吉林省时家店水库溢洪道台阶式消能的应用

井德泉

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

柳河县时家店水库位于吉林省南部地区，是一座以灌溉、防洪为主，结合养鱼等综合性利用的中型水库，最大库容为1734×104m3，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物等级为3级。主要建筑物的洪水标准为50年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核；消能防冲30年一遇洪水标准。

溢洪道为该工程主要建筑物，位于大坝左岸，为开敞式溢洪道，钢筋混凝土结构，溢洪道轴线与坝轴线垂直，堰宽20m，上下游最大高差9.5m。

进口溢流堰段：进口段(桩号溢0-008.0～溢0+000m)底宽20m，钢筋混凝土结构，底板厚度为0.5m，底板顶高程为393.00m；溢流堰段(桩号溢0+000～溢0+005.0m)，溢流堰堰型为WES堰，上游面为垂直面，堰顶高程为394.35m，钢筋混凝土结构；整流段(桩号溢0+005.0～溢0+014.625m)底板顶高程392.00m，钢筋混凝土底板厚度为0.5m。

台阶式消能段：消能段(桩号溢0+014.625m～溢0+036.225)为防止下泄水流淘刷坝脚并与下游尾水渠水流平顺连接，依据地形和高差进行结构布置，在整流段末端设台阶式消能段，台阶尺寸为长1.0m×高0.5m，共17级台阶，后为消力池池深0.5m，底板高程为385.20m，钢筋混凝土结构。

尾水渠段：干砌石尾渠段(桩号溢0+036.225～溢0+484.225m)，其中桩号溢0+036.225～溢0+71.225m为尾渠收缩段，渠道底宽由20m渐变至5m；桩号溢0+071.225～溢0+216.225m为尾渠弯段，转弯半径70m，角度119°；桩号溢0+0216.225～溢0+484.225m为尾渠直线段。

1 水工模型试验

1.1 试验任务及要求

进行P=3.33%、设计洪水(P=2%)和校核洪水(P=0.33%)情况下溢洪道的过流能力，测定台阶式消能在不同泄量情况下的消能率，测定台阶式消能台阶处的压强分布，观测分析台阶处是否会发生气蚀。

1.2 试验内容

1.2.1 原试验工况

(1)试验工况一(校核流量148.56m3/s)

试验测得上游水位396.73m，下游水位392.51m。设计理论计算值为上游水位396.82m，下游水位392.50m。试验测得上游水位与理论计算水位低0.09m，因此满足泄流要求。流量系数m=0.485。消能率见表1。试验测得阶梯处压强值见表2。

(2)试验工况二(设计流量62.72m3/s)

试验测得上游水位395.74m，下游水位388.89m。设计理论计算值为上游水位395.74m，下游水位388.73m。试验测得上游水位与理论计算水位相同，实测泄量比理论计算泄量多0.98m3/s，因此满足泄流要求。流量系数m=0.336。消能率见表1。试验测得阶梯处压强值见表2。

(3)试验工况三(P=3.33%流量39.42m3/s)

试验测得上游水位395.43m，下游水位387.96m。设计理论计算值为上游水位395.37m，下游水位387.80m。试验测得上游水位与理论计算水位高0.06m，占总水头的0.01%，因此不影响泄流，满足泄流要求。流量系数m=0.256。消能率见表1。试验测得阶梯处压强值见表2。

表1 试验测得泄流量及计算消能率

表2 台阶消能段阶梯处压强分布

试验施放了3个具有代表性的特征流量，并绘制了泄流量与上游水位关系曲线和理论计算值的对比曲线如图1所示，从图1中可以看出，对比泄流能力，各个工况均可达到泄流要求。在压强方面，设置的18个测压孔中1号和2号测压孔出现负压的几率大且最大负压为-9.3kPa，1号和2号测压孔布置在第一、二级台阶处。

1.2.2 修改试验工况

由于在第一、二级台阶处出现较大负压，为了改善水流条件防止气蚀产生破坏混凝土结构，修改了第一、二级台阶，台阶改为椭圆弧段，弧线方程为x2/30+y2/10=1。修改后再进行上面的试验，得出以下成果：

(1)修改试验工况一(校核流量148.56m3/s)

试验测得上游水位396.92m，下游水位392.52m。设计理论计算值为上游水位396.82m，下游水位392.50m。试验测得上游水位与理论计算水位高0.1m，占总水头的0.03%，满足泄流要求。流量系数m=0.55。消能率见表3。试验测得阶梯处压强值见表4。

(2)修改试验工况二(设计流量62.72m3/s)

试验测得上游水位395.77m，下游水位388.92m。设计理论计算值为上游水位395.74m，下游水位388.73m。试验测得上游水位与理论计算水位高0.03m，占总水头的0.01%，因此不影响泄流，满足泄流要求。流量系数m=0.341。消能率见表3。试验测得阶梯处压强值见表4。

(3)修改试验工况三(P=3.33%流量39.42m3/s)

试验测得上游水位395.45m，下游水位387.98m。设计理论计算值为上游水位395.37m，下游水位387.80m。试验测得上游水位与理论计算水位高0.08m，占总水头的0.01%，因此不影响泄流，满足泄流要求。流量系数m=0.242。消能率见表3。试验测得阶梯处压强值见表4。

表3 试验测得泄流量及计算消能率

表4 台阶消能段阶梯处压强分布

修改后的试验施放了同样的3个具有代表性的特征流量，并绘制了泄流量与上游水位关系曲线和理论计算值的对比曲线如图1所示，从图1中可以看出，对比泄流能力，各个工况均可达到泄流要求。

在压强方面，改为椭圆弧段后撤销了1号、2号、13号和14号测压孔，由于第一、二级台阶修改为椭圆弧段，因此其他测压孔的压力值均不同程度受到了影响，大部分压力值有所增大。9号孔处出现了该方案中最大负压，负压值仅为-4.8kPa，负压值较小，不会发生气蚀现象。

图1 两方案水位流量与理论值对比曲线

由上述水工模型试验可以看出，原设计方案和修改后设计方案，在泄流能力和消能率方面基本相同，但在压强方面，修改方案要优于原方案，修改方案降低了负压，减少了在洪水泄流时发生气蚀的可能，泄洪更为安全，故本次设计选用了修改后的方案。

该选定的溢洪道消能布置方案，符合工程实际情况，消能方式采用了台阶式消能的方式，经试验测得的消能率为：校核洪水流量148.56m3/s时，消能率为31.20%；设计洪水流量62.47m3/s时，消能率为66.29%；30年一遇洪水流量40.19m3/s时，消能率为74.18%。由此可以看出，台阶式消能的结构布置很好地解决了本工程溢洪道的消能防冲等问题。

2 结语

当泄洪建筑物下游布置消力池空间受限时，采用台阶式消能的措施，能大大减小下游消力池等消能工的尺寸，以优化结构布置和节省工程投资。

台阶式消能在溢洪道消能方面应用具有较好的消能效果，消能率达到70%以上，消能率与单宽流量有着密切联系，在台阶的尺寸和型式保持一定时，单宽流量越小其消能率越高。

消能台阶的型式也会影响到泄流过程中的台阶处的压强变化，当单宽流量较大时，建议结合水工模型试验，来确定最优的台阶尺寸和型式，以减少混凝土台阶气蚀的发生，来保障泄流建筑物结构安全。

吉林省柳河县时家店水库溢洪道消能防冲工程自2010年投入运行以来，历经多年汛期洪水考验，泄流平顺，消能率高，下游尾水流态平稳，下游河道基本无冲刷，充分体现了台阶式消能在低水头、小单宽流量溢洪道消能中布置的优势。