臺階溢洪道消能技術在砂礫石大壩中的設計應用

唐占君

(哈密托實水利水電勘測設計有限責任公司，新疆 哈密，839000)

1 工程概況

二道白楊溝水庫是以工業供水為主的攔河式小型山區年調節水庫，水庫總庫容430萬m3。水庫樞紐由攔河壩、溢洪道和導流、放水隧洞組成，樞紐布置可充分利用左岸天然沖溝有利地形，將泄水建筑物溢洪道布置在左岸。將導流、放水隧洞布置于左岸巖體較為完整的山體內。

壩體采用碾壓式瀝青混凝土心墻壩，最大壩高為82.6m，壩長為198m。壩頂高程1995.6m，防浪墻頂高程1996.8m。前壩坡1∶2.25，后壩坡1∶1.8。壩頂寬度為10m，壩頂上游設2.2m高防浪墻，壩頂高程1995.6m，防浪墻頂高于壩頂1.2m，壩頂設20cm厚混凝土路面，壩頂自防浪墻位置向下游設坡，坡度取2%。上游壩坡采用25cm厚的現澆混凝土板護坡，現澆混凝土板分塊尺寸為(3m×3m)，混凝土標號為C25F300W6。壩后共設2道“之”字形上壩路，路寬取8m，縱坡為8%，路基為20cm厚砂礫石。

導流、放水隧洞為施工期導流、正常運行時放水。隧洞由進口段、塔井段、有壓隧洞段、豎井段、無壓隧洞段和出口消能段組成。放水、導流隧洞全長545m，洞身段長381m，設計底坡1：50，斷面形式采用城門洞形。導流、放水隧洞為無壓隧洞，施工導流時最大泄量為17.01m3/s。

左壩肩布置岸邊正槽溢洪道，溢流堰采用寬頂堰形式，泄槽底板采用臺階式。溢洪道起調水位為水庫的正常蓄水位，堰頂高程同起調水位。

圖1 溢洪道控制段及漸變段上游剖面

2 溢洪道布設方案

泄水建筑物溢洪道由進口段、控制段、漸變段、泄槽段、消能段和尾水渠段組成，溢洪道尾水渠末端接入放水隧洞尾水渠，總長271.50m，校核洪水下泄流量Qmax=164.47m3/s，設計洪水下泄流量Qmax=54.10m3/s。

2.1 進口段

樁號Y0+000～Y0+021.85段為進口段，長21.85m，溢洪道進口段為巖石開挖平臺，將洪水平順地導向溢流堰，溢流堰前底板高程為1991.7，寬度為22m，坡度為i=0，右側巖石開挖斷面直墻高5m，2m平臺后放坡，邊坡系數1:0.5，斷面不做襯砌，開挖斷面直墻段及以上巖石開挖邊坡布設φ18的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級鋼筋，間距為2.0m×2.0m，錨桿長度2m，錨入巖石2m，采用梅花形布置，同時采用C20混凝土噴護，噴護厚度δ=100mm。

2.2 控制段

樁號Y0+021.85～Y0+031.85為控制段，采用寬頂堰，堰寬22m，堰長10m，堰頂高程為1992.71m，寬頂堰底板厚0.5m，底坡i=0，左側邊墻靠山體，斷面開挖直墻同邊墻高為5.11m，2m平臺后放坡，邊坡為1∶0.5。右側邊墻與壩體相接，邊墻高5.11m，邊墻頂高程同防浪墻頂高程為1996.82。底板及邊墻采用0.5m厚鋼筋混凝土結構，底板及邊墻布設φ22的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級鋼筋，間距1.5m×1.5m，錨桿長3m，錨入巖石3m，采用梅花形布置，錨桿伸入鋼筋混凝土，并與底層鋼筋網焊接。邊墻以上巖石開挖邊坡布設φ18的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級鋼筋，間距為2.0m×2.0m，錨桿長2m，錨入巖石2m，采用梅花形布置，同時采用C20混凝土噴護，噴護厚度δ=100mm。

