某工程溢洪道台阶消能设计优化研究

向 蕾

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

某工程溢洪道台阶消能设计优化研究

向 蕾

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

某水库工程溢洪道采用台阶式消能方式，要求对溢洪道出口体型进行试验优化，以解决其出口消能防冲问题.经反复试验研究，提出了较优消能工方案.运行结果表明，该方案较好地解决了溢洪道出口的消能防冲问题，既节约工程投资，同时也满足了工程安全性能要求.

溢洪道;消能设计;试验优化;研究论证

某水库工程是一座控制性山区水库，由黏土心墙坝、导流泄洪兼放水洞、开敞式溢洪道等主要建筑物组成.河床布置黏土心墙坝，泄水系统表孔布置在右岸为开敞式溢洪道，底孔布置在左岸为无压洞.水库库容1 256万m3，坝高78 m.该工程规模属中型，工程等别为Ⅲ等.水库正常蓄水位1 011 m，死水位974 m，最大坝高78 m，溢洪道堰顶高程1 006 m［1］，设计泄量105.55 m3/s，校核泄量 144.48 m3/s.溢洪道布置在右岸，进口边坡走向近南北，岸坡坡角20°～30°;基岩岩性为砂岩(T3hs)、泥质砂岩互层，岩层产状285°SW∠35°，强风化层厚2～5 m，纵波速度Vp=1 500～1 800 m/s;弱风化层厚8～9 m，纵波速度Vp=1 800～2 200 m/s.基岩表层局部覆盖有厚1～2 m坡积(Q4dl)碎块石.明渠左侧边坡倾向坡外，右侧边坡倾向坡里，该组裂隙对左边坡影响较大.受节理切割影响，本段岩体较破碎，岩体抗冲能力较差，消能区左岸岩石破碎更为严重，因而溢洪道的出口消能效果直接制约着效能效果及整个工程建设是否顺利完成.最终，依据优化溢洪道出口消能工施工工艺、降低工程投资、保证整个工程安全性的原则，特进行试验研究.

1 试验研究成果及分析

在对原方案的消能冲刷结果分析后，进行了4个优化方案进行试验论证分析.

1.1 原方案的消能冲刷结果

原方案消力池长25 m，尾坎高1 m，尾坎上下均宽1 m，校核洪水时泄流流态如图1—2所示.

试验中观测到，由于下游尾水较低，消力池内没有形成淹没水跃，水流几乎全部挑射到护坦上，没有形成底流消能［2］，因此需要进行消能优化研究.

1.2 优化方案1

考虑到原方案在校核洪水时由于下游水位较低，消力池内不能形成淹没水跃.因此优化方案1中将尾坎加高为 2.60 m，尾坎上宽 1.20 m，下宽1.98 m，坡度 1∶0.3.消力池加长 10 m，为 35 m，以便增加局部下游水深，形成完整淹没水跃［3］.

下游铺设地形、溢洪道校核洪水泄流流态、消力池泄流流态及冲后地形如图3—6所示.

方案1中仍有部分水跃冲出消力池，校核洪水冲后下游护坦仍有大部分掀起.

1.3 优化方案2

优化方案2中增加1级消能坎，在消力池中距离最后一级台阶10.25 m处加设高度为1.00 m的消能坎(桩号为 0+219.25 m)，上宽 0.70 m，下宽1.45 m，坡度1∶0.7.

校核洪水时消力池泄流流态及冲后地形如图7—8所示.

校核洪水冲后，消力池后护坦前面3排发生坍塌移动，后3排护坦也有较大位移.

1.4 优化方案3

护坦和石笼各加长10 m，消力池底板、护坦和石笼的高程都降低1 m，对校核洪水(1 012.28 m)的冲刷特性进行了试验研究，铺设好的地形和冲刷后的地形如图9—10所示.

校核洪水冲刷后护坦稳定，未被掀起，下游河道冲坑深度也较小，不影响石笼的稳定性［4］.

