某工程溢洪道臺階消能設計優(yōu)化研究

向 蕾

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊 830000)

某工程溢洪道臺階消能設計優(yōu)化研究

向 蕾

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊 830000)

某水庫工程溢洪道采用臺階式消能方式，要求對溢洪道出口體型進行試驗優(yōu)化，以解決其出口消能防沖問題.經(jīng)反復試驗研究，提出了較優(yōu)消能工方案.運行結(jié)果表明，該方案較好地解決了溢洪道出口的消能防沖問題，既節(jié)約工程投資，同時也滿足了工程安全性能要求.

溢洪道;消能設計;試驗優(yōu)化;研究論證

某水庫工程是一座控制性山區(qū)水庫，由黏土心墻壩、導流泄洪兼放水洞、開敞式溢洪道等主要建筑物組成.河床布置黏土心墻壩，泄水系統(tǒng)表孔布置在右岸為開敞式溢洪道，底孔布置在左岸為無壓洞.水庫庫容1 256萬m3，壩高78 m.該工程規(guī)模屬中型，工程等別為Ⅲ等.水庫正常蓄水位1 011 m，死水位974 m，最大壩高78 m，溢洪道堰頂高程1 006 m［1］，設計泄量105.55 m3/s，校核泄量 144.48 m3/s.溢洪道布置在右岸，進口邊坡走向近南北，岸坡坡角20°～30°;基巖巖性為砂巖(T3hs)、泥質(zhì)砂巖互層，巖層產(chǎn)狀285°SW∠35°，強風化層厚2～5 m，縱波速度Vp=1 500～1 800 m/s;弱風化層厚8～9 m，縱波速度Vp=1 800～2 200 m/s.基巖表層局部覆蓋有厚1～2 m坡積(Q4dl)碎塊石.明渠左側(cè)邊坡傾向坡外，右側(cè)邊坡傾向坡里，該組裂隙對左邊坡影響較大.受節(jié)理切割影響，本段巖體較破碎，巖體抗沖能力較差，消能區(qū)左岸巖石破碎更為嚴重，因而溢洪道的出口消能效果直接制約著效能效果及整個工程建設是否順利完成.最終，依據(jù)優(yōu)化溢洪道出口消能工施工工藝、降低工程投資、保證整個工程安全性的原則，特進行試驗研究.

1 試驗研究成果及分析

在對原方案的消能沖刷結(jié)果分析后，進行了4個優(yōu)化方案進行試驗論證分析.

1.1 原方案的消能沖刷結(jié)果

原方案消力池長25 m，尾坎高1 m，尾坎上下均寬1 m，校核洪水時泄流流態(tài)如圖1—2所示.

試驗中觀測到，由于下游尾水較低，消力池內(nèi)沒有形成淹沒水躍，水流幾乎全部挑射到護坦上，沒有形成底流消能［2］，因此需要進行消能優(yōu)化研究.

1.2 優(yōu)化方案1

考慮到原方案在校核洪水時由于下游水位較低，消力池內(nèi)不能形成淹沒水躍.因此優(yōu)化方案1中將尾坎加高為 2.60 m，尾坎上寬 1.20 m，下寬1.98 m，坡度 1∶0.3.消力池加長 10 m，為 35 m，以便增加局部下游水深，形成完整淹沒水躍［3］.

下游鋪設地形、溢洪道校核洪水泄流流態(tài)、消力池泄流流態(tài)及沖后地形如圖3—6所示.

方案1中仍有部分水躍沖出消力池，校核洪水沖后下游護坦仍有大部分掀起.

1.3 優(yōu)化方案2

優(yōu)化方案2中增加1級消能坎，在消力池中距離最后一級臺階10.25 m處加設高度為1.00 m的消能坎(樁號為 0+219.25 m)，上寬 0.70 m，下寬1.45 m，坡度1∶0.7.

校核洪水時消力池泄流流態(tài)及沖后地形如圖7—8所示.

校核洪水沖后，消力池后護坦前面3排發(fā)生坍塌移動，后3排護坦也有較大位移.

1.4 優(yōu)化方案3

護坦和石籠各加長10 m，消力池底板、護坦和石籠的高程都降低1 m，對校核洪水(1 012.28 m)的沖刷特性進行了試驗研究，鋪設好的地形和沖刷后的地形如圖9—10所示.

校核洪水沖刷后護坦穩(wěn)定，未被掀起，下游河道沖坑深度也較小，不影響石籠的穩(wěn)定性［4］.

