綜合消能方式在表孔溢洪洞末端的應(yīng)用與研究

陳小林，申 慧，于新艷

(中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司，湖北 武漢 430072)

在水利水電工程中，泄水建筑物受地形高差、地質(zhì)條件及樞紐其他建筑物總體布置等因素限制，其末端下泄水流與下游天然河道相銜接時(shí)很難解決水流消能防沖問題，采用單一常規(guī)的底流消能、挑流消能或者面流消能，往往效果不好。因此，采用怎樣的消能方法才能避免下泄水流不沖刷河床、不損害其他建筑物是非常重要的。

1 工程概況

新源縣水利樞紐工程規(guī)模為中型，等別為Ⅲ等。工程總庫容為8393萬m3，總投資為102500萬元，主要由大壩、表孔溢洪洞、泄洪洞等建筑物組成。永久性主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時(shí)性建筑物級別為5級。

工程表孔溢洪洞設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，洪峰流量Q=196m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，洪峰流量Q=300m3/s。泄洪方式為溢洪道單獨(dú)泄洪，溢洪道不設(shè)閘門，溢流堰為側(cè)槽式，堰型采用WES堰。進(jìn)口控制段布置在左壩肩，全長400m。表孔溢洪洞由進(jìn)口段、側(cè)堰段、調(diào)整段、洞身段、泄槽段、挑流段和下游消力池及泄洪渠段7段組成，其中下游消力池及泄洪渠段包括消力塘、八字進(jìn)水口、陡槽段、臺階式陡坡、消力池、泄洪渠6部分。

2 工程地質(zhì)

表孔溢洪洞因巖土類型、基巖風(fēng)化程度、圍巖類別、構(gòu)造影響和洞身結(jié)構(gòu)等不同，可大致分為3段。

2.1 側(cè)堰段

側(cè)堰段進(jìn)口處發(fā)育有一條沖溝，溝內(nèi)地表植被極發(fā)育。該段以挖方為主，基礎(chǔ)座置于混合土漂石和強(qiáng)風(fēng)化基巖上。混合土漂石厚度約9.0m，雜色，青灰色，松散-稍密，稍濕-飽水，多以塊石為主，塊石成分與山體母巖成分一致，巖性為灰?guī)r，分選性好，級配不良，顆粒多呈棱角狀，磨圓度差，具有不均勻性、大孔隙性，架空結(jié)構(gòu)，充填中粗砂，其中0～6.0m內(nèi)塊石含量較多。天然密度為2.38g/cm3，天然含水率為2.78%，天然干密度為2.31g/cm3，內(nèi)摩擦角為35°，滲透系數(shù)為8.16×10-1cm/s，允許水力比降為0.10。承載力建議值為220kPa，變形模量為14MPa，基巖巖性為灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化帶厚0.50～5.00m，呈碎塊狀，巖石完整性差，裂隙發(fā)育，易碎，用鍬鎬可以挖動，堅(jiān)硬部分需用爆破，弱風(fēng)化基巖的飽和抗壓強(qiáng)度為59.4MPa。

2.2 調(diào)整段和洞身段

該段全部為基巖，巖性為灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀為330°∠40°～70°， 該段洞軸線處于弱風(fēng)化基巖內(nèi)，弱風(fēng)化基巖的飽和抗壓強(qiáng)度為59.4MPa，圍巖類別多為Ⅲ類，堅(jiān)固系數(shù)fk=5，K0=1500MN/m3，部分洞身段圍巖類別為Ⅳ～Ⅴ類，建議堅(jiān)固系數(shù)fk=1～3，K0=600～1000MN/m3。巖層走向與洞軸線夾角為75°，巖層傾角為40°～75°，因此，沿傾向掘進(jìn)對隧洞開挖比較有利，反傾向掘進(jìn)對隧道開挖影響一般或者不利，掘進(jìn)過程中可能遇到掉塊、滲水和巖體塌坍等現(xiàn)象，需采取加固措施。

