湖南省芦江水库溢流坝台阶和戽流组合消能设计

郑永兰 张飚

摘要：

为了研究芦江水库工程溢流坝采用台阶+消力戽组合消能的可行性，结合工程特点，经综合分析大坝溢流面台阶+戽流组合消能和台阶+消力池组合消能2个方案，最终选择消能效果好、投资省的台阶+戽流组合消能方案。介绍了溢流坝面消能台阶步高和步长及消力戽尺寸拟定的方法、溢流坝面经过台阶水流流态、消能率及戽流消能等的水力学计算和水工整体模型试验。结果表明：计算和试验结果较为吻合，该工程溢流坝采用台阶+戽流组合消能是合理可行的。

关键词：

消能设计； 台阶+戽流组合消能； 溢流坝； 水工模型试验； 芦江水库

中图法分类号：TV222

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.011

文章编号：1006-0081（2023）04-0064-05

0 引 言

目前，溢流坝主要采用的消能方式有3种：底流消能、面流消能和挑流消能［1］。根据国内外工程经验，底流消能一般适用于水闸、中小型溢流坝、坝体下游有软弱基岩、下游水位流量关系较稳定的情况。底流消能可靠但工程量较大。挑流消能应用较广，适用于中、高水头，大、中、小流量的各类建筑物。面流消能适用于中、低水头，下游尾水较深，水位变幅不大及河岸稳定、抗冲能力强的情况。上述消能方式的共同特点是将溢流坝前水流的势能转化为坝趾处的动能，再通过消能建筑物进行集中消能［2］。如果水流在溢流坝面下泄的过程中，消耗掉一部分能量，那么在坝趾处需要消耗的动能将减少，消能建筑物的规模也可以相应减小。

20世纪60年代起，一些国家开始将在溢流坝面上设置台阶的技术应用于中小型水利工程。1986年美国建成投运的上静水坝（Upper still-water Dam）是世界上最早建成RCC台阶溢洪道的大坝之一。20世纪90年代初，北京市水科学技术研究院、南京水利科学研究院、成都科技大学等开展了台阶溢洪道机理和应用研究。本文结合工程特点，通过水力学计算和水工模型试验，研究湖南省芦江水库工程溢流坝采用台阶+消力戽组合消能的合理可行性。溢流坝面台阶极大地增加了过流面糙度，在台阶处形成漩涡，掺入大量空气，能量在水气之间大量交换，从而起到减速消能的作用。经过台阶溢流面的水流进入消力戽斗内，形成强烈的水滚，进一步消除剩余的大部分能量，降低戽斗后的水流流速，较好地与下游水流衔接，达到消能防冲的目的。

1 枢纽工程概况

芦江水库工程位于湖南省永州市东安县，是一个以灌溉、防洪为主，兼顾集镇供水、发电，改善农村人畜饮水条件的中型水利工程。枢纽工程为Ⅲ等工程，坝址控制流域面积约为163 km2，水库设计正常蓄水位218.50 m（85黄海），最大坝高57.5 m，总库容2 210万m3。灌区灌溉面积3 600 hm2（5.4万亩），电站装机容量2×1 900 kW。枢纽建筑物主要包括混凝土重力坝、引水灌溉发电隧洞、左岸渠首电站、右岸坝后电站以及左岸渠系和渠系建筑物等。

2 消能方式分析与选择

中高坝常采用挑流消能方式。根据坝址地质条件，基岩以泥质砂岩为主，且泥质含量较高，力学强度较低，抗风化能力差，抗冲刷能力较低，在水库泄洪时高速水流冲刷作用下，形成冲刷坑较深。而且，坝基存在多层顺层弱面和一层破碎夹层，连续性好，层面倾向下游，倾角15°～30°，大坝顺层与冲坑临空面可能产生大坝深层滑移，经深层稳定复核，大坝深层抗滑稳定性不满足规范要求［3］，不宜采用挑流消能方式。底流和戽流消能较适应低水头，故可考虑在中高坝采用溢流坝设置台阶部分消能方式。台阶消能是利用水流流经台阶时形成滑掠水流，通过水体水平轴向内漩滚、碰撞、强烈紊动和充分掺气等，消耗、分散能量的一种沿程消能方式［4］。经戽流、戽流消能方式的经济技术综合比较［5］，2种消能方式均可，但消力池工程量大，投资多，因此考虑选择消力戽（戽流）消能方式。

