中小型拱壩泄洪消能水力設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用述評(píng)

摘 要：當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，水工建筑也得到了大力發(fā)展。水工建筑物的泄洪消能水力設(shè)計(jì)是水利工程建設(shè)的關(guān)鍵，決定了水工建筑的安全性和穩(wěn)性，甚至決定了整個(gè)水利工程的安全運(yùn)行。介紹了水壩結(jié)構(gòu)泄洪消能評(píng)估方法，分析了中小型拱壩泄洪消能水力設(shè)計(jì)，探討了水工建筑物泄洪消能設(shè)計(jì)結(jié)果的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水工建筑物；泄洪消能；水力設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TV135.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）09–0-03

在水利水電樞紐工程中，需充分考慮其泄洪消能問(wèn)題，尤其是在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需對(duì)其泄洪消能水力設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化[1-5]。而對(duì)于水利水電樞紐工程泄洪消能水力設(shè)計(jì)，需根據(jù)樞紐整體布置情況，合理選擇泄水建筑物及消能工等，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)下游河床及岸坡的保護(hù)等。在水利工程建設(shè)中，量大面廣的中小型水利工程在我國(guó)“四化”建設(shè)中起著重要作用，尤其對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展、城市防洪、城市給水、環(huán)境保護(hù)與旅游事業(yè)的發(fā)展等作用日益顯著。

1 水壩結(jié)構(gòu)泄洪消能評(píng)估方法

1.1 確定評(píng)估目標(biāo)和范圍

明確評(píng)估的目標(biāo)（水壩結(jié)構(gòu)的泄洪能力或消能效果），以及評(píng)估的范圍（如溢洪道、泄洪洞等）。

1.2 收集相關(guān)資料

收集水壩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)資料、運(yùn)行資料、泄洪歷史記錄等，了解水壩的基本情況、泄洪設(shè)施的設(shè)計(jì)參數(shù)、歷史泄洪情況等。

1.3 建立評(píng)估模型

根據(jù)評(píng)估目標(biāo)和范圍，建立相應(yīng)的評(píng)估模型。模型可以基于物理原理的水力計(jì)算方法，也可以利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)建立水力模型[6-10]。

1.4 進(jìn)行模擬計(jì)算

利用建立的評(píng)估模型進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬計(jì)算包括泄洪流量的計(jì)算、泄洪過(guò)程的水位和流量變化、洪水沖擊力的降低率等。

1.5 分析評(píng)估結(jié)果

根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，分析評(píng)估水壩結(jié)構(gòu)的泄洪能力和消能效果。對(duì)比設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，評(píng)估水壩結(jié)構(gòu)是否滿足泄洪要求，是否存在安全隱患等。

1.6 提出改進(jìn)建議

根據(jù)評(píng)估結(jié)果，提出相應(yīng)的改進(jìn)建議，如優(yōu)化泄洪設(shè)施的設(shè)計(jì)、加強(qiáng)泄洪設(shè)施的維護(hù)和管理、提高水壩結(jié)構(gòu)的泄洪能力等[11-15]。

2 中小型拱壩泄洪消能水力設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

深水河水庫(kù)位于郁南縣通門鎮(zhèn)，集雨面積18.5 km2，原設(shè)計(jì)總庫(kù)容108.68萬(wàn)m3，為小（1）型水庫(kù)。大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程148.50 m，最大壩高29.60 m，壩頂長(zhǎng)度72.00 m，壩頂寬度1.60 m。溢流壩段位于河道中央，為無(wú)閘門控制開敞式實(shí)用堰，堰頂高程144.2 m，堰頂寬3.5 m。深水河水庫(kù)建于20世紀(jì)70年代，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，缺少消能防沖措施，溢流壩段下游無(wú)水墊，沖坑靠近壩腳，基巖裸露，嚴(yán)重影響大壩的穩(wěn)定。溢洪道下游河床為中風(fēng)化—微風(fēng)化石英云母片巖，強(qiáng)度較高，節(jié)理不發(fā)育。泄洪出口排水通暢，下游河床平均底高程為120 m，沖刷坑平均底高程118.6 m，沖刷坑距離壩腳最近處僅為6 m，沖刷嚴(yán)重。

2.2 消能防沖設(shè)計(jì)

