階梯式消能工在水庫除險加固工程中的應用

曹永志

（湖南華緯水電工程公司 常德市 415000）

1 應用的重要意義

在開展水庫工程建設中，過去一般應用混凝土光滑陡槽消能法，據(jù)科學研究發(fā)現(xiàn)，這種消能方法消耗的能量少，有時，上流水面帶來的水能沒有被迅速消除，會給大壩或周圍的建筑物帶來極大的沖擊，造成極大的危險性。過去，需要耗費很多資金建造消力池才能解決消能的問題。隨著科學研究的發(fā)展，提出了階梯式消能方式，這是一種新型的消能方法，應用這種方法，它能突破傳統(tǒng)消能技術消能慢、耗費資金多的問題，這項技術給水庫建設帶來重大的突破。

2 應用的理論依據(jù)

傳統(tǒng)的光滑陡槽消能法存在的問題在于水流通過光滑陡槽時，它的前半段水流通過的地段摩擦力小，能量不能被迅速消除，僅依靠后半段的消能結(jié)構(gòu)解決能量消耗。這種消能方法消能的效率不高。階梯式消能方式是應用一種全新的結(jié)構(gòu)來消能，該工程的總體結(jié)構(gòu)看起來如階梯，其中每一個階段都有凹角，這些凹角具有泄洪的作用，當奔流的水奔過一道道階梯以后，它具有的能量已在階梯中逐漸消減，而最后的能量已經(jīng)不會構(gòu)成太大的危害。

如何科學設置階梯才能做好水庫除險加固工作，目前沒有一種統(tǒng)一的階梯設置方法，只能說這種技術應用的原理為利用階段式的結(jié)構(gòu)，形成水的摻氣點，摻氣點所形成的情況由階梯的形成角度、寬度和階梯的高度來決定。當平滑水流形成摻氣以后，它會消減一部分的能力。摻氣的水流一步一步地跨越階梯，在形成摻氣的時候，能量即一步一步地消減。當它流過階梯以后，雖然水流依然存在能量，可是該能量已經(jīng)大幅度的消減，此時它進入消力池中，經(jīng)由消力池進一步消去能量，洪水已經(jīng)不再構(gòu)成極大的威脅。

從表面上看，建立階梯式消能工所耗費的成本似乎比光滑陡槽高，實際上假設階梯式消能工要消耗掉與光滑陡槽同樣的能量，洪水所需流過的速度比光滑陡槽短，這就意味著與光滑陡槽技術相比，階梯式消能工技術更節(jié)省成本。而且，洪水進入階段式消能工消耗能量時，它消耗的能量更多，這就意味著這種技術能降低洪水沖擊的風險。從綜合的角度上看，階梯式消能工是一種非常先進的消能工技術，如果能夠合理地應用該技術，將更有效地解決水庫除險加固的問題。

3 案例分析

在怎樣的情形下，應當應用階梯式消能工技術，目前尚無一個定論，在開展水庫建設的時候，要根據(jù)水庫的實際情況，以及結(jié)合經(jīng)濟、科學、有效的原則將這一技術應用到水庫除險加固工程中。

3.1 工程項目

湖南華緯水電工程公司2009年承擔了常德市2009年度石門縣雙紅水庫除險加固工程的施工，10月11日開工，2010年5月16日完工，筆者擔任該工程的技術負責人。雙紅水庫為石門縣重點中型水庫，樞紐工程由大壩溢洪道、輸水涵管等建筑物組成，工程等級為三級。該工程的施工技術運用有很多方面，筆者在此僅僅談談消能工在此工程中的運用。

3.2 項目設計

（1）消能工設計分析。經(jīng)過勘測，設計人員搜集了與水庫相關的歷史數(shù)據(jù)。雙紅水庫的修建時間為1959年，它主要擔負著抗洪、蓄洪，及數(shù)個村莊農(nóng)業(yè)灌溉的任務。1979年，雙紅水庫擴建。2004年9月，湖南省水利廳批準了雙紅水庫《大壩安全鑒定書》。2007年3月水利部大壩安全管理中心復核確認大壩為Ⅲ類壩。2008年11月省水利廳對初步設計進行了批復。2009年11月，省水利廳審查通過了技施設計并下達實施雙紅水庫除險加固計劃?，F(xiàn)在水庫的壩頂高程設計為236.00 m，壩頂寬5 m、壩長約1 000 m，校核洪水位128.57 m，總庫容為1 280 萬m3，死水位111.69 m，死庫容22 萬m3，主要建筑物為40年一遇洪水設計。

