中小型拱壩泄洪消能水力設計研究與應用述評

摘 要：當前我國經濟高質量發展，水工建筑也得到了大力發展。水工建筑物的泄洪消能水力設計是水利工程建設的關鍵，決定了水工建筑的安全性和穩性，甚至決定了整個水利工程的安全運行。介紹了水壩結構泄洪消能評估方法，分析了中小型拱壩泄洪消能水力設計，探討了水工建筑物泄洪消能設計結果的應用。

關鍵詞：水工建筑物；泄洪消能；水力設計

中圖分類號：TV135.2 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）09–0-03

在水利水電樞紐工程中，需充分考慮其泄洪消能問題，尤其是在設計環節，需對其泄洪消能水力設計進行優化[1-5]。而對于水利水電樞紐工程泄洪消能水力設計，需根據樞紐整體布置情況，合理選擇泄水建筑物及消能工等，進一步加強對下游河床及岸坡的保護等。在水利工程建設中，量大面廣的中小型水利工程在我國“四化”建設中起著重要作用，尤其對農業發展、城市防洪、城市給水、環境保護與旅游事業的發展等作用日益顯著。

1 水壩結構泄洪消能評估方法

1.1 確定評估目標和范圍

明確評估的目標（水壩結構的泄洪能力或消能效果），以及評估的范圍（如溢洪道、泄洪洞等）。

1.2 收集相關資料

收集水壩結構的設計資料、運行資料、泄洪歷史記錄等，了解水壩的基本情況、泄洪設施的設計參數、歷史泄洪情況等。

1.3 建立評估模型

根據評估目標和范圍，建立相應的評估模型。模型可以基于物理原理的水力計算方法，也可以利用計算機模擬技術建立水力模型[6-10]。

1.4 進行模擬計算

利用建立的評估模型進行模擬計算。模擬計算包括泄洪流量的計算、泄洪過程的水位和流量變化、洪水沖擊力的降低率等。

1.5 分析評估結果

根據模擬計算的結果，分析評估水壩結構的泄洪能力和消能效果。對比設計參數和實際運行數據，評估水壩結構是否滿足泄洪要求，是否存在安全隱患等。

1.6 提出改進建議

根據評估結果，提出相應的改進建議，如優化泄洪設施的設計、加強泄洪設施的維護和管理、提高水壩結構的泄洪能力等[11-15]。

2 中小型拱壩泄洪消能水力設計

2.1 工程概況

深水河水庫位于郁南縣通門鎮，集雨面積18.5 km2，原設計總庫容108.68萬m3，為?。?）型水庫。大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程148.50 m，最大壩高29.60 m，壩頂長度72.00 m，壩頂寬度1.60 m。溢流壩段位于河道中央，為無閘門控制開敞式實用堰，堰頂高程144.2 m，堰頂寬3.5 m。深水河水庫建于20世紀70年代，建設標準較低，缺少消能防沖措施，溢流壩段下游無水墊，沖坑靠近壩腳，基巖裸露，嚴重影響大壩的穩定。溢洪道下游河床為中風化—微風化石英云母片巖，強度較高，節理不發育。泄洪出口排水通暢，下游河床平均底高程為120 m，沖刷坑平均底高程118.6 m，沖刷坑距離壩腳最近處僅為6 m，沖刷嚴重。

2.2 消能防沖設計

為防止下游沖刷坑擴大，危及大壩安全，需采取防護措施[16]?，F狀溢流壩段消能方式為自由跌流，堰頂無改造成鼻坎的條件，難以使水流挑離壩腳，因此本次消能防沖設計以防護下游壩腳為主。目前拱壩跌流消能的方式以水墊塘+二道壩為主，但是也有很多工程采用的是“先沖后護”的方式，且工程至今運行良好，鑒于此，本設計提出3種設計方案以供比選。

2.2.1 方案一：人工水墊塘+二道壩

所謂人工水墊塘是在大壩下游修建全混凝土襯砌水墊塘，其能有效解決壩下沖刷的問題，但造價較高，為防止泄洪或暴雨時岸坡塌方或墜石落入水墊塘，有時還需對兩岸邊坡全部錨固或用混凝土護坡，還有的需設抽水、排水、檢修設施，增加了施工難度，初期投資及后期維護費用也較高。由于水墊塘內水流條件十分復雜，修建二道壩的理論不完善且無成熟經驗，一般根據類似工程經驗或水工模型實驗確定，中小拱壩采用人工水墊塘+二道壩缺乏經濟性。

