩區(qū)巖石主要屬于早第三紀始新世濱海相地層，壩后為砂巖與頁巖、泥巖復雜組合體，其允許抗沖流速在3.5 m/s以下，屬易沖刷巖體，設計消能方式不當將可能造成壩后嚴重沖刷而影響大壩整體穩(wěn)定。

表1 壩址各頻率洪水

表2 壩址水位流量關(guān)系

2.3 溢流壩段布置

溢流壩段布置在河床部位，設3個壩段，沿壩軸線總寬約60 m，表孔孔口凈寬54 m。大壩上游面高程470 m以上直立，高程470 m以下設1∶0.2折坡，大壩下游面坡比1∶0.8。溢流壩段橫剖面見圖1。圖中高程以m計，結(jié)構(gòu)尺寸以cm計。

表3 壩址水位流量關(guān)系

圖1 溢流壩段剖面圖

3 消能工設計

3.1 消能型式比選

大壩最大高度達156 m，河谷底寬僅50 m，河道縱坡達2.6%，設計泄量下下游尾水位僅為412.3 m，相應下游水深僅約2.3 m，壩后巖體抗沖流速僅為 3.5 m/s。

大壩高度大，下泄水流能量高，且尾水位淺，河谷狹窄，不具備面流消能條件；而由于河道縱坡陡，尾水位淺，若采用底流消能方式，將需要設置70 m長的復合式消力池，消力池下挖深度達7 m，消力池尾坎高1 m，開挖和混凝土工程量均較大，且消力池深挖對大壩穩(wěn)定較為不利，故底流消能方式亦不甚適用。

工程所在河流豐枯水量差別小，通常情況下，下泄流量較為均勻，大壩高，水流可以起挑，具備采用挑流消能方式的基本條件。同時挑流消能僅需在壩體下游部分適當增加反弧段及挑流鼻坎等設施即可，工程量較小。

但壩后巖體抗沖性能較差，若僅單獨采用挑流消能方式，挑距及沖坑深度將不能滿足大壩安全需要，故需在挑流消能工上游利用壩身結(jié)構(gòu)先消減部分能量。參照類似工程經(jīng)驗，可采用寬尾墩加壩面臺階進行先期消能，剩余能量經(jīng)挑流鼻坎挑出安全的距離。

在采用寬尾墩加臺階消能方式的條件下，若下游采用底流消能方式，與挑流消能方式相比較，前者的工程量仍遠大于后者。

經(jīng)上述綜合分析比較，確定采用寬尾墩加壩面臺階再接挑流消能的聯(lián)合消能方式。

3.2 寬尾墩消能[1，2，3，4]

寬尾墩消能方式首先由我國水利工程設計人員提出，通常與挑流消能或底流消能方式聯(lián)合運用。第一個應用寬尾墩方式的是潘家口水利樞紐，系與挑流消能相結(jié)合。隨后，寬尾墩消能方式得到了迅速推廣。潘家口水利樞紐建成于1983年，迄今運行良好。

寬尾墩墩尾的擴展，使得出泄水流平面收縮和側(cè)緣豎向抬升，形成凹形水面，改變了水流壓力分布和水股流向，造成水流內(nèi)部紊動消能，同時增強了對水流側(cè)緣摩擦、撞擊作用。水流過墩尾后，在慣性作用下，繼續(xù)收縮一段距離，然后側(cè)緣降低，水流平面擴展，水面由凹形變?yōu)橥剐巍Ｔ谶@一過程中，墩尾空腔對水流大量摻氣，同時水流內(nèi)部壓力、流速、流向變化劇烈，強烈摻混，進一步消能。

但較之平尾墩，寬尾墩的存在會影響斷面的過流能力。因此選擇合適的收縮率至關(guān)重要，使得寬尾墩既不對過流能力造成較大影響，又能確保消能效果。對寬尾墩收縮率的研究仍處在經(jīng)驗公式階段，實際設計中常采用工程類比，并經(jīng)模型試驗確定。

