跌流加底流二級消能中兩個消力池尺寸的設計計算

侯賢貴

跌流加底流二級消能中兩個消力池尺寸的設計計算

侯賢貴

（廣東省惠州市華禹水利水電工程勘測設計有限公司，廣東惠州51600）

消能建筑物能最大限度的消除水庫下泄洪水的能量，以起到保護水庫工程和下游河道的安全，常見的消能方式有挑流消能、底流消能和面流消能3種。赤沙水庫的消能方式比較特殊，采用二級消能，第一級為不常見的跌流消能，第二級為常見的底流消能；以此為例，分析計算了兩種方式下消力池的尺寸，以期在工程運行中檢驗。

溢洪道；底流消能；跌流消能；消力池；設計計算

0 引 言

水庫工程通常包括三大建筑物，即擋水建筑物、泄水建筑物和取水建筑物；泄水建筑物是保障水庫工程安全的重要設施，當水庫水位超過防洪限制水位時便開啟泄水建筑物用于宣泄洪水。下泄水流的流速高、能量大，具有相當大的沖刷破壞能力，為防止其給下游河道帶來較大的安全隱患必須設置消能設施。目前，國內外采用的消能方式多種多樣，常見的有挑流消能、底流消能、面流消能及戽流消能；根據張志恒等人對國內347座大中型水庫工程的統計，三種型式分別占58%、33%和5%，其余4%為其他不常見的型式［1］。文章研究的水庫溢洪道采用二級消能，第一級為跌流式消能方式，第二級為底流式消能方式，其中第一級消能為不常見類型，兩種消能方式的消力池的尺寸設計是研究的重點。

1 工程簡介

赤沙水庫位于海豐縣黃江流域下游的白沙溪支流上，距海豐縣城約25 km，距汕尾市城區約15 km，水庫集雨面積23 km2。赤沙水庫于1958年8月動工，1960年9月竣工蓄水運行，原設計總庫容1935× 104m3，是一座以灌溉為主、結合防洪、防澇的中型水利樞紐工程。由于年久失修，2010年11月對其進行了安全鑒定，包括對現有泄流建筑物中消力池的尺寸的分析計算。

赤沙水庫溢洪道位于主壩左岸，按照水流方向依次為：進口段長16 m，1∶8的反坡；控制段，為開敞式寬頂堰，長12 m；第一級陡槽段，長49.5 m，坡度1∶8；水流在一級陡槽段末端跌落至一級消力池，長11.5 m，池深1.8 m；水平段，長89.2 m；第二級陡槽段，長12m，坡度1∶2；二級消力池，長8 m，池深1.2 m；然后接出水渠；以上所有段的凈寬均為35 m。

2 基本資料

2.1 流量資料

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252—2000）和《溢洪道設計規范》（SL253—2000）的規定，赤沙水庫的消能防沖建筑物的洪水標準采用30 a一遇，通過調洪演算此設計流量為119.9 m3／s［2-3］。

2.2 水位資料

本設計計算中，水面線從下游往上游推算，即從出水渠進口處往上游推算，因此，需要出水渠進口處的水位資料；出水渠的水位流量關系采用明渠均勻流公式計算（公式詳見相應規范），將流量劃分為10個等級，各等級流量對應的水位值見表1［4］。

表1 各級流量對應出口河道水位成果表

3 設計計算

3.1 二級消力池尺寸復核

二級消能采用底流消能，其計算公式參考《水閘設計規范》（SL265—2001），如下：

式中：Frl為收縮斷面弗勞德數；h1為收縮斷面水深；v1為收縮斷面流速；h2為躍后水深；L為水躍長度；d為計算池深，m；σ為水躍淹沒度，可取σ＝1.05；ht為消力池出口下游水深；△Z為消力池尾部出口水面跌落；Q為流量；b為消力池寬度；φ為消力池出口段流速系數，取0.95。v為陡槽末端斷面平均流速，≈v1；Z0為陡槽末端斷面水面以上的水頭；φ為流速系數，近似取為1.0。

通過試算，二級消力池在不同流量下所需尺寸詳見表2。根據計算成果，二級消力池所需池長12.49m，池深1.14m；現狀條件下，池深滿足要求，池長不滿足。

3.2 一級消力池尺寸復核

一級消力池為垂直式跌水墻，其計算公式參考《水力計算手冊》（第二版），有：

式中：ld為跌落水舌長度；hc為收縮水深；hc″為躍后水深；lj為水躍長度；s為池深；ls為池長；Q為流量；q為單寬流量；P為墻高，為1.8m；ht為池后水深。

采用能量方程按分級流量從二級消力池陡坡起點的臨界水深推算至一級消力池的出口作為池后水深。按分級流量計算得各流量的池深和池長，成果見表 3。根據計算成果，一級消力池所需池長9.297m，池深1.728m；現狀條件下，池深和池長均滿足。

表2 各級流量對應二級消力池尺寸成果表

表3 各級流量對應一級消力池尺寸成果表

4 結論與建議

文章所研究的跌流式消力池較少見，赤沙水庫溢洪道采用此類消能型式完全是用地條件所決定的，因此，在設計中盡量避免采用此類消力池；而本文所研究的底流式消力池卻很常見，尤其是在水閘等低水頭泄流建筑物中更常見；對于地形條件適合建挑流消能設施時，盡量選擇挑流消能方式，此類方式投資省、消能效果好。

在跌流式和底流式兩種消能方式的消力池尺寸計算中，并非流量越大所需要的池長和池深也越大，比如本次計算案例中，跌流消力池的池深最大值出現在0.4倍設計流量時。為解決此類問題，在設計計算中通常將設計流量分為10級，分別計算，最后取最不利的情況作為設計值。

［1］張志恒，王瑞彭，汪永真.我國高壩樞紐布置與泄洪消能技術進展綜述［J］.西北水資源與水工程，1991（01）：1-15.

［2］中華人民共和國水利部.SL252—2000水利水電工程等級劃分及洪水標準［S］.北京：中國水利水電出版社，2000.

［3］中華人民共和國水利部.SL253—2000溢洪道設計規范［S］.北京：中國水利水電出版社，2000.

［4］中華人民共和國水利部.GB50288—99灌溉與排水工程設計規范［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.

Design and Calculation of Size of Two Stilling Pools in Drop Flow and Underflow Energy Dissipation

HOU Xian-gui
（Huayu Water Conservancy＆Hydropower Project Investigation and Design Limited Company，Huizhou 516003，China）

Energy dissipation structure can maximize the elimination of reservoir flood of energy to protect the reservoir and downstream channel safety engineering.The common energy dissipation contain three types of energy dissipation including ski-jump，hydraulic jump and surface regime.Energy dissipation of Chisha reservoir is a special way using level 2 of energy dissipation.The first level is uncommon drop flow energy dissipater and the second level is the common hydraulic jump energy dissipation.Taking it as an example，the size of stilling pool of the two ways were analyzed and calculated for checking in similar engineering projects.

spillway；hydraulic jump energy dissipation；drop flow energy dissipation；absorption basin； design calculation

TV653.1

A

1007-7596（2015）07-0023-03

2015-06-28

侯賢貴（1983-），男，湖北荊門人，工程師，從事水文規劃和水工設計方面的工作。