羊安水庫(kù)消能方式選擇

江嗣志 劉德利

貴州省黔南州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 貴州 都勻 558000

正文：

一、工程概況

羊安水庫(kù)大壩為C15碾壓混凝土重力壩，壩軸線(xiàn)長(zhǎng)149.15m。大壩壩頂寬6.00m，壩頂高程828.00m，河床建基面高程為759.00m，最大壩高69.00m，最大底寬度64.90m。溢流壩段長(zhǎng)12.00m溢流堰頂高程824.00m，共布置1個(gè)表孔，凈寬10m，堰面采用WES曲線(xiàn)與下游壩坡為1:0.85的斜坡段相接。末端采用底流消能，消力池深3.2m，池長(zhǎng)30m。

二、壩址地形地質(zhì)條件

壩區(qū)位置河谷深切，兩岸山體較為雄厚，兩岸坡基巖基本裸露，自然邊坡坡度40～60°，其邊坡類(lèi)型為層狀斜向結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡，層面與坡面走向夾角＞50°，邊坡結(jié)構(gòu)多屬穩(wěn)定型結(jié)構(gòu)，除局部地段表層分布有少量危巖體外自然邊坡整體穩(wěn)定。

壩址河床高程768.5m，壩址河床出露地層巖性為泥盆系中統(tǒng)上幫寨組一段（D2b1）灰色中至厚層石英砂巖夾深灰色泥質(zhì)粉砂巖及灰黑、灰綠色含粉砂質(zhì)泥巖，為堅(jiān)硬巖夾軟質(zhì)巖的互層狀，弱風(fēng)化巖體抗沖刷系數(shù)K=1.4，強(qiáng)風(fēng)化巖體抗沖刷系數(shù)K=1.5。河床抗沖能力一般。

三、適宜消能方式分析

工程在設(shè)計(jì)及校核工況下下游水深分別為2.1m、2.7m，根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，本工程可選擇挑流消能或底流消能方式。

四、消能方式比選

1、底流消能

本工程底流消能消力池洪水標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇設(shè)計(jì)，最大下泄流量Q=63.6m3/s，相應(yīng)的上、下游洪水位分別為826.1m、770.4m，下游河床高程為768.5m。

根據(jù)河床地形、地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)采用下挖式消力池，池寬與溢洪道同寬，B=10.0m。

消力池池深、池長(zhǎng)采用下列公式計(jì)算：

在下泄流量為63.6m3/s時(shí)，計(jì)算得：消力池深為4.3m，長(zhǎng)32.5m，設(shè)計(jì)池底板高程764.2m。消力池兩側(cè)邊墻計(jì)算高度為6.0m，消力池邊墻墻頂高程770.2m。設(shè)計(jì)邊墻及底板采用C30混凝土澆筑，厚1.0m，底流消能工程投資80萬(wàn)元。

2、挑流消能

挑流消能方案設(shè)計(jì)挑坎高程771.5m，高于校核洪水位下游水位（771.2m）0.3m，設(shè)計(jì)挑射角20°。

工程消能防沖標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，下泄流量為63.6m3/s，相應(yīng)上、下游水位826.1m、770.4m；工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，下泄流量為83.3m3/s，相應(yīng)上、下游水位826.5m、770.7m；校核工況按300年一遇洪水設(shè)計(jì)，下泄流量120m3/s，相應(yīng)上、下游水位827.1m、771.2m。對(duì)此三種工況下的下游消能防沖進(jìn)行計(jì)算。

水舌挑流水舌外緣挑距計(jì)算公式：

式中：L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m；g—重力加速度，m/s2；v—坎頂水面流速，m/s；θ—挑射角度；h1—挑流鼻坎末端法向水深，m；h2—鼻坎坎頂至下游河床高程差，m；v1—鼻坎坎頂水面流速，m/s，可按鼻坎處平均流速v的1.1倍計(jì)。

流速公式計(jì)算：

式中：V—鼻坎末端斷面平均水深，m/s；Z0—鼻坎末端斷面水面以上水頭，m；φ—流速系數(shù)；hf—沿程損失水頭，m；hj—局部損失之和，可取hj/Z0=0.05；S—流程長(zhǎng)度，m；q—單寬流量。

最大沖坑水墊厚度計(jì)算公式：

式中：T—水墊厚度，自水面算至坑底，m；Z—上、下游水位差，m；K—沖坑系數(shù)，取1.5～1.4。

經(jīng)計(jì)算，消能工況下挑距34m，沖坑深度7.8m；設(shè)計(jì)洪水工況挑距39m，沖坑深度9.0m，校核洪水工況挑距49.0m，沖坑深度11m。各工況下L/t大于2.5，滿(mǎn)足規(guī)范要求，沖坑不會(huì)危及大壩安全。工程挑流消能工程投資55萬(wàn)元。

3、消能方式選擇

根據(jù)對(duì)底流消能及挑流消能計(jì)算，兩種消能方式在工程技術(shù)上均可行。底流消力須對(duì)壩下游開(kāi)挖，土建投資比挑流消能高約25萬(wàn)元。

工程下游河床基巖抗?jié)M足抗沖要求，挑流消能對(duì)壩體穩(wěn)定無(wú)不利影響。但下游河床軟硬巖互層分布，挑流消能對(duì)河床沖刷將加劇河床及兩岸的水土流失，因挑流消能工程投資與底流消能投資差異并不明顯，綜合投資、環(huán)境影響等方面考慮，本工程選擇底流消能方式。

五、結(jié)論

在工程投資差別不大的條件下，選擇底流消能，能有效的減少洪水對(duì)下游河床的沖刷。

在對(duì)工程消能方式選擇時(shí)，應(yīng)從投資、安全、環(huán)保等多方面綜合論證，才能選出合適的設(shè)計(jì)方案。