综合消能方式在表孔溢洪洞末端的应用与研究

陈小林，申 慧，于新艳

(中工武大设计研究有限公司，湖北 武汉 430072)

在水利水电工程中，泄水建筑物受地形高差、地质条件及枢纽其他建筑物总体布置等因素限制，其末端下泄水流与下游天然河道相衔接时很难解决水流消能防冲问题，采用单一常规的底流消能、挑流消能或者面流消能，往往效果不好。因此，采用怎样的消能方法才能避免下泄水流不冲刷河床、不损害其他建筑物是非常重要的。

1 工程概况

新源县水利枢纽工程规模为中型，等别为Ⅲ等。工程总库容为8393万m3，总投资为102500万元，主要由大坝、表孔溢洪洞、泄洪洞等建筑物组成。永久性主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时性建筑物级别为5级。

工程表孔溢洪洞设计洪水标准为50年一遇，洪峰流量Q=196m3/s，校核洪水标准为1000年一遇，洪峰流量Q=300m3/s。泄洪方式为溢洪道单独泄洪，溢洪道不设闸门，溢流堰为侧槽式，堰型采用WES堰。进口控制段布置在左坝肩，全长400m。表孔溢洪洞由进口段、侧堰段、调整段、洞身段、泄槽段、挑流段和下游消力池及泄洪渠段7段组成，其中下游消力池及泄洪渠段包括消力塘、八字进水口、陡槽段、台阶式陡坡、消力池、泄洪渠6部分。

2 工程地质

表孔溢洪洞因岩土类型、基岩风化程度、围岩类别、构造影响和洞身结构等不同，可大致分为3段。

2.1 侧堰段

侧堰段进口处发育有一条冲沟，沟内地表植被极发育。该段以挖方为主，基础座置于混合土漂石和强风化基岩上。混合土漂石厚度约9.0m，杂色，青灰色，松散-稍密，稍湿-饱水，多以块石为主，块石成分与山体母岩成分一致，岩性为灰岩，分选性好，级配不良，颗粒多呈棱角状，磨圆度差，具有不均匀性、大孔隙性，架空结构，充填中粗砂，其中0～6.0m内块石含量较多。天然密度为2.38g/cm3，天然含水率为2.78%，天然干密度为2.31g/cm3，内摩擦角为35°，渗透系数为8.16×10-1cm/s，允许水力比降为0.10。承载力建议值为220kPa，变形模量为14MPa，基岩岩性为灰岩，强风化带厚0.50～5.00m，呈碎块状，岩石完整性差，裂隙发育，易碎，用锹镐可以挖动，坚硬部分需用爆破，弱风化基岩的饱和抗压强度为59.4MPa。

2.2 调整段和洞身段

该段全部为基岩，岩性为灰岩，岩层产状为330°∠40°～70°， 该段洞轴线处于弱风化基岩内，弱风化基岩的饱和抗压强度为59.4MPa，围岩类别多为Ⅲ类，坚固系数fk=5，K0=1500MN/m3，部分洞身段围岩类别为Ⅳ～Ⅴ类，建议坚固系数fk=1～3，K0=600～1000MN/m3。岩层走向与洞轴线夹角为75°，岩层倾角为40°～75°，因此，沿倾向掘进对隧洞开挖比较有利，反倾向掘进对隧道开挖影响一般或者不利，掘进过程中可能遇到掉块、渗水和岩体塌坍等现象，需采取加固措施。

2.3 泄槽段、挑流段和下游消力池及泄洪渠段

该段地表植被极发育，生产大量杏树、灌木等，发育一条常年流水冲沟，流量约为0.1m3/s。该段以挖方为主，基岩的挖方量相对较多。基础座置于强、弱风化基岩和混合土漂石上，混合土漂石厚度大于18.0m，未揭穿，潮湿-饱水，稍密，多以块石为主，块石成分与山体母岩成分一致，岩性为灰岩，分选性好，级配不良，颗粒多呈棱角状，磨圆度差，具有不均匀性、大孔隙性，架空结构，强透水性，局部中粗砂含量较多，其中地表以下8.0～10.0m处有大孤石，粒径为60～80cm。天然密度为2.29g/cm3，天然含水率为3.99%，天然干密度为2.20g/cm3，内摩擦角为35°，渗透系数为8.16×10-1cm/s。承载力建议值为220kPa，变形模量为14MPa，基岩岩性为灰岩，强风化层厚0.5～5.0m，呈碎块状，岩石完整性差，裂隙发育，岩石锤击哑声，岩石大部分变酥，易碎，用锹镐可以挖动，坚硬部分需用爆破，弱风化基岩的饱和抗压强度为59.4MPa。

3 消能方案

3.1 方案总布置

表孔溢洪洞末端现状为自然冲沟，此处与下游河道河底高差36m。冲沟汇入河道处距发电厂房较近，为保护发电厂房，减小下泄水流对自然冲沟的冲刷，在表孔溢洪洞末端采用差动式挑流鼻坎将下泄水流空中消能后挑入消力塘进行第二次消能，水流在消力塘内部消能稳定后溢出，水流进入右侧的八字进水口，通过八字进水口将水流由宽变窄至适合水流进入陡槽段，通过台阶式陡坡进行第三次消能，差动式挑流鼻坎、消力塘、八字进水口联合解决溢出的水流满足水流流态、流速要求的角度，与陡槽段连接。消力塘、八字进水口、台阶式陡坡段的连接解决消力塘至泄洪渠之间高差和部分消能问题；经台阶式陡坡第三次消能的水流进入泄洪渠首段的消力池进行第四次消能，最终水流平顺进入泄洪渠后流向下游距枢纽建筑物较远的天然河道。如图1所示。