寬尾墩有矩形、X形、Y形等多種形式。該工程通常情況下流量較小，校核洪水下單寬流量約7 m3/(s·m)，采用體形簡單、運行可靠、施工及維護方便的矩形寬尾墩即可，墩尾向兩邊各擴展2 m。

3.3 臺階消能[4，5，6]

臺階式泄槽的水流特點是臺階干擾水流運動，加強水流紊動摻氣，并利用臺階對水流的撞擊消能。下泄水流被壩面臺階沿級阻擋，從上一級臺階前沿跌落，在下一級臺階面產(chǎn)生撞擊，并在臺階內(nèi)凹處形成水平軸旋滾，上部水流紊動，在水氣接觸面摻氣。在這一連串的跌、擊、旋滾、摻氣的過程中，下泄水流的能量得到消殺。在一定的臺階形狀及尺寸下，小流量時，跌、擊起主要消能作用；流量較大時旋滾、摻氣起主要消能作用；在摻氣飽和的情況下，形成水深、流速沿程不變的穩(wěn)定滑行水流。

臺階式泄槽與末端消能工組合的消能方式更能適應高水頭、窄河谷泄洪消能工程。

臺階消能工已得到廣泛應用，但臺階消能率研究尚處于試驗階段，至今并無統(tǒng)一公式。大量試驗研究表明，臺階消能率可達20%～80%。臺階消能率總體隨流量增大而降低。

根據(jù)該工程溢流壩段斷面型式，參照類似工程，臺階高寬比取為1∶0.8，單級臺階高1 m，寬0.8 m，共計126級。

3.4 挑流消能

相較于寬尾墩消能和臺階消能，挑流消能在理論和應用上均更成熟。

臺階末端的反弧段及挑流鼻坎將下泄水流挑出，出射水流在重力及空氣阻力等的作用下，擴散、摩擦、相互撞擊消除一部分能量；水流射入下游河床，沖擊水墊，并產(chǎn)生劇烈紊動，消除剩余能量。

根據(jù)計算比較，擬定該工程反弧半徑30 m，挑射角 25°。

3.5 消能計算

考慮到高壩溢流堰光滑壩面消能率一般可達10%，而消能防沖設計中通常不計光滑壩面消能率，直接取堰上總水頭Hy進行計算，故在該次計算中取臺階末端水頭H0為

根據(jù)DL 5108-1999《混凝土重力壩設計規(guī)范》，挑流消能設計應對各級下泄流量進行水力計算，估算水舌挑射距離、最大沖坑深度。挑流水舌挑射距離和跌入下游河床的最大沖坑深度可按照該規(guī)范附錄C計算。消能計算結(jié)果見表4。

計算各級流量下挑距約90 m，相應位置下游水深 2.3～2.7 m，流速約 1.4～2.2 m/s，不會對下游河床造成嚴重沖刷。

4 模型試驗及設計優(yōu)化

為進一步驗證設計的合理性并對其進行優(yōu)化，委托長江科學院進行了水工模型試驗。這次試驗分別測定了臺階壩面摻氣的起始位置、壩面水面線、壩面壓力和臺階消能率。

表4 消能計算結(jié)果

斷面模型試驗選用水槽寬度B=0.6 m，上游模型高H=2.8 m。模型比例為1∶40，模擬兩孔(含兩個整墩)，在每隔10級臺階的立面和平面上分別均勻布置兩個壓力測點。

試驗結(jié)果表明，設計臺階壩面的消能率可達79%～86%。但50級以上的臺階存在空蝕可能，需增強摻氣措施。經(jīng)研究決定采用前置摻氣坎。摻氣坎位于寬尾墩末端溢流面上，高35 cm。通過對模型修正并重新試驗，采用前置摻氣坎對50級臺階以上水流摻氣效果良好，消除了整個壩面空蝕隱患。

5 結(jié)語

該工程處于窄河谷區(qū)，最大壩高156 m，壩后巖體軟弱易沖刷，設計采用寬尾墩加臺階加挑流聯(lián)合消能，并經(jīng)模型試驗修正，取得了良好的消能效果，可供類似工程借鑒。

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