戽流消能是利用淹没于水下的鼻坎，使过坝水流形成戽流，从而消耗、分散水流能量的消能方式，其消能作用主要在于主流向下游水面扩散以及漩滚与涌浪中的强烈紊动、摩擦和扩散等，适用于下游水深较深且变幅较小、河床及两岸抗冲刷能力强的情况。从国内已建工程的运行效果来看，戽流消能流态稳定、结构简单、施工方便，但是需要解决好对下游河床的冲刷等问题［6］。本工程可考虑改造利用坝下已有滚水坝形成较稳定的水深，同时基于其河道治理护岸工程抗冲刷能力较强的特点，适宜采用消力戽消能方式。

3 消能工尺寸确定

3.1 溢流坝台阶尺寸

根據经验dc/h≈1，其中，dc为临界水深，h为台阶的步高。目前，国内外多取台阶步高为0.6，0.9，1.0 m和1.2 m。溢流坝下游坡度为1∶0.75，仰角为53.13°。参考国内外已建台阶式溢流坝工程，最终选取台阶步高为1.2 m，对应台阶宽度为0.9 m，共设24级台阶。

3.2 消力戽尺寸

3.2.1 挑 角

根据工程经验，采用挑角θ=45°的方案。

3.2.2 反弧半径

反弧半径R值的选择与流能比K有关：

K=qgE1.5（1）

式中：q为单宽流量，m3/（s·m）；E/R一般选择范围为2.1～8.4，E为从戽底起算的上游水头，m。

由上式计算得反弧半径R取值范围为6.67～26.67 m，本工程确定R=15 m。

3.2.3 戽唇高度

戽端无切线延长，护唇高度：

a=R（1－cosθ）（2）

由上式计算得a=4.393 m。

3.2.4 戽底高程

综合考虑流态要求和工程量，确定戽底高程为162.5 m。

4 消能防冲计算

4.1 台阶消能计算公式

通过台阶式溢流坝的水流可分为两种典型流态：水舌流和滑移流［7］。经计算，当单宽流量q＜0.07 m3/（s·m）时，工程经过台阶溢流坝面的水流为水舌流。当单宽流量q＞1.22 m3/（s·m）时，经过台阶溢流坝面的水流为滑移流。

4.1.1 台阶式溢流坝滑移流水力学计算

出现表面掺气的长度：

L1=k*×9.719（sinα）0.0796F0.713*（3）

式中：k*为坝面台阶糙度，k*=hcosα，m；F*为坝面摩擦系数；α为坝面的坡角，（°）；

出现均匀掺气水流的长度：

L2=8.6q0.713k0.0695*（sinα）0.277（4）

均匀掺气水流的水深：

h0=hk（fe8sinα）1/3（5）

式中：h0为坝面均匀掺气水流的水深，m；hk为临界水深，m；fe为计算参数。

4.1.2 溢流坝面坝趾处的消能率计算

η=E－d0+v202gE×100%（6）

E=H堰+H

式中：H堰为坝趾以上堰高，m；H为堰上水头，m；d0为坝趾处的水深，m；v0为坝趾处的流速，m/s。

4.2 戽流消能计算公式

按《水力计算手册》（第二版）进行消能计算［7］，根据水库调洪演算，50 a一遇消能防冲设计洪水时下泄流量为477 m3/s；500 a一遇校核洪水时下泄流量为840 m3/s。

（1） 水流衔接的计算［8-10］：“戽跃”共轭水深h2k的计算。戽底与河床在同一高程，无切线延长坎高：

a′=a1=a2=R（1－cosθ），Δa=0，Δb=0（7）

式中：a′为戽坎高度，m；a1为自戽底算起的戽坎高，m；a2为自河床算起的戽坎高，m；Δa为切线延长加高的坎高，m；Δb为戽底与河床高程的高差，m。

动量方程为

2Fr211－1η－β1－cosθ=（η2－1）+

Rh1sin2θ－2（1－cosθ）αη－R（1－cosθ）2h1（8）

式中：Fr1为戽底处的弗劳德数，Fr1=q/（gh3/21）；β为戽内离心力修正系数，可近似取为1.0；α为戽坎下游面动水压力校正系数；η为共轭水深比（即η=h2k/h1），h1，h2k分别为戽底及尾水处的水深，h1可按下式计算：

