某高坝消能工设计与模型试验

杜华冬，肖浩波

（长江勘测规划设计研究院 ，湖北 武汉 430010）

1 工程概况

某混凝土重力坝位于热带雨林地区，坝址河谷狭窄，河道纵坡较陡，坝后地质条件较差。大坝为碾压混凝土重力坝，河床部位布置溢流坝段，设三孔无闸控表孔溢流堰，两岸布置非溢流坝段。大坝顶高程546 m，溢流堰顶高程540 m，河床建基面最低高程390 m，最大坝高156 m。

大坝上游水库正常蓄水位540 m，相应库容120亿m3，为一等大（1）型工程。挡泄水建筑物设计洪水频率0.1%，校核洪水频率0.02%。消能防冲建筑物设计洪水频率1%。

2 设计条件

2.1 水文条件

工程所在河段洪水主要由降雨汇流形成，且洪水对降雨响应快；枯水期很短，洪枯流量差别小。多年平均流量242 m3/s，平均年径流量76.37亿m3。

坝址各频率洪水见表1，坝址水位流量关系见表2。

水库正常蓄水位540 m，死水位515 m，有效调节库容达54.75亿m3，具有较强的蓄滞洪能力。各特征频率洪水洪峰流量、下泄流量及相应坝前水位如表3。

2.2 地形地质条件

坝址位于一长约1 000 m的顺直河段上，河床纵向坡比约2.6%。坝址河谷狭窄，岸坡陡峻，峡谷左岸坡度43°，右岸坡度55°，谷底宽约50 m。坝区河道均覆盖第四系冲、洪积物，岸边可见巨大砂岩块石。坝区岩石主要属于早第三纪始新世滨海相地层，坝后为砂岩与页岩、泥岩复杂组合体，其允许抗冲流速在3.5 m/s以下，属易冲刷岩体，设计消能方式不当将可能造成坝后严重冲刷而影响大坝整体稳定。

表1 坝址各频率洪水

表2 坝址水位流量关系

2.3 溢流坝段布置

溢流坝段布置在河床部位，设3个坝段，沿坝轴线总宽约60 m，表孔孔口净宽54 m。大坝上游面高程470 m以上直立，高程470 m以下设1∶0.2折坡，大坝下游面坡比1∶0.8。溢流坝段横剖面见图1。图中高程以m计，结构尺寸以cm计。

表3 坝址水位流量关系

图1 溢流坝段剖面图

3 消能工设计

3.1 消能型式比选

大坝最大高度达156 m，河谷底宽仅50 m，河道纵坡达2.6%，设计泄量下下游尾水位仅为412.3 m，相应下游水深仅约2.3 m，坝后岩体抗冲流速仅为 3.5 m/s。

大坝高度大，下泄水流能量高，且尾水位浅，河谷狭窄，不具备面流消能条件；而由于河道纵坡陡，尾水位浅，若采用底流消能方式，将需要设置70 m长的复合式消力池，消力池下挖深度达7 m，消力池尾坎高1 m，开挖和混凝土工程量均较大，且消力池深挖对大坝稳定较为不利，故底流消能方式亦不甚适用。

工程所在河流丰枯水量差别小，通常情况下，下泄流量较为均匀，大坝高，水流可以起挑，具备采用挑流消能方式的基本条件。同时挑流消能仅需在坝体下游部分适当增加反弧段及挑流鼻坎等设施即可，工程量较小。

但坝后岩体抗冲性能较差，若仅单独采用挑流消能方式，挑距及冲坑深度将不能满足大坝安全需要，故需在挑流消能工上游利用坝身结构先消减部分能量。参照类似工程经验，可采用宽尾墩加坝面台阶进行先期消能，剩余能量经挑流鼻坎挑出安全的距离。

在采用宽尾墩加台阶消能方式的条件下，若下游采用底流消能方式，与挑流消能方式相比较，前者的工程量仍远大于后者。

经上述综合分析比较，确定采用宽尾墩加坝面台阶再接挑流消能的联合消能方式。

3.2 宽尾墩消能[1，2，3，4]

宽尾墩消能方式首先由我国水利工程设计人员提出，通常与挑流消能或底流消能方式联合运用。第一个应用宽尾墩方式的是潘家口水利枢纽，系与挑流消能相结合。随后，宽尾墩消能方式得到了迅速推广。潘家口水利枢纽建成于1983年，迄今运行良好。