為防止下游沖刷坑擴(kuò)大，危及大壩安全，需采取防護(hù)措施[16]?，F(xiàn)狀溢流壩段消能方式為自由跌流，堰頂無(wú)改造成鼻坎的條件，難以使水流挑離壩腳，因此本次消能防沖設(shè)計(jì)以防護(hù)下游壩腳為主。目前拱壩跌流消能的方式以水墊塘+二道壩為主，但是也有很多工程采用的是“先沖后護(hù)”的方式，且工程至今運(yùn)行良好，鑒于此，本設(shè)計(jì)提出3種設(shè)計(jì)方案以供比選。

2.2.1 方案一：人工水墊塘+二道壩

所謂人工水墊塘是在大壩下游修建全混凝土襯砌水墊塘，其能有效解決壩下沖刷的問(wèn)題，但造價(jià)較高，為防止泄洪或暴雨時(shí)岸坡塌方或墜石落入水墊塘，有時(shí)還需對(duì)兩岸邊坡全部錨固或用混凝土護(hù)坡，還有的需設(shè)抽水、排水、檢修設(shè)施，增加了施工難度，初期投資及后期維護(hù)費(fèi)用也較高。由于水墊塘內(nèi)水流條件十分復(fù)雜，修建二道壩的理論不完善且無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)，一般根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)或水工模型實(shí)驗(yàn)確定，中小拱壩采用人工水墊塘+二道壩缺乏經(jīng)濟(jì)性。

2.2.2 方案二：先沖后護(hù)

由于壩址及岸坡基巖堅(jiān)硬完整，具有優(yōu)異的抗沖性能，當(dāng)沖刷不直接影響大壩及其他重要建筑物時(shí)，可優(yōu)先采取先沖后護(hù)法。若沖刷坑進(jìn)一步加深，可自然形成足夠深度的水墊，確保岸坡穩(wěn)定。采用此法時(shí)，由于下游水墊較淺，跌流初期濺射時(shí)間長(zhǎng)，因此得以確保沖刷坑離壩腳有足夠距離，或者壩腳面層有可靠的防沖耐磨層。

2.2.3 方案三：壩腳短護(hù)坦

在壩腳與地基接合處采用剛性護(hù)坦防護(hù)，并在壩腳采用硅酸鹽水泥批蕩，使水庫(kù)在頻率較高的低流量工況下能得到有效防護(hù)，更符合小型水庫(kù)壩體防護(hù)的實(shí)際需求，因此推薦使用此方案。

2.3 跌流水力要素計(jì)算

第一，跌流射距計(jì)算根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 282—2018）附錄A.5公式：

Ld=2.3q0.54z0.19（1）

式（1）中，q為泄水建筑物出口斷面的單寬流量（m2/s），本工程低水頭跌流不考慮向心集中影響；Ld為射距（m）；z為鼻坎至河床高差（m），本工程取24.2 m。各級(jí)流量計(jì)算結(jié)果見表1。根據(jù)規(guī)范要求，沖坑最低點(diǎn)距壩址的距離應(yīng)＞2.5倍坑深，現(xiàn)狀坑深1.4 m，安全挑距應(yīng)＞3.5 m，由于現(xiàn)狀沖坑距壩址6 m，因此挑距滿足要求。然而，水庫(kù)在低流量工況時(shí)泄洪的頻率更高，在流量＜19.50 m3/s時(shí)，跌流射距不滿足要求，為防止貼壁流與跌流對(duì)壩址造成危害，綜合防護(hù)的經(jīng)濟(jì)型、必要性及現(xiàn)狀地形情況，選取水舌落點(diǎn)距離壩腳5 m處作為保護(hù)范圍，此時(shí)對(duì)應(yīng)單寬流量q=1.38 m3/s。

第二，水墊深度計(jì)算。水舌沖擊區(qū)上游水墊深度可按下式估算：

td=0.6q0.44z0.34（2）

式（2）中，td為水墊塘底板或護(hù)坦上內(nèi)側(cè)的水墊深度；其余符號(hào)意義同前文。計(jì)算得出上游水墊深度為

2.04 m，此時(shí)護(hù)坦承受的水壓力強(qiáng)度Pw=20 kPa。

第三，護(hù)坦沖擊流速計(jì)算。溢流開始時(shí)，水舌落點(diǎn)上下游有水位差，護(hù)坦上的沖擊流速按下式估算：

v1=4.88q0.15z0.2.75（3）

式（3）中，v1為對(duì)護(hù)坦的沖擊流速（m2/s）；其余符號(hào)意義同前文。計(jì)算得出護(hù)坦沖擊流速為12.30 m/s。水舌基本布滿河面時(shí)，水舌落點(diǎn)上、下游無(wú)明顯水位差，此時(shí)護(hù)坦上的沖擊流速按下式估算：

