某大型水利樞紐泄水建筑物的消能防沖設(shè)計(jì)

甘文寧

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 工程概況

某水利樞紐工程位于西南地區(qū)，是一座以防洪為主，兼顧發(fā)電、航運(yùn)等綜合效益的大（2）型水利工程，水庫(kù)總庫(kù)容為8.5×108m3，防洪庫(kù)容7.8×108m3，水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000 年一遇[1]。水庫(kù)正常蓄水位為163.00 m，汛限水位為153.00 m，設(shè)計(jì)洪水位、防洪高水位均為186.8 m，校核洪水位為186.94 m。樞紐主要建筑物有擋水壩（混凝土重力壩）、泄水建筑物、發(fā)電廠房、船閘及魚道等。位于擋水前沿的溢流壩為2級(jí)建筑物，消能防沖建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇[1]。

2 消能型式選擇

目前工程上常用的消能型式主要有挑流、面流、戽流、底流及其他輔助消能工，消能型式的選擇應(yīng)考慮以下因素：設(shè)計(jì)水頭、設(shè)計(jì)流量、河床地質(zhì)條件、泄水建筑物分區(qū)及運(yùn)行調(diào)度方式等。從水頭及流量角度分析，本工程泄洪流量大，50 年一遇、100年一遇、500 年一遇及2000 年一遇的泄洪流量分別達(dá)14 400、16 500、21 200、24 114 m3/s；泄洪總水頭變幅較大，泄洪時(shí)上游水位變化范圍為153.00 m（汛限水位）～186.94 m（校核洪水位），下游水位變化范圍為133.94～161.30 m，較難滿足形成面流和戽流的水位條件；同時(shí)，從泄水孔體型角度分析，本工程泄水孔堰頂高程為138.00 m，下游河床高程約為133.50 m，堰體高度較低，在上游低水位時(shí)較難形成挑流。從通航安全和水輪機(jī)運(yùn)行角度分析，本工程上、下游有航運(yùn)要求，通航安全對(duì)水流條件有較高的要求，挑流、面流和戽流消能的下游水流銜接型式復(fù)雜多變，不易控制，下游水位波動(dòng)較大，較易產(chǎn)生不穩(wěn)定的水流流態(tài)，將直接影響船舶航行安全和水輪機(jī)的平順運(yùn)行。從河床地質(zhì)條件分析，溢流壩段基巖主要為含礫泥質(zhì)粉砂巖夾含礫泥質(zhì)砂巖，巖石的軟化系數(shù)為0.50～0.74，下游河床巖石不能滿足某些高水頭、大流速工況的抗沖要求，需修建消力池。綜上分析，本工程消能型式不宜采用挑流、面流和戽流消能，應(yīng)采用底流消能。

3 消能防沖計(jì)算

根據(jù)樞紐防洪運(yùn)行調(diào)度規(guī)則，樞紐在啟用防洪庫(kù)容將庫(kù)水位蓄至防洪高水位186.80 m 后下泄洪水時(shí)對(duì)消能防沖最不利。因此，本階段在進(jìn)行消能防沖設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，當(dāng)下泄流量Q≤21 200 m3/s 時(shí)，上游水位取186.80 m，最小下泄流量Q=1000 m3/s；當(dāng)Q＞21 200 m3/s時(shí)，上游水位取調(diào)洪水位。

3.1 閘門控制運(yùn)行方式

消能防沖建筑物設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)結(jié)合閘門控制運(yùn)行方式來(lái)進(jìn)行，使得消能防沖單寬流量盡量減少，達(dá)到優(yōu)化建筑物布置及節(jié)省投資的目的。由于泄洪孔口孔數(shù)較多，考慮啟閉設(shè)備配電容量、閘門及啟閉設(shè)備檢修維護(hù)等因素，在消能防沖設(shè)計(jì)時(shí)不考慮所有泄洪孔口全部同時(shí)均勻開啟，而是由少到多逐步開啟，且同時(shí)開啟的孔數(shù)不宜過(guò)多。

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

為了便于檢修及減少開挖量，泄水建筑物采用綜合式消力池進(jìn)行底流消能。底流消能水力計(jì)算（坎高c、池深S、池長(zhǎng)L）參考《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2018）及《水力計(jì)算手冊(cè)》（第二版）的相關(guān)內(nèi)容[2，3]。

根據(jù)樞紐布置，本工程消力池下游混凝土護(hù)坦頂高程為133.50 m，電站小機(jī)組發(fā)電流量Q為124.4 m3/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的下游水位為134.29 m。綜合考慮坎后水躍條件及消力池檢修等因素，將消力池尾坎高度c取0.5 m，坎頂高程為134.00 m，略低于電站小機(jī)組發(fā)電時(shí)的下游水位，在消力池一般檢修時(shí)可通過(guò)在坎頂臨時(shí)堆放粘土麻袋圍堰擋水的方式進(jìn)行檢修。

3.3 計(jì)算成果

消力池的坎高c 取0.5 m，在防洪高水位工況下，根據(jù)不同閘門開啟方案（孔數(shù)及開度）下泄的流量及產(chǎn)生的水躍形態(tài)，通過(guò)試算可確定閘門的開啟方案、消力池池深S和池長(zhǎng)L，結(jié)果見表1。

