固軍水庫消能建筑物設(shè)計(jì)研究

程 麗

(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072)

經(jīng)泄水建筑物下泄的水流往往具有很高的流速，對下游河床具有明顯的破壞能力。因此，必須采取相應(yīng)的消能措施，消除下泄水流的巨大能力，保證下游河床和建筑物自身安全[1]。合理高效的消能建筑物設(shè)計(jì)，成為了工程投資控制的一個(gè)重要方面。

1 工程概況

固軍水庫位于州河左岸主要支流中河的中游，是《四川省渠江流域防洪規(guī)劃報(bào)告》規(guī)劃的一座近期實(shí)施的防洪水庫，水庫建設(shè)任務(wù)是以防洪為主，兼顧發(fā)電。水庫總庫容12719萬m3，設(shè)計(jì)洪水位494.50m，校核洪水位494.92m，正常蓄水位494.00m，電站設(shè)計(jì)引用流量31.38m3/s，裝機(jī)11.6MW。樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、泄洪表、底孔、左岸發(fā)電引水壓力管道、壩后電站廠房、過魚設(shè)施等組成。本工程為Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大(2)型。樞紐區(qū)水工建筑物地震設(shè)計(jì)烈度為Ⅵ度。

2 水文地質(zhì)情況

固軍水庫設(shè)計(jì)洪水(P=1%)流量3980m3/s，校核洪水(P=0.1%)流量5500m3/s，最大壩高77.40m。洪水過程具有峰高量大、陡漲陡落、過程尖瘦、歷時(shí)短的特點(diǎn)。洪水過程一般為2d～3d，一日洪量占三日洪量的63%。壩址處多年平均懸移質(zhì)輸沙量為61萬t，推移質(zhì)輸沙量為12.2萬t，多年平均含沙量1.22kg/m3。

壩址區(qū)覆蓋層主要是孤塊碎石土和塊卵礫石夾砂。巖體主要由巖屑砂巖、含煤砂巖組成，兩者比例3∶1，以巖屑砂巖為主，碎裂結(jié)構(gòu)～鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀N40°～50°W/SW∠25°～31°，傾下游，屬BⅣ1～AⅣ1類巖體。壩基巖體中發(fā)育有控制性層間錯(cuò)動(dòng)帶C2-C7，厚度2cm～84cm不等，全連通；其余均為一般性層間錯(cuò)動(dòng)帶，共計(jì)7條，分別為M②-71、M②-41、Rn②-81、M②-21、M②-11和Rx②-31。

3 消能方式初步擬定

由于壩基巖體破碎且有延伸至下游的緩傾角層間錯(cuò)動(dòng)帶，可能被沖坑切斷而形成臨空面，危及壩基穩(wěn)定或岸坡可能被沖刷破壞，因此下游采用底流消能，泄洪表孔與底孔共用消力池。底流消能也稱水躍消能，是一種利用水躍進(jìn)行消能的傳統(tǒng)消能方式。在底流消力池中設(shè)置墩、坎、寬尾墩等輔助消能工，可以起到多方面的作用：加強(qiáng)紊動(dòng)擴(kuò)散，提高消能效率，從而使第二共軛水深有所降低，消力池長度有所縮短[2]。根據(jù)審查意見，初設(shè)階段結(jié)合水工模型試驗(yàn)，補(bǔ)充研究表孔采用寬尾墩+消力池聯(lián)合消能方案。泄洪表孔與底孔共用一個(gè)消力池，其長度為115m，凈寬為47m，深度12m。消力池底板頂高程429.0m，池末消力池尾坎頂高程441.0m，消能建筑物布置詳見圖1。

圖1 消能建筑物布置

4 寬尾墩+消力池聯(lián)合消能方案

寬尾墩泄流消能工作原理：水流沿溢流壩面下泄，至寬尾墩處受其影響，收縮產(chǎn)生折沖水流，寬尾墩段閘孔兩邊水面高，中間水面低，兩邊的折沖水流在寬尾墩下相交，產(chǎn)生水翅，隨著庫水位的增高，泄流量的增大，折沖水流的交點(diǎn)有所前移。表孔中、下部水流為寬尾墩底部收縮后并產(chǎn)生縱向拉伸的實(shí)體水舌，而寬尾墩下游溢流壩面無水區(qū)域占比較大，約占總泄水寬度的64%。沿寬尾墩底部下泄的實(shí)體水舌沿溢流壩面及反弧段以底流水躍方式進(jìn)入消力池；上部實(shí)體水舌收縮交匯產(chǎn)生水翅，拋向空中后大部分落入反弧段，有很少量的水流落入反弧末端的消力池池首，該部分水流以附加動(dòng)量的形式加入消力池，進(jìn)行消能。

4.1 寬尾墩+消力池聯(lián)合消能方案水力計(jì)算

表1 固軍水庫寬尾墩水力參數(shù)計(jì)算

圖2 固軍水庫相關(guān)水力參數(shù)與類似工程對比

4.2 寬尾墩+消力池聯(lián)合消能方案模型試驗(yàn)

