寬尾墩-戽式消力池聯合消能在LZ水庫中的應用

聶思敏，李應周

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550002)

1 工程概況

貴州LZ水庫工程泄水建筑物為3級，重力壩正常運用時洪水重現期為50年(P=2%)，下泄流量分別1 690 m3/s；非常運用時洪水重現期為500年(P=0.2%)，洪水下泄流量2 550 m3/s；消能防沖建筑物洪水重現期為30年(P=3.33%)，下泄流量為1 490 m3/s。泄洪建筑物由溢流壩段溢流表孔泄洪。

溢流壩段位于壩身河床段，為有閘控制溢流表孔溢洪道。堰頂高程770 m，溢流前沿凈寬30 m，設有3孔10 m×10 m(寬×高)，分別設置檢修平板鋼閘門、弧形工作閘門，由液壓啟閉機啟閉。表孔中墩厚3 m，邊墩厚2 m。兩側導墻延伸至下游反弧段末端處和消力池邊墻相接，以保證泄流時水流不往非溢流壩方向擴散。

溢流堰采用WES型實用堰，堰頂下游的堰面曲線方程為：y=0.066 05x1.85，曲線接1∶0.7的斜坡段，之后接半徑為10 m的反弧段與溢洪道壩后直線段連接起來，反弧段挑坎高程751.458 m，挑射角54.98°。溢流面采用厚1 000 mm的C35鋼筋砼，溢流邊墻采用厚2 m的C25鋼筋砼。

若直接采用底流消能，結合下游河道地形布置，消力池建基面高程750 m，池底高程751.458 m，池頂高程770 m，長54.6 m。為節約工程量，充分利用下游水位較高的條件，提高消能效果，采用寬尾墩-戽式消力池聯合消能方案。寬尾墩消能工采用直線或曲線將閘墩尾部加寬，使出閘孔水流產生收縮，從而加強水流沿壩面的縱向分散和摻氣，消能效果良好[1]。

2 寬尾墩-戽式消力池設計布置

2.1 寬尾墩設置的必要條件

根據《水工設計手冊》(第七卷)1.6.6.2規定，寬尾墩的應用需要以深尾水為必要條件，表征下游尾水水深大小的參數：

hd/Pd>0.28

式中：hd為下游水位與消力池底板高程差，m；Pd為溢流表孔堰頂與消力池底板高程差，m。

計算結果見表1。

表1 hd/Pd計算表

由計算結果可知，滿足設置寬尾墩的必要條件。

2.2 寬尾墩尺寸擬定及消力池長度計算

鑒于各工程的水力條件不盡相同，目前對寬尾墩體型的優化設計暫不可能根據計算確定，仍需通過水工模型試驗予以確定。根據《水工設計手冊》(第七卷)1.6.6.2規定，初步擬定寬尾墩尺寸如下。

閘孔收縮比為:

ε=b0/B0

式中：b0為閘孔收縮之后的凈寬，m；B0為閘孔收縮之前的凈寬，m。

目前，推薦采用如下參數ε=0.30～0.50，已知B0=10 m，本次初擬ε為0.5，則b0=5 m。閘墩收縮率ξ=(1-ε)×100%=50%，滿足推薦采用參數ξ=50%～70%。

閘墩收縮角為：

θ=arctan((B0-b0)/2L)

式中：b0為閘孔收縮之后的凈寬，m；B0為閘孔收縮之前的凈寬，m；L為收縮段起點至閘墩末端的水平距離，m。

取L=10 m，計算θ=14.036°，滿足推薦參數θ=12°～20°的要求。

根據《水工設計手冊》(第七卷)1.6.6.3規定，寬尾墩消力池聯合消能的消力池長度可按未考慮寬尾墩計算的消力池長度的2/3考慮，已知未考慮寬尾墩的消力池計算長度為54.6 m，則寬尾墩消力池聯合消能的消力池長度L為36.4 m，本次設計實際取39.5 m。