（2）消能工設計方案。雙紅水庫的堤壩需要有效的消能，否則新的險情將會再度發(fā)生。如果采用傳統(tǒng)的消能方式，應用光滑陡槽與消力池共同應用的方法，洪水在經(jīng)過光滑陡槽上，會激起極大的水花，水花敲擊在消力池的墻壁上，會產(chǎn)生極強的能力，為了消減這種能力，必須建造大容量的消力池，這會耗費太多的成本。

為解決光滑陡槽消力效果不佳的問題，設計單位作出變更，將光滑陡槽改為53 級的階梯陡槽，陡槽每級高為0.60 m，寬為1.38 m。

結(jié)合設計模型來判斷，如果應用傳統(tǒng)的光滑陡槽加消力池技術，在陡槽末段測試水躍起躍首的流速應為26.4 m/s，如果計消力池尾坎斷面，總計可消能88%，而其中主要的能量為消力池消耗，消力池耗能為80%，可見光滑陡槽不能有效地起到耗能的作用。改用階梯式消能工技術，最終消力池尾坎斷面總計耗能為87%，其結(jié)果與原設計方案相差無幾，而階梯式陡槽耗能率為62.6%，這意味著不需要建造很大的消力池即可完成后續(xù)的消能工作。

將該次水庫消能原設計模型與實際控制工況進行比較，比較結(jié)果見附表。

附表 雙紅水庫消能原設計與實際控制工況進行比較 %

（3）消能工施工結(jié)果。與原定的設計方案相比，階梯式消能工技術往上游縮短了20 m 的距離，提高了水庫除險加固的效能；池底抬高了4 m，消力池僅僅只需要2 m，降低了施工的成本。該技術的應用解決了這一水庫長期存在的安全隱患。

4 應用的要點分析

（1）結(jié)合施工需求應用該技術。在水庫的除險加固工程中，可以應用多種除險加固技術，比如消力池技術、消力坎技術、階梯式消能工技術、挑流方案技術，階梯式消能工技術只是其中的一種技術。每個水庫情況不同，適用的技術也不相同。以該次的水庫除險加固案例而言，該水庫的結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常不穩(wěn)固，它急需開展消能工程； 該水庫從上游至下游均存在位移現(xiàn)象，如果應用光滑陡槽技術，洪水在穿越陡槽的過程中不能有效地消能，它的消能工作主要在消力池完成，這種工程結(jié)構(gòu)可能還是會給水庫帶來隱患，為有效解決水庫消能問題，本次工程優(yōu)先選擇應用階梯式消能工技術，該水庫的實際情況允許應用階梯式消能工技術。

（2）結(jié)合施工參數(shù)應用該技術。應用階梯式消能工技術，要做好庫水位、下泄流量、流量的計算工作，結(jié)合消能的需求做好階梯式消能工設計。從該次案例中雙紅水庫的階梯式消能工技術的應用可以看到，要重視數(shù)據(jù)收集的工作。為了有效地做好施工參數(shù)設計，首先收集了1959年的水庫修建原始資料，從中取得需要的數(shù)據(jù)；收集了1979～2009年水庫建設的資料，還收集了水庫位移變化的資料，以此得到消能工程開展的依據(jù)。

（3）結(jié)合施工成本應用該技術。在應用階梯式消能技術時，不能武斷地說應用階梯式消能技術一定比其它的消能工技術更節(jié)省成本。這是由于在應用消能工技術時，涉及到土方開挖、混凝土回填、各種混凝土及鋼筋應用、各類后期工程清理的問題等。應結(jié)合施工的實際情況，綜合比較施工的需求與施工的成本，找到一個最優(yōu)的施工方案。

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