（4）

其中，vo=φ，β=arccos

式（4）中，ho為水舌落至水面時(shí)的厚度（m），ho=q/vo；vo為水舌落至水面時(shí)的平均流速（m/s）；β為水舌入射角，（o）；zo為上、下游落差（m）；g為重力加速度（m2/s）；φ為流速系數(shù)，取1.0。用試算法算出護(hù)坦沖擊流速為6.40 m/s。由于混凝土足以抵抗20 m/s的射流沖擊，因此跌流不會(huì)對(duì)護(hù)坦造成沖蝕破壞。

第四，護(hù)坦動(dòng)水壓力計(jì)算。護(hù)坦上的動(dòng)水壓力按下式估算：

Pd=（5）

式（5）中，Pd為動(dòng)水壓力強(qiáng)度（kPa）；γw為水容重，取9.8 kN/m3；其余符號(hào)意義同前。

計(jì)算得出護(hù)坦動(dòng)水壓力值為62.85 kPa。

第五，護(hù)坦脈動(dòng)壓力計(jì)算。護(hù)坦上的脈動(dòng)壓力按下式估算：

Pm=±αmγw（6）

式（6）中，Pm為脈動(dòng)壓力（kPa）；vo為入水流速，（m/s）；

αm為脈動(dòng)壓力系數(shù)，取0.1；其余符號(hào)意義同前文。計(jì)算得出護(hù)坦脈動(dòng)水壓力值為±7.57 kPa。

第六，護(hù)坦浮力計(jì)算。假設(shè)護(hù)坦厚度為1 m，根據(jù)阿基米德原理計(jì)算其浮力：

Pf =γwt（7）

式（7）中，Pf為浮力強(qiáng)度（kPa）；γw為水容重，取9.8 kN/m3；

t為護(hù)坦厚度（m）；計(jì)算得出護(hù)坦浮力強(qiáng)度值為9.8 kPa。

忽略護(hù)坦混凝土與基巖之間的黏著力，綜上，溢流初期護(hù)坦承受壓力強(qiáng)度總和為P初=Pd=62.85 kPa，相應(yīng)最大地基應(yīng)力為P地=Pd+Pm+Ph=95.42 kPa（Ph為護(hù)坦自重強(qiáng)度，取25 kPa）；后期水墊形成后，護(hù)坦承受壓力強(qiáng)度總和為P后=Pd+Pw=82.85 kPa，相應(yīng)最大地基應(yīng)力為P地=Pd+Pm+Ph+Pw-Pf=105.62 kPa。已知護(hù)坦混凝土沖擊動(dòng)水壓力允許值為（10～15）×9.8 kPa，因此護(hù)坦強(qiáng)度、水墊處基巖地基承載力均能滿足要求。

第七，護(hù)坦抗浮穩(wěn)定計(jì)算。護(hù)坦所受揚(yáng)壓力包括浮力與滲透壓力，滲透壓力由上下游及左右岸兩邊的水頭差向護(hù)坦?jié)B透產(chǎn)生。滲透壓力的大小與護(hù)坦下和壩下的排水結(jié)構(gòu)型式、基巖滲透性、泄流方式等因素有關(guān)，三向滲流問(wèn)題數(shù)解相當(dāng)困難。由于壩基及壩肩基巖呈弱透水性，且除險(xiǎn)加固時(shí)已在壩基及壩肩進(jìn)行純水泥帷幕灌漿，滲透壓力已影響不大，故可在護(hù)坦板上預(yù)留排水孔，使殘余滲透壓力消散，此次計(jì)算不再考慮滲透壓力的影響?？垢∽畈焕r為瞬時(shí)溢流，此時(shí)下游未形成水墊，護(hù)坦所受向上的力為脈動(dòng)壓力與浮力的疊加，則抗浮穩(wěn)定系數(shù)Kw=Ph/（Pm+Pf）=1.44＞1.05，可見抗浮滿足要求。

