某大型水利樞紐泄水建筑物的消能防沖設計

甘文寧

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

1 工程概況

某水利樞紐工程位于西南地區，是一座以防洪為主，兼顧發電、航運等綜合效益的大（2）型水利工程，水庫總庫容為8.5×108m3，防洪庫容7.8×108m3，水庫設計洪水標準為500 年一遇，校核洪水標準為2000 年一遇[1]。水庫正常蓄水位為163.00 m，汛限水位為153.00 m，設計洪水位、防洪高水位均為186.8 m，校核洪水位為186.94 m。樞紐主要建筑物有擋水壩（混凝土重力壩）、泄水建筑物、發電廠房、船閘及魚道等。位于擋水前沿的溢流壩為2級建筑物，消能防沖建筑物設計洪水標準采用50年一遇[1]。

2 消能型式選擇

目前工程上常用的消能型式主要有挑流、面流、戽流、底流及其他輔助消能工，消能型式的選擇應考慮以下因素：設計水頭、設計流量、河床地質條件、泄水建筑物分區及運行調度方式等。從水頭及流量角度分析，本工程泄洪流量大，50 年一遇、100年一遇、500 年一遇及2000 年一遇的泄洪流量分別達14 400、16 500、21 200、24 114 m3/s；泄洪總水頭變幅較大，泄洪時上游水位變化范圍為153.00 m（汛限水位）～186.94 m（校核洪水位），下游水位變化范圍為133.94～161.30 m，較難滿足形成面流和戽流的水位條件；同時，從泄水孔體型角度分析，本工程泄水孔堰頂高程為138.00 m，下游河床高程約為133.50 m，堰體高度較低，在上游低水位時較難形成挑流。從通航安全和水輪機運行角度分析，本工程上、下游有航運要求，通航安全對水流條件有較高的要求，挑流、面流和戽流消能的下游水流銜接型式復雜多變，不易控制，下游水位波動較大，較易產生不穩定的水流流態，將直接影響船舶航行安全和水輪機的平順運行。從河床地質條件分析，溢流壩段基巖主要為含礫泥質粉砂巖夾含礫泥質砂巖，巖石的軟化系數為0.50～0.74，下游河床巖石不能滿足某些高水頭、大流速工況的抗沖要求，需修建消力池。綜上分析，本工程消能型式不宜采用挑流、面流和戽流消能，應采用底流消能。

3 消能防沖計算

根據樞紐防洪運行調度規則，樞紐在啟用防洪庫容將庫水位蓄至防洪高水位186.80 m 后下泄洪水時對消能防沖最不利。因此，本階段在進行消能防沖設計計算時，當下泄流量Q≤21 200 m3/s 時，上游水位取186.80 m，最小下泄流量Q=1000 m3/s；當Q＞21 200 m3/s時，上游水位取調洪水位。

3.1 閘門控制運行方式

消能防沖建筑物設計計算應結合閘門控制運行方式來進行，使得消能防沖單寬流量盡量減少，達到優化建筑物布置及節省投資的目的。由于泄洪孔口孔數較多，考慮啟閉設備配電容量、閘門及啟閉設備檢修維護等因素，在消能防沖設計時不考慮所有泄洪孔口全部同時均勻開啟，而是由少到多逐步開啟，且同時開啟的孔數不宜過多。

3.2 設計計算

為了便于檢修及減少開挖量，泄水建筑物采用綜合式消力池進行底流消能。底流消能水力計算（坎高c、池深S、池長L）參考《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2018）及《水力計算手冊》（第二版）的相關內容[2，3]。

根據樞紐布置，本工程消力池下游混凝土護坦頂高程為133.50 m，電站小機組發電流量Q為124.4 m3/s時，對應的下游水位為134.29 m。綜合考慮坎后水躍條件及消力池檢修等因素，將消力池尾坎高度c取0.5 m，坎頂高程為134.00 m，略低于電站小機組發電時的下游水位，在消力池一般檢修時可通過在坎頂臨時堆放粘土麻袋圍堰擋水的方式進行檢修。

3.3 計算成果

消力池的坎高c 取0.5 m，在防洪高水位工況下，根據不同閘門開啟方案（孔數及開度）下泄的流量及產生的水躍形態，通過試算可確定閘門的開啟方案、消力池池深S和池長L，結果見表1。