2.2.2 方案二：先沖后護

由于壩址及岸坡基巖堅硬完整，具有優異的抗沖性能，當沖刷不直接影響大壩及其他重要建筑物時，可優先采取先沖后護法。若沖刷坑進一步加深，可自然形成足夠深度的水墊，確保岸坡穩定。采用此法時，由于下游水墊較淺，跌流初期濺射時間長，因此得以確保沖刷坑離壩腳有足夠距離，或者壩腳面層有可靠的防沖耐磨層。

2.2.3 方案三：壩腳短護坦

在壩腳與地基接合處采用剛性護坦防護，并在壩腳采用硅酸鹽水泥批蕩，使水庫在頻率較高的低流量工況下能得到有效防護，更符合小型水庫壩體防護的實際需求，因此推薦使用此方案。

2.3 跌流水力要素計算

第一，跌流射距計算根據《混凝土拱壩設計規范》（SL 282—2018）附錄A.5公式：

Ld=2.3q0.54z0.19（1）

式（1）中，q為泄水建筑物出口斷面的單寬流量（m2/s），本工程低水頭跌流不考慮向心集中影響；Ld為射距（m）；z為鼻坎至河床高差（m），本工程取24.2 m。各級流量計算結果見表1。根據規范要求，沖坑最低點距壩址的距離應＞2.5倍坑深，現狀坑深1.4 m，安全挑距應＞3.5 m，由于現狀沖坑距壩址6 m，因此挑距滿足要求。然而，水庫在低流量工況時泄洪的頻率更高，在流量＜19.50 m3/s時，跌流射距不滿足要求，為防止貼壁流與跌流對壩址造成危害，綜合防護的經濟型、必要性及現狀地形情況，選取水舌落點距離壩腳5 m處作為保護范圍，此時對應單寬流量q=1.38 m3/s。

第二，水墊深度計算。水舌沖擊區上游水墊深度可按下式估算：

td=0.6q0.44z0.34（2）

式（2）中，td為水墊塘底板或護坦上內側的水墊深度；其余符號意義同前文。計算得出上游水墊深度為

2.04 m，此時護坦承受的水壓力強度Pw=20 kPa。

第三，護坦沖擊流速計算。溢流開始時，水舌落點上下游有水位差，護坦上的沖擊流速按下式估算：

v1=4.88q0.15z0.2.75（3）

式（3）中，v1為對護坦的沖擊流速（m2/s）；其余符號意義同前文。計算得出護坦沖擊流速為12.30 m/s。水舌基本布滿河面時，水舌落點上、下游無明顯水位差，此時護坦上的沖擊流速按下式估算：

（4）

其中，vo=φ，β=arccos

式（4）中，ho為水舌落至水面時的厚度（m），ho=q/vo；vo為水舌落至水面時的平均流速（m/s）；β為水舌入射角，（o）；zo為上、下游落差（m）；g為重力加速度（m2/s）；φ為流速系數，取1.0。用試算法算出護坦沖擊流速為6.40 m/s。由于混凝土足以抵抗20 m/s的射流沖擊，因此跌流不會對護坦造成沖蝕破壞。

第四，護坦動水壓力計算。護坦上的動水壓力按下式估算：

Pd=（5）

式（5）中，Pd為動水壓力強度（kPa）；γw為水容重，取9.8 kN/m3；其余符號意義同前。

計算得出護坦動水壓力值為62.85 kPa。

第五，護坦脈動壓力計算。護坦上的脈動壓力按下式估算：

Pm=±αmγw（6）

式（6）中，Pm為脈動壓力（kPa）；vo為入水流速，（m/s）；

αm為脈動壓力系數，取0.1；其余符號意義同前文。計算得出護坦脈動水壓力值為±7.57 kPa。

第六，護坦浮力計算。假設護坦厚度為1 m，根據阿基米德原理計算其浮力：

Pf =γwt（7）

式（7）中，Pf為浮力強度（kPa）；γw為水容重，取9.8 kN/m3；

t為護坦厚度（m）；計算得出護坦浮力強度值為9.8 kPa。

忽略護坦混凝土與基巖之間的黏著力，綜上，溢流初期護坦承受壓力強度總和為P初=Pd=62.85 kPa，相應最大地基應力為P地=Pd+Pm+Ph=95.42 kPa（Ph為護坦自重強度，取25 kPa）；后期水墊形成后，護坦承受壓力強度總和為P后=Pd+Pw=82.85 kPa，相應最大地基應力為P地=Pd+Pm+Ph+Pw-Pf=105.62 kPa。已知護坦混凝土沖擊動水壓力允許值為（10～15）×9.8 kPa，因此護坦強度、水墊處基巖地基承載力均能滿足要求。