綜上所述，在壩腳5 m范圍內(nèi)使用護(hù)坦消能防沖是合理的，護(hù)坦與下游河床同寬，使用1 m厚C30混凝土，面層配筋，底部鋪碎石墊層。同時(shí)護(hù)坦預(yù)留Φ50排水孔，間距1.5 m。為防止溢流初期水流飛濺對(duì)壩腳造成侵蝕，在壩腳與護(hù)坦結(jié)合處以上2 m范圍內(nèi)用硅酸鹽水泥批蕩。

3 水工建筑物泄洪消能設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)施工中防沖槽的改進(jìn)

大多數(shù)水工建筑物泄洪消能工防沖槽設(shè)計(jì)施工中多為“梯形”，這種防沖槽施工簡(jiǎn)單，在水流平穩(wěn)的情況下不會(huì)出現(xiàn)水流問(wèn)題，但會(huì)形成大的浪窩或浪坎，并逐漸上移至防沖槽下，危及防沖槽。本研究將原來(lái)的“梯形”防沖槽改為“四邊形”防沖槽，并進(jìn)行加深處理（加深50 cm即可），實(shí)際運(yùn)行效果明顯好于前者。

3.2 工程運(yùn)行中的管理措施

運(yùn)行時(shí)，泄洪消能工程處在一種復(fù)雜的水流狀態(tài)下，而對(duì)泄洪消能工程穩(wěn)定威脅最大的也就是下端的沖刷坑，在運(yùn)行中應(yīng)做好以下3個(gè)方面，預(yù)防或減少出現(xiàn)泄洪消能工損壞的可能性。第一，盡可能地控制水流，使其平穩(wěn)，避免出現(xiàn)過(guò)急水流或過(guò)大的橫向環(huán)流。第二，經(jīng)常檢查消能工混凝土表面，及時(shí)修補(bǔ)混凝土中的剝蝕脫落部位，及時(shí)清除消能工中多余的堆積物（如石頭或大的淤積物），以保證水流平穩(wěn)。第三，下游形成的沖刷坑，并已危及泄洪消能工時(shí)，如不能及時(shí)采取有效的搶修措施，可在護(hù)坦或海漫末端做潛壩，提高水位，減少水頭差，緩和沖刷破壞。

3.3 出現(xiàn)沖刷坑的維護(hù)方法

一旦出現(xiàn)危及建筑物的沖刷坑，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。在無(wú)水（水少）情況下，可采用打排樁砌土袋法。樁木直徑為20 cm左右，長(zhǎng)度可視情況而定，樁深應(yīng)在土下0.5 m以下，樁距為0.8～1.0 m，排距視情況而定。土袋裝成七分滿、封口，在堆砌土袋時(shí)，最外側(cè)土袋口應(yīng)向內(nèi)，并緊緊夾持木樁，形成土袋與木樁相互牽制，以防土袋過(guò)高時(shí)側(cè)向壓力過(guò)大動(dòng)搖木樁。土袋應(yīng)逐層鋪置，靠攏壓實(shí)，上下層袋縫錯(cuò)開，并逐漸收縮，上邊用大塊石壓好或鐵絲網(wǎng)住，以防水流沖走土袋。在正常用水情況下，可采用拋石的方法進(jìn)行臨時(shí)護(hù)砌。若水流過(guò)大，則可采用拋鐵絲石籠的辦法，石籠直徑在1 m以內(nèi)，長(zhǎng)度2 m左右，并連成一體。如果沖刷坑危及岸坡并已有坍塌，且難以及時(shí)維修，則可用土工織物（無(wú)紡布、苫布等）裹住松動(dòng)岸坡，用拋石法壓住可阻止坍塌。

4 結(jié)束語(yǔ)

深水河水庫(kù)下游護(hù)坦修建完成后，有效解決了壩腳沖刷的問(wèn)題，泄洪霧化也在可控范圍內(nèi)。若依照溢洪道規(guī)范按10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防護(hù)，則護(hù)坦長(zhǎng)度需修建至12.24 m，會(huì)造成浪費(fèi)。因此對(duì)于小型拱壩來(lái)說(shuō)，低流量高頻率的跌流對(duì)壩腳的沖擊更加值得重視，同時(shí)應(yīng)結(jié)合下游及兩岸基巖情況，合理確定消能防沖的形式及防護(hù)范圍。

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收稿日期：2024-05-10

作者簡(jiǎn)介：石墨川（1992—），男，廣西河池人，工程師，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)。