寬尾墩-戽式消力池聯(lián)合消能在LZ水庫中的應(yīng)用

聶思敏，李應(yīng)周

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550002)

1 工程概況

貴州LZ水庫工程泄水建筑物為3級，重力壩正常運(yùn)用時(shí)洪水重現(xiàn)期為50年(P=2%)，下泄流量分別1 690 m3/s；非常運(yùn)用時(shí)洪水重現(xiàn)期為500年(P=0.2%)，洪水下泄流量2 550 m3/s；消能防沖建筑物洪水重現(xiàn)期為30年(P=3.33%)，下泄流量為1 490 m3/s。泄洪建筑物由溢流壩段溢流表孔泄洪。

溢流壩段位于壩身河床段，為有閘控制溢流表孔溢洪道。堰頂高程770 m，溢流前沿凈寬30 m，設(shè)有3孔10 m×10 m(寬×高)，分別設(shè)置檢修平板鋼閘門、弧形工作閘門，由液壓啟閉機(jī)啟閉。表孔中墩厚3 m，邊墩厚2 m。兩側(cè)導(dǎo)墻延伸至下游反弧段末端處和消力池邊墻相接，以保證泄流時(shí)水流不往非溢流壩方向擴(kuò)散。

溢流堰采用WES型實(shí)用堰，堰頂下游的堰面曲線方程為：y=0.066 05x1.85，曲線接1∶0.7的斜坡段，之后接半徑為10 m的反弧段與溢洪道壩后直線段連接起來，反弧段挑坎高程751.458 m，挑射角54.98°。溢流面采用厚1 000 mm的C35鋼筋砼，溢流邊墻采用厚2 m的C25鋼筋砼。

若直接采用底流消能，結(jié)合下游河道地形布置，消力池建基面高程750 m，池底高程751.458 m，池頂高程770 m，長54.6 m。為節(jié)約工程量，充分利用下游水位較高的條件，提高消能效果，采用寬尾墩-戽式消力池聯(lián)合消能方案。寬尾墩消能工采用直線或曲線將閘墩尾部加寬，使出閘孔水流產(chǎn)生收縮，從而加強(qiáng)水流沿壩面的縱向分散和摻氣，消能效果良好[1]。

2 寬尾墩-戽式消力池設(shè)計(jì)布置

2.1 寬尾墩設(shè)置的必要條件

根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊》(第七卷)1.6.6.2規(guī)定，寬尾墩的應(yīng)用需要以深尾水為必要條件，表征下游尾水水深大小的參數(shù)：

hd/Pd>0.28

式中：hd為下游水位與消力池底板高程差，m；Pd為溢流表孔堰頂與消力池底板高程差，m。

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 hd/Pd計(jì)算表

由計(jì)算結(jié)果可知，滿足設(shè)置寬尾墩的必要條件。

2.2 寬尾墩尺寸擬定及消力池長度計(jì)算

鑒于各工程的水力條件不盡相同，目前對寬尾墩體型的優(yōu)化設(shè)計(jì)暫不可能根據(jù)計(jì)算確定，仍需通過水工模型試驗(yàn)予以確定。根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊》(第七卷)1.6.6.2規(guī)定，初步擬定寬尾墩尺寸如下。

閘孔收縮比為:

ε=b0/B0

式中：b0為閘孔收縮之后的凈寬，m；B0為閘孔收縮之前的凈寬，m。

目前，推薦采用如下參數(shù)ε=0.30～0.50，已知B0=10 m，本次初擬ε為0.5，則b0=5 m。閘墩收縮率ξ=(1-ε)×100%=50%，滿足推薦采用參數(shù)ξ=50%～70%。

閘墩收縮角為：

θ=arctan((B0-b0)/2L)

式中：b0為閘孔收縮之后的凈寬，m；B0為閘孔收縮之前的凈寬，m；L為收縮段起點(diǎn)至閘墩末端的水平距離，m。

取L=10 m，計(jì)算θ=14.036°，滿足推薦參數(shù)θ=12°～20°的要求。

根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊》(第七卷)1.6.6.3規(guī)定，寬尾墩消力池聯(lián)合消能的消力池長度可按未考慮寬尾墩計(jì)算的消力池長度的2/3考慮，已知未考慮寬尾墩的消力池計(jì)算長度為54.6 m，則寬尾墩消力池聯(lián)合消能的消力池長度L為36.4 m，本次設(shè)計(jì)實(shí)際取39.5 m。

消力池建基面高程750.0 m，池底高程751.500 m，池頂高程770.00 m，長39.5 m。消力池底板采用厚1.5 m的C35鋼筋砼，邊墻采用厚1.0 m的C35鋼筋砼。消力池末端與河道相接。消力池在壩橫0+029.525、壩橫0+048.525設(shè)置2道橫向伸縮縫。在壩橫0+0435.525設(shè)置消力墩為6個(gè)，消力墩尺寸為頂寬1 m，高4 m，底寬5 m，垂直于溢流表孔中軸線方向?qū)挾葹? m。