q=φh12g（E－h1）（9）

式中：φ为流速系数。

（2） 戽后涌浪水深hs的确定。估算式为

hshsk=0.57hsh2k+0.43（10）

式中：hsk为临界涌浪水深，m。

（3） 消能戽下游冲刷坑深度的估算。长江科学院提出的适用于软基及岩基河床面流消能方式的冲刷深估算式为［11-12］

T=ψK′q0.5Z0.25（11）

式中：T为下游水位到冲坑底部的高差，m；K′为反映挑流流态时不同性质河床的影响系数，岩基取1.35，软基取3.3；ψ为面流流态影响系数，即相应于不同面流流态时对上述K′值的折减系数。Z为上下游水位差，m。

戽末端与冲坑最深点的距离：

L=3.0q0.67（Td50）0.095（12）

式中：T为从河床高程算起的冲坑深度，m；d50为模型试验卵石冲刷料按质量计的中间粒径折合成的原型值，m。

4.3 计算结果及分析

根据上述计算公式，分别计算了洪水频率P=5.0%，2.0%，0.2%的工况，对应洪峰流量分别为342，477 m3/s和 840 m3/s，对应单宽流量分别为10.059，14.029 m3/（s·m）和24.706 m3/（s·m）。各工况下计算结果见表1～2。

表1台阶消能计算结果表明，当单宽流量逐渐加大时，通过台阶式溢流坝的水流消能率逐渐减小，消能效果逐渐减弱。表2戽流消能计算结果表明，随着单宽流量逐渐加大，下游水位逐渐升高，消力戽水流从淹没戽流逐渐形成稳定戽流，这主要是坝下已有滚水坝形成一定的水深所致。下泄50 a一遇洪水戽后动床无明显冲刷；下泄500 a一遇洪水时，最大冲坑深度0.86 m，戽末端与冲坑最深点的距离为25.36 m。河床为基岩，满足最大允许冲刷坑后坡要求。

综上分析可知，溢流坝前的水流，在经过溢流坝面台阶时，分散消耗了一部分能量，剩余能量在坝趾消力戽斗內逐渐向下游扩散，逐渐衰减，起到消能的目的。

根据计算结果，溢流坝布置如下：溢流坝段布置在河床中部，考虑防洪汛限水位210.50 m，为减小闸门尺寸，选择带胸墙的孔口泄流，堰顶高程208.00 m，设3孔10 m×6 m（宽×高）的弧形工作闸门，液压启闭机操作，溢流面宽度为34 m。下游堰面为y=0.043x2的抛物线，堰面曲线下游坝坡布置24级连续台阶，台阶宽0.9 m、高1.2 m，第一级台阶高程196.57 m，最末级台阶高程168.97 m，后接半径为R=15 m戽斗反弧段与台阶坡比1∶0.75切线连接。戽底高程162.50 m，与下游河床同高，挑角45°，戽唇高4.393 m，戽后接长10 m的护坦，护坦顶面高程163.50 m。溢流坝标准剖面见图1。

该工程坝基岩持力层为泥盆系薄-厚层状粉砂岩，坝基存在弱面缓倾角且倾向下游，消能防冲要求高，故消能防冲同大坝设计洪水标准为50 a一遇洪水，下泄流量为477 m3/s，相应下游水位175.026 m；大坝校核洪水标准为500 a一遇，下泄流量为840 m3/s，相应下游水位为175.711 m。坝下约100 m处原有一滚水坝，坝顶高程为172.00 m。

5 水工模型试验

为了进一步验证台阶+戽流组合消能是否可行，进行了水工模型试验，研究下游消能及河床冲淤情况，坝后下游河道动床范围为护坦末至滚水坝。台阶+戽流模型试验成果见表3，并根据试验结果分析如下。

（1） 当单宽流量小于 14 m3/（s·m）时，消能效果约66%～71%；当单宽流量不小于24.7m3/（s·m）时，消能效果减弱，约为51%。台阶坝面在中小流量时消能效果非常显著。

（2） 随着单宽流量逐渐加大，下游水位逐渐升高，消力戽水流流态从淹没戽流逐渐形成稳定戽流，见图2～4。

（3） 下泄50 a一遇洪水戽后动床无明显冲刷（图3），最大底部流速为2.65 m/s。滚水坝后中底流速5 m/s左右。下泄500 a一遇洪水时，护坦后动床有一定程度的冲刷，最大冲刷发生在戽后20 m处，冲深高程162.7 m，戽后15～16 m范围发生回淤，淤积高程约为167.0 m（图5），冲刷坑后坡约1∶7。最大底部流速为4.14 m/s，滚水坝后底部流速达5.00～7.14 m/s。