2.3 漸變段

樁號Y0+031.85～Y0+093.85段為漸變段，漸變段起端與寬頂堰連接，底板高程為1992.71m，末段與泄槽段首端連接，底板高程為1968.71m。

漸變段底寬由22m漸變至6m，總長62m，擴散角θ=7.35°，坡度為i=1∶2.6，斷面形式為矩形，斷面開挖直墻同邊墻高為5.2m，2m平臺后放坡，邊坡為1∶0.5。漸變段樁號Y0+031.85～Y0+070.00段右側底板及邊墻外采C20素混凝土襯砌，強風化層開挖成臺階式，混凝土襯砌外邊坡為1∶0.5。漸變段底板采用h×L=1m×2.6m的C25鋼筋混凝土臺階，h、L分別為臺階步高和步長，邊墻采用0.5m厚C25鋼筋混凝土結構。底板及邊墻布設φ22的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級鋼筋，間距為1.5m×1.5m，錨桿長3m，錨入巖石3m，采用梅花形布置，錨桿伸入鋼筋混凝土，并與底層鋼筋網焊接。邊墻以上巖石開挖邊坡布設φ18的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級鋼筋，間距為2.0m×2.0m，錨桿長2m，錨入巖石2m，采用梅花形布置，同時采用C20混凝土噴護，噴護厚度δ=100mm。

2.4 泄槽段

樁號Y0+093.85～Y0+211.25段為泄槽段，采用臺階消能式泄槽，坡度為i=1∶2.6，斷面形式為矩形，斷面開挖直墻同邊墻高為5.2m，2m平臺后放坡，邊坡為1∶0.5。泄槽段底板采用h×L=1m×2.6m的C25鋼筋混凝土臺階，h、L分別為臺階步高和步長。邊墻采用0.5m厚C25鋼筋混凝土結構。底板及邊墻布設φ22的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級鋼筋，間距1.5m×1.5m，錨桿長3m，錨入巖石3m，采用梅花形布置，錨桿伸入鋼筋混凝土，并與底層鋼筋網焊接。邊墻以上巖石開挖邊坡布設φ18的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級鋼筋，間距為2.0m×2.0m，錨桿長2m，錨入巖石2m，采用梅花形布置，同時采用C20混凝土噴護，噴護厚度δ=100mm。

2.5 消能段

樁號Y0+211.25～Y0+254.25為出口消能段，出口消能采用底流消能方式，消力池全長43m，其中斜長段長8m，池身段長35m，池深2m。消力池斷面形式為矩形，斷面開挖直墻同邊墻高為8.50m，2m平臺后放坡，邊坡為1∶0.5。底板及邊墻采用0.5m厚鋼筋混凝土結構，底板及邊墻布設φ22的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級鋼筋，間距為1.5m×1.5m，錨桿長3m，錨入巖石3m，采用梅花形布置，錨桿伸入鋼筋混凝土，并與底層鋼筋網焊接。邊墻以上巖石開挖邊坡布設φ18的砂漿錨桿，錨桿采用Ⅱ級鋼筋，間距為2.0m×2.0m，錨桿長2m，錨入巖石2m，采用梅花形布置，同時采用C20混凝土噴護，噴護厚度δ=100mm。

2.6 尾水渠段

樁號Y0+254.25～Y0+271.50為尾水渠段，采用斷面形式為矩形，坡度為i=1∶2.6，尾水渠末端接入放水涵洞尾水渠，接入點底高程為1921.18m。尾水渠底板及邊墻采用0.5m厚鋼筋混凝土結構。

3 消能形式選擇

根據壩址處地形、地質條件及泄水建筑物的布置，溢洪道末端消能設施采用底流消能形式，消能設施距大壩后壩坡較近，根據《溢洪道設計規范》(SL 253-2018)，消能建筑物的局部破壞危機到大壩即擋水建筑物安全時，采用與大壩及擋水建筑物相同的校核洪水標準進行校核，消能設施設計標準為1000年，流量為164.47m3/s。工程采用底流消能，為等寬矩形斷面消力池，消力池寬6m。對溢洪道不同消能方式，在同等水力條件下進行比較選擇。

3.1 泄槽臺階消能、末端消力池綜合方案

溢洪道泄槽底寬為6m，底坡i=2.6；臺階溢洪道底板采用h×L=1m×2.6m的C25鋼筋混凝土臺階，h、L分別為臺階步高和步長，邊墻為0.5m厚的C25鋼筋混凝土結構。

