阶梯式消能工在水库除险加固工程中的应用

曹永志

（湖南华纬水电工程公司 常德市 415000）

1 应用的重要意义

在开展水库工程建设中，过去一般应用混凝土光滑陡槽消能法，据科学研究发现，这种消能方法消耗的能量少，有时，上流水面带来的水能没有被迅速消除，会给大坝或周围的建筑物带来极大的冲击，造成极大的危险性。过去，需要耗费很多资金建造消力池才能解决消能的问题。随着科学研究的发展，提出了阶梯式消能方式，这是一种新型的消能方法，应用这种方法，它能突破传统消能技术消能慢、耗费资金多的问题，这项技术给水库建设带来重大的突破。

2 应用的理论依据

传统的光滑陡槽消能法存在的问题在于水流通过光滑陡槽时，它的前半段水流通过的地段摩擦力小，能量不能被迅速消除，仅依靠后半段的消能结构解决能量消耗。这种消能方法消能的效率不高。阶梯式消能方式是应用一种全新的结构来消能，该工程的总体结构看起来如阶梯，其中每一个阶段都有凹角，这些凹角具有泄洪的作用，当奔流的水奔过一道道阶梯以后，它具有的能量已在阶梯中逐渐消减，而最后的能量已经不会构成太大的危害。

如何科学设置阶梯才能做好水库除险加固工作，目前没有一种统一的阶梯设置方法，只能说这种技术应用的原理为利用阶段式的结构，形成水的掺气点，掺气点所形成的情况由阶梯的形成角度、宽度和阶梯的高度来决定。当平滑水流形成掺气以后，它会消减一部分的能力。掺气的水流一步一步地跨越阶梯，在形成掺气的时候，能量即一步一步地消减。当它流过阶梯以后，虽然水流依然存在能量，可是该能量已经大幅度的消减，此时它进入消力池中，经由消力池进一步消去能量，洪水已经不再构成极大的威胁。

从表面上看，建立阶梯式消能工所耗费的成本似乎比光滑陡槽高，实际上假设阶梯式消能工要消耗掉与光滑陡槽同样的能量，洪水所需流过的速度比光滑陡槽短，这就意味着与光滑陡槽技术相比，阶梯式消能工技术更节省成本。而且，洪水进入阶段式消能工消耗能量时，它消耗的能量更多，这就意味着这种技术能降低洪水冲击的风险。从综合的角度上看，阶梯式消能工是一种非常先进的消能工技术，如果能够合理地应用该技术，将更有效地解决水库除险加固的问题。

3 案例分析

在怎样的情形下，应当应用阶梯式消能工技术，目前尚无一个定论，在开展水库建设的时候，要根据水库的实际情况，以及结合经济、科学、有效的原则将这一技术应用到水库除险加固工程中。

3.1 工程项目

湖南华纬水电工程公司2009年承担了常德市2009年度石门县双红水库除险加固工程的施工，10月11日开工，2010年5月16日完工，笔者担任该工程的技术负责人。双红水库为石门县重点中型水库，枢纽工程由大坝溢洪道、输水涵管等建筑物组成，工程等级为三级。该工程的施工技术运用有很多方面，笔者在此仅仅谈谈消能工在此工程中的运用。

3.2 项目设计

（1）消能工设计分析。经过勘测，设计人员搜集了与水库相关的历史数据。双红水库的修建时间为1959年，它主要担负着抗洪、蓄洪，及数个村庄农业灌溉的任务。1979年，双红水库扩建。2004年9月，湖南省水利厅批准了双红水库《大坝安全鉴定书》。2007年3月水利部大坝安全管理中心复核确认大坝为Ⅲ类坝。2008年11月省水利厅对初步设计进行了批复。2009年11月，省水利厅审查通过了技施设计并下达实施双红水库除险加固计划。现在水库的坝顶高程设计为236.00 m，坝顶宽5 m、坝长约1 000 m，校核洪水位128.57 m，总库容为1 280 万m3，死水位111.69 m，死库容22 万m3，主要建筑物为40年一遇洪水设计。

（2）消能工设计方案。双红水库的堤坝需要有效的消能，否则新的险情将会再度发生。如果采用传统的消能方式，应用光滑陡槽与消力池共同应用的方法，洪水在经过光滑陡槽上，会激起极大的水花，水花敲击在消力池的墙壁上，会产生极强的能力，为了消减这种能力，必须建造大容量的消力池，这会耗费太多的成本。

为解决光滑陡槽消力效果不佳的问题，设计单位作出变更，将光滑陡槽改为53 级的阶梯陡槽，陡槽每级高为0.60 m，宽为1.38 m。

结合设计模型来判断，如果应用传统的光滑陡槽加消力池技术，在陡槽末段测试水跃起跃首的流速应为26.4 m/s，如果计消力池尾坎断面，总计可消能88%，而其中主要的能量为消力池消耗，消力池耗能为80%，可见光滑陡槽不能有效地起到耗能的作用。改用阶梯式消能工技术，最终消力池尾坎断面总计耗能为87%，其结果与原设计方案相差无几，而阶梯式陡槽耗能率为62.6%，这意味着不需要建造很大的消力池即可完成后续的消能工作。

将该次水库消能原设计模型与实际控制工况进行比较，比较结果见附表。

附表 双红水库消能原设计与实际控制工况进行比较 %

（3）消能工施工结果。与原定的设计方案相比，阶梯式消能工技术往上游缩短了20 m 的距离，提高了水库除险加固的效能；池底抬高了4 m，消力池仅仅只需要2 m，降低了施工的成本。该技术的应用解决了这一水库长期存在的安全隐患。

4 应用的要点分析

（1）结合施工需求应用该技术。在水库的除险加固工程中，可以应用多种除险加固技术，比如消力池技术、消力坎技术、阶梯式消能工技术、挑流方案技术，阶梯式消能工技术只是其中的一种技术。每个水库情况不同，适用的技术也不相同。以该次的水库除险加固案例而言，该水库的结构已经非常不稳固，它急需开展消能工程； 该水库从上游至下游均存在位移现象，如果应用光滑陡槽技术，洪水在穿越陡槽的过程中不能有效地消能，它的消能工作主要在消力池完成，这种工程结构可能还是会给水库带来隐患，为有效解决水库消能问题，本次工程优先选择应用阶梯式消能工技术，该水库的实际情况允许应用阶梯式消能工技术。

（2）结合施工参数应用该技术。应用阶梯式消能工技术，要做好库水位、下泄流量、流量的计算工作，结合消能的需求做好阶梯式消能工设计。从该次案例中双红水库的阶梯式消能工技术的应用可以看到，要重视数据收集的工作。为了有效地做好施工参数设计，首先收集了1959年的水库修建原始资料，从中取得需要的数据；收集了1979～2009年水库建设的资料，还收集了水库位移变化的资料，以此得到消能工程开展的依据。

（3）结合施工成本应用该技术。在应用阶梯式消能技术时，不能武断地说应用阶梯式消能技术一定比其它的消能工技术更节省成本。这是由于在应用消能工技术时，涉及到土方开挖、混凝土回填、各种混凝土及钢筋应用、各类后期工程清理的问题等。应结合施工的实际情况，综合比较施工的需求与施工的成本，找到一个最优的施工方案。

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