表1 防洪高水位工況消力池坎高、池深及池長計算成果表

由于永久性泄水建筑物的級別為2 級，對應的消能防沖設計的洪水標準為50年一遇，相應最大下泄流量為14 400 m3/s。根據表1 的計算結果，消能防沖設計以10 孔開啟9.1 m 作為設計工況，其綜合式消力池的坎高c 取為0.5 m，池深S 取為7.5 m，計算池長L 取為132.4 m。下游混凝土護坦長度根據坎后水躍長度計算成果取為56.0 m。

4 消能防沖建筑物布置及排水方案選擇

4.1 消力池布置

結合溢流壩及消力池尾坎的結構布置以及水工模型試驗成果，消力池總長為136.0 m，凈寬132.0 m，池深7.5 m，底板頂高程126.00 m，尾坎高0.5 m，尾坎頂高程134.00 m；消力池下游設置混凝土護坦，長取70.0 m，寬140.0 m，護坦頂高程133.50 m，具體布置見圖1。

4.2 消力池排水方案比選

為保證消力池底板抗浮穩定，消力池需設置排水措施。本階段對消力池底板排水措施進行了自排和抽排兩種方案的比較。

圖1 溢流壩消力池底板結構布置圖

自排方案的消力池底板抗浮穩定工程措施主要為：基巖鉆排水孔、消力池底板底部設置排滲盲溝、底板設置排水廊道、排水出口設置在消力池邊墻及縱向圍堰位于水躍收縮斷面處；利用底板自重及錨筋樁錨固進行抗??；底板分縫設置雙層止水防止脈動壓力串入底板底部造成底板上抬。該方案正常運用工況底板揚壓力折減系數取0.85，排水失效工況揚壓力折減系數取1（該方案排水廊道不具備日常檢修條件）[4]。

抽排方案的消力池底板抗浮穩定工程措施主要為：基巖鉆排水孔、消力池底板底部設置排滲盲溝、底板設置灌漿排水廊道、設置兩處集水井將基礎滲水抽排至下游、消力池周邊設置防滲帷幕并與大壩擋水前沿的防滲帷幕封閉；主要利用底板自重進行正常運用工況的抗浮，止水或排水失效等非常運用工況的抗浮穩定則考慮錨筋樁錨固的作用，底板分縫設置雙層止水防止脈動壓力串入底板底部造成底板上抬。該方案正常運用工況底板揚壓力折減系數取0.4，排水局部失效工況揚壓力折減系數取0.6[4]。

經底板抗浮穩定計算，兩個方案的消力池底板尺寸及錨筋樁設置見表2，主要工程量及投資差見表3。

表2 自排方案及抽排方案消力池底板尺寸及錨筋樁設置表

表3 自排方案及抽排方案消力池主要工程量及投資比較表

由表3 可知，抽排方案比自排方案節省投資約2302 萬元，抽排方案優于自排方案。因此，選擇抽排方案作為本工程消力池底板排水的推薦方案。

4.3 消力池防滲及排水設施布置

擬在消力池底板設置縱橫交錯的排水廊道及排水盲溝，消力池周邊設置灌漿排水廊道及防滲帷幕，消力池防滲帷幕與樞紐擋水前沿溢流壩的防滲帷幕形成封閉體系。為使擋水前沿溢流壩抽排體系與消力池抽排體系相互隔離，在消力池帷幕灌漿施工完成后需對其與擋水前沿溢流壩灌漿排水廊道聯通的部分進行封堵。消力池底部排水以混凝土縱向圍堰為分界，分左右側進行排水，左側的水排至位于主廠房底部的集水井，右側的水排至位于船閘上閘首左側連接段底部的集水井，集水井均可通過單獨的交通豎井連至地面。

5 結語

本文以西南地區某大型水利樞紐為例，對其泄水建筑物進行消能防沖設計，以50年一遇下泄流量14 400 m3/s 為設計洪水標準，推薦采用底流消能型式和綜合式消力池。根據樞紐防洪運行調度規則及閘門控制運行方式進行消能水力計算，并結合消力池檢修條件、結構布置及水工模型試驗成果確定本工程綜合式消力池坎高0.5 m，池深7.5 m，池長136.0 m，下游混凝土護坦長70.0 m。根據消力池底板抗浮穩定的計算結果布置自排和抽排兩種消力池排水方案，推薦采用抽排方案，在消力池周邊設置灌漿排水廊道及防滲帷幕，與樞紐擋水前沿的溢流壩防滲帷幕形成封閉體系。