1.5 優(yōu)化方案4

在方案3的基礎上，第4排護坦上加3排消力墩，消力墩高0.3 m，寬0.2 m，下游坡度1∶1.第1 排消力墩16個，第2排消力墩17個，第3排消力墩18個，2排間距為1 m.

在正常蓄水位和校核洪水位下，消力池及護坦段的泄流流態(tài)如圖11—12所示.

不同水位下各測點實測流速與計算流速值列于表1.

表1 不同水位下各測點實測流速與計算流速m/s

按照實測流速求得的階梯溢洪道的消能率見表2.表2中的消能率指從堰頂至消力池出口處的能量之差與總能量的比值［4］.

對校核洪水(1 012.28 m)的沖刷特性進行了試驗研究.沖刷后護坦沒有被掀起，石籠也較穩(wěn)定［5］.

2 結(jié)語

1)原設計方案中，溢洪道在設計水位1 011 m和校核水位1 012.19 m相應的實測泄流量分別為110.18，147.33 m3/s，比設計流量105.55 m3/s和校核流量 144.48 m3/s分別大 4.63 m3/s(4.4%)和2.85m3/s(2.0%).

表2 階梯溢洪道的消能率

2)閘門全開時，不同工況下溢洪道沿程各測點的實測空化數(shù)都比較高，不會發(fā)生空化空蝕破壞;正常蓄水位1 011 m時，在不同庫水位下溢洪道沿程各測點的實測空化數(shù)都比較高，也不會發(fā)生空化空蝕破壞［7］.

3)試驗中觀測到，原設計水位1 011 m閘門局部開啟時，開度分別為 0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m 時，在閘前出現(xiàn)漩渦.開度為0.5，1.0 m時漩渦比較弱;隨著開度的增大，漩渦加劇;開度2.5 m以后漩渦減弱;開度為3.0 m時接近堰流，漩渦消失.由于目前工程上只是對于水電站等進水口出現(xiàn)的漩渦可以采取消波措施減弱或消除，而對于水工閘門局部開啟在閘前出現(xiàn)的吸氣漩渦還沒有很好的解決辦法，有待進一步研究，建議實際運行中盡量減少閘門局部開啟的次數(shù).

4)由于原設計方案在消力池中不能形成完整的水躍，消能效果不佳，建議優(yōu)化設計方案.

5)實測優(yōu)化方案中，溢洪道在正常蓄水位1 011 m，設計庫水位1 011.01 m和校核庫水位1 012.28 m時相應的泄流 量分別為 113.673，113.962，154.016 m3/s.在校核庫水位 1 012.28 m的情況下，下游護坦幾乎未發(fā)生位移，也無坍塌現(xiàn)象.由實測流速求得的階梯溢洪道消能率達80%以上.

6)方案4的消能效果較方案3的效果更佳，護坦的穩(wěn)定性也更好，推薦采用方案4.

［1］天津水利水電勘測設計研究院.SL 253—2000溢洪道設計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2000.

［2］李煒，徐孝平.水力學［M］.武漢:武漢水利電力大學出版社，2000.

［3］艾克明.臺階式泄槽溢洪道的水力特性和設計應用［J］.水力發(fā)電學報，1998(4):86 －95.

［4］田嘉寧，大津巖夫，李建中，等.臺階式溢洪道各流況的消能特性［J］.水力學報，2003(4):35－39.

［5］曾東洋.臺階式溢洪道水力特性的試驗研究［D］.西安:西安理工大學，2002.

［6］張志昌，曾東洋，劉亞菲.臺階式溢洪道摻氣特性的研究［J］.應用力學學報，2003，20(4):97 －100.

Design Optimization of Spillway Energy Dissipation by Steps in a Project

XIANG Lei
(Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Uygur 830000，China)

The mode of energy dissipation by steps was adopted in the spillway of a reservoir，and the size of the spillway outlet needed to be optimized by tests to solve the problems of energy dissipation and erosion prevention.By the means of repeatedly testing，the optimal scheme was proposed.The operation results showed that this scheme has solved the problems of energy dissipation and erosion prevention of the spillway outlet and not only saved the investment but also met the requirements of safety performance of the project.

spillway;energy dissipation design;optimization by tests;research and demonstration

1002－5634(2011)05－0048－03

2011－06－25

向 蕾(1984—)，女，新疆喀什人，助理工程師，主要從事水利水電工程設計方面的研究.

(責任編輯:陳海濤)