經計算，臺階溢洪道泄槽段出現均勻摻氣水流的摻氣水深為2.49m，均勻摻氣水流流速為11.02m/s。臺階泄槽段末端設置消力池，消力池池深d=2.0m，消力池池長L=35.0m。消力池采用鋼筋混凝土結構，混凝土標號為C25F300W6。

3.2 末端消力池消能

溢洪道泄槽底寬為6m，底坡i=2.6，溢洪道泄槽段采用C25鋼筋混凝土結構，底板厚0.5m，邊墻厚0.5m。計算泄槽摻氣水深為1.31m，流速為26.54m/s。泄槽段末端設置消力池消能，消力池池深d=6.17m，消力池池長L=75.0m。消力池采用鋼筋混凝土結構，混凝土標號為C25F300W6。

表1 泄槽段不同消能方式特征

從消能形式上比較，溢洪道消能方式采用臺階消能，在千年一遇的的流量下，泄槽段消減87.3%的能量。溢洪道尾部水流流速小，很大程度上減輕對下游沖刷破壞，優勢明顯。溢洪道末端需設的消力池尺寸較合理的布置，而平滑鋼筋混凝土斷面末端流速較大，需設消力池尺寸較大，根據現有的地形，無法合理的布置，綜合考慮，選擇左岸正槽溢洪道泄槽臺階消能、末端消力池消能綜合方案。

4 臺階溢洪道泄槽段設計

4.1 泄槽首端臨界水深及臨界底坡計算

計算公式為：

經計算，泄槽首端臨界水深dc=4.38m，臨界底坡ik=0.005。

4.2 臺階泄槽段水流流態判別

依據昌桑計算公式：

跌流水舌流態：(dc/h)特=0.0916(h/L)-1.276

分離流流態：(dc)始/h=1.057-0.46(h/L)

式中：h、L分別為臺階步高和步長，h=1m，L=2.6m。

當dc/h<(dc/h)特時，為完全發展的水躍型跌流水舌流態。

當dc/h>(dc)始/h時，出現分離流流態。

計算得：(dc/h)特=0.310，(dc)始/h=1.039，則由dc/h=4.384>(dc)始/h可知，水流為分離流流態。

當水流為分離流流態時，水流通過臺階面為一種穩定流，水流漂越臺階，并被陷落在臺階上的旋轉水體所襯墊。

4.3 表面摻氣計算

從泄槽首端算起至長度L1處開始出現表面摻氣，計算公式為：

L1=K*×9.719(sinα)0.0796F*0.713

v=q/d1

糙度K*=hcosα

式中：d1——該斷面水深，m；

v——該斷面平均流速，m/s；

q——泄槽單寬流量，m3/s。

計算泄槽表面摻氣狀況如下：

表2 泄槽表面摻氣計算

從堰頂算起至長度60.90m處開始出現表面摻氣，該斷面水深d1=2.04m，平均流速v=13.44m/s。

4.4 出現均勻摻氣水流的距離計算

出現均勻摻氣水流的距離L2的計算公式為：

均勻流摻氣水深d0為：

表3 泄槽出現均勻摻氣水流的距離計算

計算得出現均勻摻氣水流的距離L2=121.64m，均勻摻氣水流的水深d0=2.49m，相應平均流速v0=11.02m/s。實際泄洪通道長L=211m，由此可知泄洪通道出現均勻摻氣水流，泄槽水流為均勻摻氣水流。

4.5 泄槽邊墻高度

由以上計算可知，泄槽段出現均勻摻氣水流，則泄槽段邊墻高度可按均勻摻氣水深加安全超高計算，由計算所得均勻摻氣水流的水深d0=2.49m，平均流速v=11.02m/s。

則泄洪通道邊墻高度：H=d0+△=2.49+1.0=3.49，則泄槽設計邊墻高為3.5m。

4.6 消能率計算

=87.3%

計算得總能頭為68.36m的臺階式溢洪道消能率為87.30%，還有12.7%剩余能量，需設計消力池消能。

5 結語

“U”型河谷布設攔河式砂礫石大壩樞紐工程，其中泄水建筑物采用臺階式溢洪道形式是可行的，在保證安全泄洪的情況下，經臺階式溢洪道泄槽段消能，有效減緩水流流速，消能率可達到87%以上，保障大壩樞紐工程的安全運行。