表1 防洪高水位工況消力池坎高、池深及池長(zhǎng)計(jì)算成果表

由于永久性泄水建筑物的級(jí)別為2 級(jí)，對(duì)應(yīng)的消能防沖設(shè)計(jì)的洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，相應(yīng)最大下泄流量為14 400 m3/s。根據(jù)表1 的計(jì)算結(jié)果，消能防沖設(shè)計(jì)以10 孔開啟9.1 m 作為設(shè)計(jì)工況，其綜合式消力池的坎高c 取為0.5 m，池深S 取為7.5 m，計(jì)算池長(zhǎng)L 取為132.4 m。下游混凝土護(hù)坦長(zhǎng)度根據(jù)坎后水躍長(zhǎng)度計(jì)算成果取為56.0 m。

4 消能防沖建筑物布置及排水方案選擇

4.1 消力池布置

結(jié)合溢流壩及消力池尾坎的結(jié)構(gòu)布置以及水工模型試驗(yàn)成果，消力池總長(zhǎng)為136.0 m，凈寬132.0 m，池深7.5 m，底板頂高程126.00 m，尾坎高0.5 m，尾坎頂高程134.00 m；消力池下游設(shè)置混凝土護(hù)坦，長(zhǎng)取70.0 m，寬140.0 m，護(hù)坦頂高程133.50 m，具體布置見圖1。

4.2 消力池排水方案比選

為保證消力池底板抗浮穩(wěn)定，消力池需設(shè)置排水措施。本階段對(duì)消力池底板排水措施進(jìn)行了自排和抽排兩種方案的比較。

圖1 溢流壩消力池底板結(jié)構(gòu)布置圖

自排方案的消力池底板抗浮穩(wěn)定工程措施主要為：基巖鉆排水孔、消力池底板底部設(shè)置排滲盲溝、底板設(shè)置排水廊道、排水出口設(shè)置在消力池邊墻及縱向圍堰位于水躍收縮斷面處；利用底板自重及錨筋樁錨固進(jìn)行抗?。坏装宸挚p設(shè)置雙層止水防止脈動(dòng)壓力串入底板底部造成底板上抬。該方案正常運(yùn)用工況底板揚(yáng)壓力折減系數(shù)取0.85，排水失效工況揚(yáng)壓力折減系數(shù)取1（該方案排水廊道不具備日常檢修條件）[4]。

抽排方案的消力池底板抗浮穩(wěn)定工程措施主要為：基巖鉆排水孔、消力池底板底部設(shè)置排滲盲溝、底板設(shè)置灌漿排水廊道、設(shè)置兩處集水井將基礎(chǔ)滲水抽排至下游、消力池周邊設(shè)置防滲帷幕并與大壩擋水前沿的防滲帷幕封閉；主要利用底板自重進(jìn)行正常運(yùn)用工況的抗浮，止水或排水失效等非常運(yùn)用工況的抗浮穩(wěn)定則考慮錨筋樁錨固的作用，底板分縫設(shè)置雙層止水防止脈動(dòng)壓力串入底板底部造成底板上抬。該方案正常運(yùn)用工況底板揚(yáng)壓力折減系數(shù)取0.4，排水局部失效工況揚(yáng)壓力折減系數(shù)取0.6[4]。

經(jīng)底板抗浮穩(wěn)定計(jì)算，兩個(gè)方案的消力池底板尺寸及錨筋樁設(shè)置見表2，主要工程量及投資差見表3。

表2 自排方案及抽排方案消力池底板尺寸及錨筋樁設(shè)置表

表3 自排方案及抽排方案消力池主要工程量及投資比較表

由表3 可知，抽排方案比自排方案節(jié)省投資約2302 萬(wàn)元，抽排方案優(yōu)于自排方案。因此，選擇抽排方案作為本工程消力池底板排水的推薦方案。

4.3 消力池防滲及排水設(shè)施布置

擬在消力池底板設(shè)置縱橫交錯(cuò)的排水廊道及排水盲溝，消力池周邊設(shè)置灌漿排水廊道及防滲帷幕，消力池防滲帷幕與樞紐擋水前沿溢流壩的防滲帷幕形成封閉體系。為使擋水前沿溢流壩抽排體系與消力池抽排體系相互隔離，在消力池帷幕灌漿施工完成后需對(duì)其與擋水前沿溢流壩灌漿排水廊道聯(lián)通的部分進(jìn)行封堵。消力池底部排水以混凝土縱向圍堰為分界，分左右側(cè)進(jìn)行排水，左側(cè)的水排至位于主廠房底部的集水井，右側(cè)的水排至位于船閘上閘首左側(cè)連接段底部的集水井，集水井均可通過(guò)單獨(dú)的交通豎井連至地面。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以西南地區(qū)某大型水利樞紐為例，對(duì)其泄水建筑物進(jìn)行消能防沖設(shè)計(jì)，以50年一遇下泄流量14 400 m3/s 為設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，推薦采用底流消能型式和綜合式消力池。根據(jù)樞紐防洪運(yùn)行調(diào)度規(guī)則及閘門控制運(yùn)行方式進(jìn)行消能水力計(jì)算，并結(jié)合消力池檢修條件、結(jié)構(gòu)布置及水工模型試驗(yàn)成果確定本工程綜合式消力池坎高0.5 m，池深7.5 m，池長(zhǎng)136.0 m，下游混凝土護(hù)坦長(zhǎng)70.0 m。根據(jù)消力池底板抗浮穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果布置自排和抽排兩種消力池排水方案，推薦采用抽排方案，在消力池周邊設(shè)置灌漿排水廊道及防滲帷幕，與樞紐擋水前沿的溢流壩防滲帷幕形成封閉體系。