1.5 优化方案4

在方案3的基础上，第4排护坦上加3排消力墩，消力墩高0.3 m，宽0.2 m，下游坡度1∶1.第1 排消力墩16个，第2排消力墩17个，第3排消力墩18个，2排间距为1 m.

在正常蓄水位和校核洪水位下，消力池及护坦段的泄流流态如图11—12所示.

不同水位下各测点实测流速与计算流速值列于表1.

表1 不同水位下各测点实测流速与计算流速m/s

按照实测流速求得的阶梯溢洪道的消能率见表2.表2中的消能率指从堰顶至消力池出口处的能量之差与总能量的比值［4］.

对校核洪水(1 012.28 m)的冲刷特性进行了试验研究.冲刷后护坦没有被掀起，石笼也较稳定［5］.

2 结语

1)原设计方案中，溢洪道在设计水位1 011 m和校核水位1 012.19 m相应的实测泄流量分别为110.18，147.33 m3/s，比设计流量105.55 m3/s和校核流量 144.48 m3/s分别大 4.63 m3/s(4.4%)和2.85m3/s(2.0%).

表2 阶梯溢洪道的消能率

2)闸门全开时，不同工况下溢洪道沿程各测点的实测空化数都比较高，不会发生空化空蚀破坏;正常蓄水位1 011 m时，在不同库水位下溢洪道沿程各测点的实测空化数都比较高，也不会发生空化空蚀破坏［7］.

3)试验中观测到，原设计水位1 011 m闸门局部开启时，开度分别为 0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m 时，在闸前出现漩涡.开度为0.5，1.0 m时漩涡比较弱;随着开度的增大，漩涡加剧;开度2.5 m以后漩涡减弱;开度为3.0 m时接近堰流，漩涡消失.由于目前工程上只是对于水电站等进水口出现的漩涡可以采取消波措施减弱或消除，而对于水工闸门局部开启在闸前出现的吸气漩涡还没有很好的解决办法，有待进一步研究，建议实际运行中尽量减少闸门局部开启的次数.

4)由于原设计方案在消力池中不能形成完整的水跃，消能效果不佳，建议优化设计方案.

5)实测优化方案中，溢洪道在正常蓄水位1 011 m，设计库水位1 011.01 m和校核库水位1 012.28 m时相应的泄流 量分别为 113.673，113.962，154.016 m3/s.在校核库水位 1 012.28 m的情况下，下游护坦几乎未发生位移，也无坍塌现象.由实测流速求得的阶梯溢洪道消能率达80%以上.

6)方案4的消能效果较方案3的效果更佳，护坦的稳定性也更好，推荐采用方案4.

［1］天津水利水电勘测设计研究院.SL 253—2000溢洪道设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2000.

［2］李炜，徐孝平.水力学［M］.武汉:武汉水利电力大学出版社，2000.

［3］艾克明.台阶式泄槽溢洪道的水力特性和设计应用［J］.水力发电学报，1998(4):86 －95.

［4］田嘉宁，大津岩夫，李建中，等.台阶式溢洪道各流况的消能特性［J］.水力学报，2003(4):35－39.

［5］曾东洋.台阶式溢洪道水力特性的试验研究［D］.西安:西安理工大学，2002.

［6］张志昌，曾东洋，刘亚菲.台阶式溢洪道掺气特性的研究［J］.应用力学学报，2003，20(4):97 －100.

Design Optimization of Spillway Energy Dissipation by Steps in a Project

XIANG Lei
(Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Uygur 830000，China)

The mode of energy dissipation by steps was adopted in the spillway of a reservoir，and the size of the spillway outlet needed to be optimized by tests to solve the problems of energy dissipation and erosion prevention.By the means of repeatedly testing，the optimal scheme was proposed.The operation results showed that this scheme has solved the problems of energy dissipation and erosion prevention of the spillway outlet and not only saved the investment but also met the requirements of safety performance of the project.

spillway;energy dissipation design;optimization by tests;research and demonstration

1002－5634(2011)05－0048－03

2011－06－25

向 蕾(1984—)，女，新疆喀什人，助理工程师，主要从事水利水电工程设计方面的研究.

(责任编辑:陈海涛)