宽尾墩墩尾的扩展，使得出泄水流平面收缩和侧缘竖向抬升，形成凹形水面，改变了水流压力分布和水股流向，造成水流内部紊动消能，同时增强了对水流侧缘摩擦、撞击作用。水流过墩尾后，在惯性作用下，继续收缩一段距离，然后侧缘降低，水流平面扩展，水面由凹形变为凸形。在这一过程中，墩尾空腔对水流大量掺气，同时水流内部压力、流速、流向变化剧烈，强烈掺混，进一步消能。

但较之平尾墩，宽尾墩的存在会影响断面的过流能力。因此选择合适的收缩率至关重要，使得宽尾墩既不对过流能力造成较大影响，又能确保消能效果。对宽尾墩收缩率的研究仍处在经验公式阶段，实际设计中常采用工程类比，并经模型试验确定。

宽尾墩有矩形、X形、Y形等多种形式。该工程通常情况下流量较小，校核洪水下单宽流量约7 m3/(s·m)，采用体形简单、运行可靠、施工及维护方便的矩形宽尾墩即可，墩尾向两边各扩展2 m。

3.3 台阶消能[4，5，6]

台阶式泄槽的水流特点是台阶干扰水流运动，加强水流紊动掺气，并利用台阶对水流的撞击消能。下泄水流被坝面台阶沿级阻挡，从上一级台阶前沿跌落，在下一级台阶面产生撞击，并在台阶内凹处形成水平轴旋滚，上部水流紊动，在水气接触面掺气。在这一连串的跌、击、旋滚、掺气的过程中，下泄水流的能量得到消杀。在一定的台阶形状及尺寸下，小流量时，跌、击起主要消能作用；流量较大时旋滚、掺气起主要消能作用；在掺气饱和的情况下，形成水深、流速沿程不变的稳定滑行水流。

台阶式泄槽与末端消能工组合的消能方式更能适应高水头、窄河谷泄洪消能工程。

台阶消能工已得到广泛应用，但台阶消能率研究尚处于试验阶段，至今并无统一公式。大量试验研究表明，台阶消能率可达20%～80%。台阶消能率总体随流量增大而降低。

根据该工程溢流坝段断面型式，参照类似工程，台阶高宽比取为1∶0.8，单级台阶高1 m，宽0.8 m，共计126级。

3.4 挑流消能

相较于宽尾墩消能和台阶消能，挑流消能在理论和应用上均更成熟。

台阶末端的反弧段及挑流鼻坎将下泄水流挑出，出射水流在重力及空气阻力等的作用下，扩散、摩擦、相互撞击消除一部分能量；水流射入下游河床，冲击水垫，并产生剧烈紊动，消除剩余能量。

根据计算比较，拟定该工程反弧半径30 m，挑射角 25°。

3.5 消能计算

考虑到高坝溢流堰光滑坝面消能率一般可达10%，而消能防冲设计中通常不计光滑坝面消能率，直接取堰上总水头Hy进行计算，故在该次计算中取台阶末端水头H0为

根据DL 5108-1999《混凝土重力坝设计规范》，挑流消能设计应对各级下泄流量进行水力计算，估算水舌挑射距离、最大冲坑深度。挑流水舌挑射距离和跌入下游河床的最大冲坑深度可按照该规范附录C计算。消能计算结果见表4。

计算各级流量下挑距约90 m，相应位置下游水深 2.3～2.7 m，流速约 1.4～2.2 m/s，不会对下游河床造成严重冲刷。

4 模型试验及设计优化

为进一步验证设计的合理性并对其进行优化，委托长江科学院进行了水工模型试验。这次试验分别测定了台阶坝面掺气的起始位置、坝面水面线、坝面压力和台阶消能率。

表4 消能计算结果

断面模型试验选用水槽宽度B=0.6 m，上游模型高H=2.8 m。模型比例为1∶40，模拟两孔(含两个整墩)，在每隔10级台阶的立面和平面上分别均匀布置两个压力测点。

试验结果表明，设计台阶坝面的消能率可达79%～86%。但50级以上的台阶存在空蚀可能，需增强掺气措施。经研究决定采用前置掺气坎。掺气坎位于宽尾墩末端溢流面上，高35 cm。通过对模型修正并重新试验，采用前置掺气坎对50级台阶以上水流掺气效果良好，消除了整个坝面空蚀隐患。

5 结语

该工程处于窄河谷区，最大坝高156 m，坝后岩体软弱易冲刷，设计采用宽尾墩加台阶加挑流联合消能，并经模型试验修正，取得了良好的消能效果，可供类似工程借鉴。

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