2.3 泄槽段、挑流段和下游消力池及泄洪渠段

該段地表植被極發(fā)育，生產(chǎn)大量杏樹、灌木等，發(fā)育一條常年流水沖溝，流量約為0.1m3/s。該段以挖方為主，基巖的挖方量相對較多?；A(chǔ)座置于強(qiáng)、弱風(fēng)化基巖和混合土漂石上，混合土漂石厚度大于18.0m，未揭穿，潮濕-飽水，稍密，多以塊石為主，塊石成分與山體母巖成分一致，巖性為灰?guī)r，分選性好，級配不良，顆粒多呈棱角狀，磨圓度差，具有不均勻性、大孔隙性，架空結(jié)構(gòu)，強(qiáng)透水性，局部中粗砂含量較多，其中地表以下8.0～10.0m處有大孤石，粒徑為60～80cm。天然密度為2.29g/cm3，天然含水率為3.99%，天然干密度為2.20g/cm3，內(nèi)摩擦角為35°，滲透系數(shù)為8.16×10-1cm/s。承載力建議值為220kPa，變形模量為14MPa，基巖巖性為灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化層厚0.5～5.0m，呈碎塊狀，巖石完整性差，裂隙發(fā)育，巖石錘擊啞聲，巖石大部分變酥，易碎，用鍬鎬可以挖動，堅(jiān)硬部分需用爆破，弱風(fēng)化基巖的飽和抗壓強(qiáng)度為59.4MPa。

3 消能方案

3.1 方案總布置

表孔溢洪洞末端現(xiàn)狀為自然沖溝，此處與下游河道河底高差36m。沖溝匯入河道處距發(fā)電廠房較近，為保護(hù)發(fā)電廠房，減小下泄水流對自然沖溝的沖刷，在表孔溢洪洞末端采用差動式挑流鼻坎將下泄水流空中消能后挑入消力塘進(jìn)行第二次消能，水流在消力塘內(nèi)部消能穩(wěn)定后溢出，水流進(jìn)入右側(cè)的八字進(jìn)水口，通過八字進(jìn)水口將水流由寬變窄至適合水流進(jìn)入陡槽段，通過臺階式陡坡進(jìn)行第三次消能，差動式挑流鼻坎、消力塘、八字進(jìn)水口聯(lián)合解決溢出的水流滿足水流流態(tài)、流速要求的角度，與陡槽段連接。消力塘、八字進(jìn)水口、臺階式陡坡段的連接解決消力塘至泄洪渠之間高差和部分消能問題；經(jīng)臺階式陡坡第三次消能的水流進(jìn)入泄洪渠首段的消力池進(jìn)行第四次消能，最終水流平順進(jìn)入泄洪渠后流向下游距樞紐建筑物較遠(yuǎn)的天然河道。如圖1所示。

圖1 消能方案

3.2 主要建筑物設(shè)計(jì)

3.2.1差動式挑流鼻坎

該差動式挑流鼻坎長15m，高坎高1.50m，挑射角為30°，反弧半徑為13m，低坎挑射角為20°，反弧半徑為16m，低坎以下1m深度內(nèi)采用鋼筋硅粉混凝土，其余采用鋼筋混凝土，挑流鼻坎底部設(shè)前后齒墻，齒墻深入基巖，并對挑流鼻坎底部進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，挑坎底部設(shè)砂漿錨桿。

鼻坎兩側(cè)邊墻為混凝土重力式擋土墻，迎水面鉛直，背坡為1∶0.35，沿挑流鼻坎與邊墻交界處設(shè)縱縫，縱縫設(shè)止水材料，填縫材料采用高壓閉孔板，封縫材料采用丙乳砂漿。

3.2.2消力塘

挑流鼻坎末端下設(shè)寬15m、長60m、深8m的鋼筋混凝土消力塘，挑流水舌進(jìn)入消力塘消能后由側(cè)向溢流堰流出，溢流堰為高10m的WES實(shí)用堰。消力塘采用鋼筋混凝土襯砌。

3.2.3八字進(jìn)水口

水流由消力塘側(cè)向溢流堰流出，根據(jù)地形，該段水平轉(zhuǎn)彎131°，溢流堰后接1∶10陡坡，此處為八字形布置，由 50m漸變成4m，保證溢出水流由寬變窄進(jìn)入3m寬的泄槽。此段采用混凝土護(hù)砌。

3.2.4臺階式陡坡

該段長40m，底坡為1∶4，平面寬度由4m漸變至6m，為增加消能效果，在陡坡上設(shè)高差0.5m連續(xù)臺階，該段為整體式矩形槽結(jié)構(gòu)，采用鋼筋硅粉混凝土襯砌。