水力学经验公式计算和水工模型试验结果对比见表4。由表4可知，台阶消能率计算值大于模型试验值，戽流流态、冲坑深度及距离的试验值与计算值基本吻合。

6 结 论

（1） 本文通过水力学计算和水工模型试验研究验证，两者结果趋势基本吻合，说明水力学计算成果可靠，可直接应用在该工程设计中。

（2） 计算和试验成果表明，工程拟定的消能工尺寸、选择台阶+戽流组合消能方案技术可行、经济合理。

（3） 根据水工模型试验成果，调整了消能防冲设计。因原有滚水坝后的水流为急流流态，下泄50 a一遇洪水时，底部流速为5 m/s，略大于粉砂岩的抗冲流速，因此，下游滚水坝两侧增加护岸，滚水坝面板及坝脚处采取加固措施。

参考文献：

［1］ 钱丽云，任苇.戽流与挑流联合消能工在狭窄弯道河段水电工程中的应用［J］.西北水电，2016（1）：48-50.

［2］ 张永涛.台阶式消能的水力特性及计算［J］.中南水力发电，2003（2）：9-14.

［3］ 贾洪涛.台阶形式对阶梯溢洪道水力学特性的影响研究［J］.中国农村水利水电，2019（10）：148-157.

［4］ 华鹏飞，刘勇，巩绪威.嘉陵江上石盘电航枢纽戽流消能设计研究［J］.甘肃水利水电技术，2014，50（5）：42-49.

［5］ 符博慈.戽流消能在堡口工程中的应用［J］.湖南水利，1998（1）：9-11.

［6］ 李炜.水力计算手册（第2版）［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［7］ 谢景惠.面、戽流消能水面衔接分析与算式［J］.武汉水利电力大学学报，1995，28（1）：22-27.

［8］ 陈国平.戽流跃后临界水深计算方法的应用［J］.东北水利水电，2004（12）：16-18.

［9］ 石自堂.消力戽戽流界限水深计算［J］.武汉水利电力大学学报，1994，27（5）：537-541.

［10］ 劉志明，温续余.水工设计手册（第2版）.第7卷，泄水与过坝建筑物［M］.北京：中国水利水电出版社，2014.

［11］ 杨吉健，刘韩生，张峰，等.台阶式溢洪道消能规律［J］.排灌机械工程学报，2015，33（2）：123-127.

［12］ 戴涓，黄连芳，刘明.四川省官帽舟水电站泄洪建筑物水工模型试验研究［J］.水利水电快报，2021，42（12）：101-106.

（编辑：李 慧）

Design of steps and bucket flow combined energy dissipation for overflow dam in Lujiang Reservoir of Hunan Province

ZHENG Yonglan 1，ZHANG Biao2

（1.Hunan Water Resources & Hydropower Survey，Design，Planning and Research Co.，Ltd.，Changsha 410007，China； 2.Hunan Provincial Xiangshui Group Co.，Ltd.，Changsha 410004，China）Abstract：

To study the feasibility of steps and bucket flow combined energy dissipation for overflow dam in Lujiang Reservoir，considering the characteristics of this project，two schemes，including steps and bucket flow combined energy dissipation and step and stilling basin combined energy dissipation，were analyzed comprehensively.The steps and bucket flow combined energy dissipation scheme was selected for its good energy dissipation effects and low investment.The methods for height and length design of the steps and size determination of energy dissipation bucket on overflow dam surface，and the hydraulic calculation and model test for the state，energy dissipation rate and bucket energy dissipation of the flow passing the steps on the overflow dam were demonstrated.It showed that the results of hydraulic calculation and physical experiment were consistent，so the design of steps and bucket flow combined energy dissipation was reasonable and feasible.

Key words：

energy dissipation design； steps and bucket flow combined energy dissipation； overflow dam； hydraulic model test； Lujiang Reservoir

收稿日期：

2022-07-12

作者简介：

郑永兰，女，高级工程师，硕士，主要从事水工结构设计工作。E-mail：23501851@qq.com