消力池建基面高程750.0 m，池底高程751.500 m，池頂高程770.00 m，長39.5 m。消力池底板采用厚1.5 m的C35鋼筋砼，邊墻采用厚1.0 m的C35鋼筋砼。消力池末端與河道相接。消力池在壩橫0+029.525、壩橫0+048.525設置2道橫向伸縮縫。在壩橫0+0435.525設置消力墩為6個，消力墩尺寸為頂寬1 m，高4 m，底寬5 m，垂直于溢流表孔中軸線方向寬度為3 m。

3 寬尾墩-戽式消力池聯合消能模型試驗與優化

3.1 模型設計與制作

水力學模型試驗根據設計要求在已確定的樞紐總體布置設計條件下，研究下游底流消能效果、下泄水流對兩岸的沖刷。研究寬尾墩-戽式消力池聯合消能對本工程的適應性和經濟合理性，必要時對原設計方案優化。

根據試驗及《水工常見模型試驗規程》(SL 155-2012)的要求，確定該工程水工模型采用正態整體模型，按重力相似準則[2-3]設計，從試驗場地、循環水的供水條件和目前的量測手段及該次試驗的要求出發 ,經反復比較,選定水工模型的幾何比尺Lr=1∶50。

上游庫區地形取壩址以上180 m，庫區地形高程模擬至790 m，下游地形取壩址以下200 m左右，地形高程模擬至785m，按該工程壩址地形圖(1∶500)制作。對沖坑范圍內采用散粒體碎石按河道地形模擬基巖，并按設計提供的巖石不沖流速3 m/s選擇散粒體粒徑。模型地形部分采用斷面板法控制水泥砂漿抹制。溢流壩用樣板控制，磚砌、水泥砂漿抹制而成

3.2 原方案下游流態及沖刷

溢流表孔水流流至消力池后，由于下游水位較高，在消力池內未發生水躍，底部水流撞擊消力池內壩橫0+43.525消力墩后上涌，在左右岸坡形成涌浪，涌浪范圍主要分布在壩橫0+30～0+80左右岸坡。受兩岸地形的影響，部分上涌水流在左右岸形成回流。壩橫0+80后下游河床內水流趨于平穩。各級流量下下泄水流對消力池下游河床均造成沖刷，在P=0.2%(Q=2 550 m3/s)下游最大沖刷坑深度3.73 m。下游沖刷成果見表2。

表2 原方案下游沖刷成果表

原方案試驗中，各級流量下下泄水流均對下游造成沖刷。為改善下泄水流對消力池下游的沖刷情況，有必要對消力池內消能工設施進行修改優化。

3.3 修改優化方案下游流態及沖刷

修改優化方案在原方案基礎上修改如下：在下游消力池壩橫0+54.525處增設一排消力墩，增設的消力墩為5個，增設消力墩尺寸為頂寬1 m，高3 m，底寬4 m，垂直于溢流表孔中軸線方向寬度為3 m，與第一排消力墩相間布置。

溢流表孔水流流至消力池后，各級流量下在消力池內未發生水躍，底部水流撞擊消力池內消力坎后上涌，在左右岸坡形成涌浪，涌浪范圍主要分布在壩橫0+30～0+80左右岸坡。受兩岸地形的影響，部分上涌水流在左右岸形成回流。各級流量下，消力池及河床中流速較原方案有所降低，壩橫0+80后下游河床內水流趨于平穩，流速較低，表明消力池內水流能量消耗充分。

在P=3.33%(Q=1 490 m3/s)及P=2%(Q=1 690 m3/s)兩級流量下，對消力池下游河床未造成沖刷；在P=0.2%(Q=2 550 m3/s)流量下，下游最大沖刷坑深度1.54 m，各級流量下的下游沖刷成果見表3。

表3 修改方案下游沖刷成果表

4 結 語

寬尾墩-戽式消力池聯合消能對水流消能作用顯著，可以縮短池長，節約工程量，降低工程投資。通過模型試驗結果可以看出，寬尾墩-戽式消力池聯合消能中設置雙排消力墩相對于單排消力墩，可以更好地改善下游沖刷。寬尾墩+戽式消力池+雙排消力墩這種組合消能型式較好解決了該工程消能防沖問題，可為同類型工程設計提供參考。