第七，護坦抗浮穩定計算。護坦所受揚壓力包括浮力與滲透壓力，滲透壓力由上下游及左右岸兩邊的水頭差向護坦滲透產生。滲透壓力的大小與護坦下和壩下的排水結構型式、基巖滲透性、泄流方式等因素有關，三向滲流問題數解相當困難。由于壩基及壩肩基巖呈弱透水性，且除險加固時已在壩基及壩肩進行純水泥帷幕灌漿，滲透壓力已影響不大，故可在護坦板上預留排水孔，使殘余滲透壓力消散，此次計算不再考慮滲透壓力的影響。抗浮最不利工況為瞬時溢流，此時下游未形成水墊，護坦所受向上的力為脈動壓力與浮力的疊加，則抗浮穩定系數Kw=Ph/（Pm+Pf）=1.44＞1.05，可見抗浮滿足要求。

綜上所述，在壩腳5 m范圍內使用護坦消能防沖是合理的，護坦與下游河床同寬，使用1 m厚C30混凝土，面層配筋，底部鋪碎石墊層。同時護坦預留Φ50排水孔，間距1.5 m。為防止溢流初期水流飛濺對壩腳造成侵蝕，在壩腳與護坦結合處以上2 m范圍內用硅酸鹽水泥批蕩。

3 水工建筑物泄洪消能設計結果應用

3.1 設計施工中防沖槽的改進

大多數水工建筑物泄洪消能工防沖槽設計施工中多為“梯形”，這種防沖槽施工簡單，在水流平穩的情況下不會出現水流問題，但會形成大的浪窩或浪坎，并逐漸上移至防沖槽下，危及防沖槽。本研究將原來的“梯形”防沖槽改為“四邊形”防沖槽，并進行加深處理（加深50 cm即可），實際運行效果明顯好于前者。

3.2 工程運行中的管理措施

運行時，泄洪消能工程處在一種復雜的水流狀態下，而對泄洪消能工程穩定威脅最大的也就是下端的沖刷坑，在運行中應做好以下3個方面，預防或減少出現泄洪消能工損壞的可能性。第一，盡可能地控制水流，使其平穩，避免出現過急水流或過大的橫向環流。第二，經常檢查消能工混凝土表面，及時修補混凝土中的剝蝕脫落部位，及時清除消能工中多余的堆積物（如石頭或大的淤積物），以保證水流平穩。第三，下游形成的沖刷坑，并已危及泄洪消能工時，如不能及時采取有效的搶修措施，可在護坦或海漫末端做潛壩，提高水位，減少水頭差，緩和沖刷破壞。

3.3 出現沖刷坑的維護方法

一旦出現危及建筑物的沖刷坑，應及時進行維護。在無水（水少）情況下，可采用打排樁砌土袋法。樁木直徑為20 cm左右，長度可視情況而定，樁深應在土下0.5 m以下，樁距為0.8～1.0 m，排距視情況而定。土袋裝成七分滿、封口，在堆砌土袋時，最外側土袋口應向內，并緊緊夾持木樁，形成土袋與木樁相互牽制，以防土袋過高時側向壓力過大動搖木樁。土袋應逐層鋪置，靠攏壓實，上下層袋縫錯開，并逐漸收縮，上邊用大塊石壓好或鐵絲網住，以防水流沖走土袋。在正常用水情況下，可采用拋石的方法進行臨時護砌。若水流過大，則可采用拋鐵絲石籠的辦法，石籠直徑在1 m以內，長度2 m左右，并連成一體。如果沖刷坑危及岸坡并已有坍塌，且難以及時維修，則可用土工織物（無紡布、苫布等）裹住松動岸坡，用拋石法壓住可阻止坍塌。

4 結束語

深水河水庫下游護坦修建完成后，有效解決了壩腳沖刷的問題，泄洪霧化也在可控范圍內。若依照溢洪道規范按10年一遇洪水標準進行防護，則護坦長度需修建至12.24 m，會造成浪費。因此對于小型拱壩來說，低流量高頻率的跌流對壩腳的沖擊更加值得重視，同時應結合下游及兩岸基巖情況，合理確定消能防沖的形式及防護范圍。

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收稿日期：2024-05-10

作者簡介：石墨川（1992—），男，廣西河池人，工程師，研究方向為水工結構。