3 寬尾墩-戽式消力池聯(lián)合消能模型試驗(yàn)與優(yōu)化

3.1 模型設(shè)計(jì)與制作

水力學(xué)模型試驗(yàn)根據(jù)設(shè)計(jì)要求在已確定的樞紐總體布置設(shè)計(jì)條件下，研究下游底流消能效果、下泄水流對兩岸的沖刷。研究寬尾墩-戽式消力池聯(lián)合消能對本工程的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)合理性，必要時(shí)對原設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。

根據(jù)試驗(yàn)及《水工常見模型試驗(yàn)規(guī)程》(SL 155-2012)的要求，確定該工程水工模型采用正態(tài)整體模型，按重力相似準(zhǔn)則[2-3]設(shè)計(jì)，從試驗(yàn)場地、循環(huán)水的供水條件和目前的量測手段及該次試驗(yàn)的要求出發(fā) ,經(jīng)反復(fù)比較,選定水工模型的幾何比尺Lr=1∶50。

上游庫區(qū)地形取壩址以上180 m，庫區(qū)地形高程模擬至790 m，下游地形取壩址以下200 m左右，地形高程模擬至785m，按該工程壩址地形圖(1∶500)制作。對沖坑范圍內(nèi)采用散粒體碎石按河道地形模擬基巖，并按設(shè)計(jì)提供的巖石不沖流速3 m/s選擇散粒體粒徑。模型地形部分采用斷面板法控制水泥砂漿抹制。溢流壩用樣板控制，磚砌、水泥砂漿抹制而成

3.2 原方案下游流態(tài)及沖刷

溢流表孔水流流至消力池后，由于下游水位較高，在消力池內(nèi)未發(fā)生水躍，底部水流撞擊消力池內(nèi)壩橫0+43.525消力墩后上涌，在左右岸坡形成涌浪，涌浪范圍主要分布在壩橫0+30～0+80左右岸坡。受兩岸地形的影響，部分上涌水流在左右岸形成回流。壩橫0+80后下游河床內(nèi)水流趨于平穩(wěn)。各級流量下下泄水流對消力池下游河床均造成沖刷，在P=0.2%(Q=2 550 m3/s)下游最大沖刷坑深度3.73 m。下游沖刷成果見表2。

表2 原方案下游沖刷成果表

原方案試驗(yàn)中，各級流量下下泄水流均對下游造成沖刷。為改善下泄水流對消力池下游的沖刷情況，有必要對消力池內(nèi)消能工設(shè)施進(jìn)行修改優(yōu)化。

3.3 修改優(yōu)化方案下游流態(tài)及沖刷

修改優(yōu)化方案在原方案基礎(chǔ)上修改如下：在下游消力池壩橫0+54.525處增設(shè)一排消力墩，增設(shè)的消力墩為5個(gè)，增設(shè)消力墩尺寸為頂寬1 m，高3 m，底寬4 m，垂直于溢流表孔中軸線方向?qū)挾葹? m，與第一排消力墩相間布置。

溢流表孔水流流至消力池后，各級流量下在消力池內(nèi)未發(fā)生水躍，底部水流撞擊消力池內(nèi)消力坎后上涌，在左右岸坡形成涌浪，涌浪范圍主要分布在壩橫0+30～0+80左右岸坡。受兩岸地形的影響，部分上涌水流在左右岸形成回流。各級流量下，消力池及河床中流速較原方案有所降低，壩橫0+80后下游河床內(nèi)水流趨于平穩(wěn)，流速較低，表明消力池內(nèi)水流能量消耗充分。

在P=3.33%(Q=1 490 m3/s)及P=2%(Q=1 690 m3/s)兩級流量下，對消力池下游河床未造成沖刷；在P=0.2%(Q=2 550 m3/s)流量下，下游最大沖刷坑深度1.54 m，各級流量下的下游沖刷成果見表3。

表3 修改方案下游沖刷成果表

4 結(jié) 語

寬尾墩-戽式消力池聯(lián)合消能對水流消能作用顯著，可以縮短池長，節(jié)約工程量，降低工程投資。通過模型試驗(yàn)結(jié)果可以看出，寬尾墩-戽式消力池聯(lián)合消能中設(shè)置雙排消力墩相對于單排消力墩，可以更好地改善下游沖刷。寬尾墩+戽式消力池+雙排消力墩這種組合消能型式較好解決了該工程消能防沖問題，可為同類型工程設(shè)計(jì)提供參考。