图1 消能方案

3.2 主要建筑物设计

3.2.1差动式挑流鼻坎

该差动式挑流鼻坎长15m，高坎高1.50m，挑射角为30°，反弧半径为13m，低坎挑射角为20°，反弧半径为16m，低坎以下1m深度内采用钢筋硅粉混凝土，其余采用钢筋混凝土，挑流鼻坎底部设前后齿墙，齿墙深入基岩，并对挑流鼻坎底部进行固结灌浆处理，挑坎底部设砂浆锚杆。

鼻坎两侧边墙为混凝土重力式挡土墙，迎水面铅直，背坡为1∶0.35，沿挑流鼻坎与边墙交界处设纵缝，纵缝设止水材料，填缝材料采用高压闭孔板，封缝材料采用丙乳砂浆。

3.2.2消力塘

挑流鼻坎末端下设宽15m、长60m、深8m的钢筋混凝土消力塘，挑流水舌进入消力塘消能后由侧向溢流堰流出，溢流堰为高10m的WES实用堰。消力塘采用钢筋混凝土衬砌。

3.2.3八字进水口

水流由消力塘侧向溢流堰流出，根据地形，该段水平转弯131°，溢流堰后接1∶10陡坡，此处为八字形布置，由 50m渐变成4m，保证溢出水流由宽变窄进入3m宽的泄槽。此段采用混凝土护砌。

3.2.4台阶式陡坡

该段长40m，底坡为1∶4，平面宽度由4m渐变至6m，为增加消能效果，在陡坡上设高差0.5m连续台阶，该段为整体式矩形槽结构，采用钢筋硅粉混凝土衬砌。

3.2.5消力池

该段长30m、宽6.0m，消力池池深2.5m，底板为混凝土，消力池长2/3处至尾坎设排水孔与反滤料。消力池边墙为整体式矩形槽，采用钢筋硅粉混凝土衬砌。

3.2.6泄洪渠

泄洪渠纵坡i=0.02，矩形断面，底宽6m，采用细粒混凝土砌石结构，边墙高5m，采用细粒混凝土砌石重力式挡土墙结构，墙顶宽0.5m，背坡为1∶0.4，前后趾宽、高均为0.8m。泄洪渠段每隔8m设一道横向伸缩缝，底部设齿墙，齿墙宽0.5m、深1.2m，伸缩缝止水材料采用“651”橡胶止水带，填缝材料采用高压闭孔板，封缝采用丙乳砂浆。

泄洪渠出河床处设置防冲墙，墙高3.5m，对下游20m范围内河底进行护砌，采用1.0m厚细粒混凝土砌卵石，在两岸设置50m护岸，采用细粒混凝土砌卵石，护坡厚0.5m，基础埋深为3.5m。

4 水力模型实验验证

4.1 水力模型研究内容

根据相关规范和工程实际要求，对表孔溢洪洞开展水工水力学试验研究，主要研究内容如下：

(1)分析进口侧堰泄流情况，对侧堰体型进行优化。

(2)分析溢洪洞出口泄流情况，对溢洪洞与挑流消能之间连接段进行优化。

(3)分析挑流消能空中轨迹、入水情况，对消能设施体型进行优化。

(4)分析消力塘与泄洪渠道出水衔接情况，对相关水工建筑物进行优化。

4.2 水力模型实验结论

4.2.1水力模型优化内容

设计方案结合水力模型实验进行多次优化、分布实施，最终的优化方案与原设计方案相比，包括7个部分：①侧堰体型优化；②侧槽体型优化；③溢洪洞整体高程下降；④溢洪洞进口体型优化；⑤泄槽段底板体型优化；⑥挑流鼻坎体型优化；⑦消力塘深度增加。

4.2.2水力模型优化效果

优化后表孔溢洪洞泄流能力满足设计要求，侧槽与溢洪洞进口段的流态较为平顺，泄槽段水流无明显脱空现象出现。挑流水舌落水区相对分散，纵向范围由原设计方案的12m增加到17m，增幅约40%。消力塘出水趋于均匀、平稳，一定程度上减缓了泄洪渠进口水流壅高溢水的趋势。

差动式挑流鼻坎配合深度8m的消力塘的综合消能效果较好，明显减轻了消力塘水流在对岸边坡的爬升幅度，平顺了消力塘出水流态和泄洪渠的水流衔接。

5 结语

表孔溢洪洞末端通过差动式挑流鼻坎的挑流水舌在空中消能后进入消力塘，水舌在消力塘内消能比较充分，水流在消力塘内掺混均匀后由侧向溢流堰流出完成2次消能。消力塘和八字进水口的连接灵活解决了消力塘与泄洪渠之间水流束窄、连接角度问题。八字进水口、陡槽段和台阶式陡坡解决了消力塘与泄洪渠之间高差和部分消能问题，通过台阶式坡面沿程掺气、旋滚消能，减少了泄洪渠衔接段水流折冲，改善了泄洪渠进口水流壅高溢水现象。为保证水流顺利归槽，在台阶式陡坡消能后接消力池，可将水流最终余能消耗于消力池中，水流平顺进入泄洪渠后流向下游距枢纽建筑物较远天然河道，彻底解决了表孔溢洪洞水流消能问题。