水工模型試驗(yàn)對寬尾墩+消力池聯(lián)合消能方案觀測了①兩表孔單獨(dú)運(yùn)行時(shí)、②兩底孔單獨(dú)運(yùn)行時(shí)、③兩表孔和兩底孔聯(lián)合運(yùn)行時(shí)消力池等部位的水流流態(tài)。隨著庫水位的升高，泄量的增大，水躍躍首下移，反弧段水深減小，消力池池首水面波動(dòng)增大。當(dāng)庫下泄流量3085m3/s時(shí)，反弧段水墊深度不足，寬尾墩挑流水舌落入反弧段，和反弧段碰撞，反彈水流射向空中，消力池首流態(tài)變差；當(dāng)下泄流量3530m3/s時(shí)，躍首繼續(xù)后移，躍前水深繼續(xù)降低，反弧段的水墊深度更少，寬尾墩挑流水舌落入反弧段，和反弧段碰撞后反彈，部分水流射出消力池，消力池段水流流態(tài)整體變差；當(dāng)下泄流量4297.34m3/s時(shí)，躍首繼續(xù)后移，躍前水深繼續(xù)降低，反弧段的水墊深度更少，寬尾墩挑流水舌落入反弧段后反彈，有大量水流射出消力池，且水流紊動(dòng)異常劇烈，此時(shí)消力池段水流流態(tài)已不能滿足水流消能要求。消力池流態(tài)詳見圖3。

寬尾墩水流流態(tài)在設(shè)計(jì)洪水和校核洪水時(shí)消力池內(nèi)水墊深度均明顯不足，導(dǎo)致寬尾墩中上部挑射水流撞擊反弧段產(chǎn)生強(qiáng)烈反彈水流，出現(xiàn)明顯涌浪，消力池首流態(tài)很差，消力池高度也明顯不足。

圖3 模型試驗(yàn)照片(寬尾墩)

4.3 寬尾墩+消力池聯(lián)合消能方案小結(jié)

寬尾墩+消力池聯(lián)合消能是近年來應(yīng)用較為廣泛的消能型式。目的通過形成的三元水躍使池中水流紊動(dòng)劇烈，大量摻氣，漩渦破碎，紊動(dòng)剪切作用增強(qiáng)，提高消能效果。本工程經(jīng)水力計(jì)算及水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，采用寬尾墩+底流消能時(shí)，池內(nèi)水墊深度不足，導(dǎo)致寬尾墩中、上部挑射水流撞擊反弧段產(chǎn)生強(qiáng)烈反彈水流，出現(xiàn)明顯涌浪，消力池池首流態(tài)很差，消力池高度也明顯不足。消力池深度至少需要加深5m才能滿足寬尾墩消能工要求。結(jié)合大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果及工程投資比較，下挖消力池方案、或加高消力池邊墻方案均不合理，因此，本工程不宜采用寬尾墩消能方式。

5 跌坎+消力池消能方案

5.1 跌坎+消力池消能方案水力學(xué)計(jì)算

首先，進(jìn)行各級(jí)流量下的平底消力池的池深計(jì)算，若池深較大，則考慮采用綜合消力池；然后，確定綜合消力池深、坎高參數(shù)后，進(jìn)行池長、池底板厚度，海漫長度計(jì)算；最后，對確定的綜合消力池進(jìn)行各級(jí)流量下的流態(tài)復(fù)核，確定是否可以控制水躍發(fā)生在消力池內(nèi)，以及下游是否需要二級(jí)消力池。

綜合消力池采用池底高程429.0m，尾坎頂高程441.0m，下游河底高程434.0m。經(jīng)計(jì)算，水躍均控制在消力池內(nèi)，坎后躍后水深小于下游水深，不需要二級(jí)消力池。根據(jù)各級(jí)流量工況計(jì)算，綜合消力池長度按消能工況控制，長度取115m，并在反弧段末端設(shè)置2m高跌坎，減小高速水流對消力池底板的沖刷破壞，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 消力池池長計(jì)算結(jié)果

5.2 跌坎+消力池消能方案模型驗(yàn)證

當(dāng)泄量小于1900m3/s時(shí)，表孔單獨(dú)運(yùn)行時(shí)消力池流態(tài)優(yōu)于底孔單獨(dú)運(yùn)行時(shí)消力池流態(tài)；泄量1900m3/s時(shí)，表孔單獨(dú)運(yùn)行和表、底孔聯(lián)合運(yùn)行時(shí)消力池流態(tài)均可行；消力池在50年一遇洪水流量3510m3/s及以上時(shí)，表、底孔聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的水流流態(tài)優(yōu)于表孔單獨(dú)運(yùn)行。

消力池在50年一遇洪水流量3510m3/s和100年一遇洪水流量3980m3/s時(shí)，表、底孔聯(lián)合運(yùn)行工況消力池流態(tài)理想，均為淹沒度不大的淹沒水躍，池長、池深及消能容積均滿足水躍消能要求；1000年一遇洪水流量5257.45m3/s時(shí)，表、底孔聯(lián)合運(yùn)行工況消力池流態(tài)基本良好，池長、池深及消能容積也基本能滿足消能要求。

反弧段末端跌坎能夠有效降低臨底流速和脈動(dòng)壓強(qiáng)，提高消力池底板的結(jié)構(gòu)安全。模型試驗(yàn)照片詳見圖4。

圖4 模型試驗(yàn)照片(消力池消能)

6 結(jié)論

固軍水庫工程具有洪峰流量大，消能建筑物單寬流量大，消能區(qū)巖體抗沖能力較低的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)論證開展了大量的水力計(jì)算與科研試驗(yàn)研究工作，最終采用了表孔和底孔聯(lián)合泄洪，跌坎+底流消能方式。經(jīng)水工模型試驗(yàn)研究驗(yàn)證，固軍水庫消能建筑物的布置形式很好地適應(yīng)了壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件，能夠滿足消能要求，消能效果良好。