3.2.5消力池

該段長30m、寬6.0m，消力池池深2.5m，底板為混凝土，消力池長2/3處至尾坎設(shè)排水孔與反濾料。消力池邊墻為整體式矩形槽，采用鋼筋硅粉混凝土襯砌。

3.2.6泄洪渠

泄洪渠縱坡i=0.02，矩形斷面，底寬6m，采用細(xì)?；炷疗鍪Y(jié)構(gòu)，邊墻高5m，采用細(xì)粒混凝土砌石重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，墻頂寬0.5m，背坡為1∶0.4，前后趾寬、高均為0.8m。泄洪渠段每隔8m設(shè)一道橫向伸縮縫，底部設(shè)齒墻，齒墻寬0.5m、深1.2m，伸縮縫止水材料采用“651”橡膠止水帶，填縫材料采用高壓閉孔板，封縫采用丙乳砂漿。

泄洪渠出河床處設(shè)置防沖墻，墻高3.5m，對下游20m范圍內(nèi)河底進(jìn)行護(hù)砌，采用1.0m厚細(xì)?；炷疗雎咽趦砂对O(shè)置50m護(hù)岸，采用細(xì)粒混凝土砌卵石，護(hù)坡厚0.5m，基礎(chǔ)埋深為3.5m。

4 水力模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 水力模型研究內(nèi)容

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程實(shí)際要求，對表孔溢洪洞開展水工水力學(xué)試驗(yàn)研究，主要研究內(nèi)容如下：

(1)分析進(jìn)口側(cè)堰泄流情況，對側(cè)堰體型進(jìn)行優(yōu)化。

(2)分析溢洪洞出口泄流情況，對溢洪洞與挑流消能之間連接段進(jìn)行優(yōu)化。

(3)分析挑流消能空中軌跡、入水情況，對消能設(shè)施體型進(jìn)行優(yōu)化。

(4)分析消力塘與泄洪渠道出水銜接情況，對相關(guān)水工建筑物進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 水力模型實(shí)驗(yàn)結(jié)論

4.2.1水力模型優(yōu)化內(nèi)容

設(shè)計(jì)方案結(jié)合水力模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次優(yōu)化、分布實(shí)施，最終的優(yōu)化方案與原設(shè)計(jì)方案相比，包括7個(gè)部分：①側(cè)堰體型優(yōu)化；②側(cè)槽體型優(yōu)化；③溢洪洞整體高程下降；④溢洪洞進(jìn)口體型優(yōu)化；⑤泄槽段底板體型優(yōu)化；⑥挑流鼻坎體型優(yōu)化；⑦消力塘深度增加。

4.2.2水力模型優(yōu)化效果

優(yōu)化后表孔溢洪洞泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求，側(cè)槽與溢洪洞進(jìn)口段的流態(tài)較為平順，泄槽段水流無明顯脫空現(xiàn)象出現(xiàn)。挑流水舌落水區(qū)相對分散，縱向范圍由原設(shè)計(jì)方案的12m增加到17m，增幅約40%。消力塘出水趨于均勻、平穩(wěn)，一定程度上減緩了泄洪渠進(jìn)口水流壅高溢水的趨勢。

差動式挑流鼻坎配合深度8m的消力塘的綜合消能效果較好，明顯減輕了消力塘水流在對岸邊坡的爬升幅度，平順了消力塘出水流態(tài)和泄洪渠的水流銜接。

5 結(jié)語

表孔溢洪洞末端通過差動式挑流鼻坎的挑流水舌在空中消能后進(jìn)入消力塘，水舌在消力塘內(nèi)消能比較充分，水流在消力塘內(nèi)摻混均勻后由側(cè)向溢流堰流出完成2次消能。消力塘和八字進(jìn)水口的連接靈活解決了消力塘與泄洪渠之間水流束窄、連接角度問題。八字進(jìn)水口、陡槽段和臺階式陡坡解決了消力塘與泄洪渠之間高差和部分消能問題，通過臺階式坡面沿程摻氣、旋滾消能，減少了泄洪渠銜接段水流折沖，改善了泄洪渠進(jìn)口水流壅高溢水現(xiàn)象。為保證水流順利歸槽，在臺階式陡坡消能后接消力池，可將水流最終余能消耗于消力池中，水流平順進(jìn)入泄洪渠后流向下游距樞紐建筑物較遠(yuǎn)天然河道，徹底解決了表孔溢洪洞水流消能問題。