水库溢洪道消能设计分析

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摘要：本文阐述了水库溢洪道消能设计的重要性，分析了常用消能工的各种型式及其特点，讨论了消能型式选择的原则和方法，并结合实例说明了溢洪道消能设计和消能率复核的方法。

关键词：水库；溢洪道；消能设计

溢洪道是水库泄水建筑物。为了保证水库大坝安全，宣泄超过规划库容的洪水，防止洪水溢坝，必须设置溢洪道。溢洪道下泄水流能量巨大，若不经妥善处理，必会导致下游河床受到严重冲刷，甚至可能引起岸坡坍塌、大坝失事的灾难性后果，所以又必须设置消能设施。溢洪道消能设计主要基于能量转换原理，通过造成水流内部紊动漩滚、水股之间扩散碰撞、水流与固体边界摩擦撞击、水流与周围空气摩擦掺混等途径，消耗水流动能，减轻对下游河床的冲击和破坏。《溢洪道设计规范》（DL/T 5166-2002）在其条文说明5.5.1条中列出了4种消能型式，即底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能。目前，水库溢洪道使用比较多的是挑流消能和底流消能，据统计两种型式比例分别达到85%和15%。随着水利水电工程实践的发展，近年来出现了一些新的消能型式，例如引入T型墩、宽尾墩、台阶式消能、多种消能型式复合等。水利工程与当地自然地理、气候条件、水文地质等关系很大，因势利导、因地制宜的特点非常突出，反映在溢洪道消能设计方面也是百花齐放、各具特色，因此如何选择溢洪道消能型式、怎样进行消能防冲设计是一个常讲常新的话题，本文就此进行了分析和探讨。

1 溢洪道消能型式选择

1.1 消能型式选择原则

消能型式应满足技术经济原则。从技术上讲，应选择先进、可靠、安全、消能率高的型式，例如戽流消能虽具有消能效果好、体积小、工程量少、施工方便等优点，但国内几乎没有溢洪道戽流消能案例[1]，理论研究和工程实践都不成熟，所以不应成为首选。从经济角度考虑，工程量要小、造价适中。溢洪道是特定条件下使用的泄水建筑物，一般不会使用很频繁，因此在保证安全可靠的前提下，没有必要设计的过于复杂，为了提高经济效益，应选择简洁、高效的型式，这样有利于控制成本。

1.2 消能工型式选择方法

4种主要消能型式的优缺点、适用范围如表1所示。

在考虑消能工型式时，主要从地形条件、地质条件、泄流条件以及运行方式、下游水深、河床抗冲能力、下游水流衔接、泄流雾化影响等方面综合考虑。由表1可见，面流消能和戽流消能适用于下游水深较大的场合，而挑流消能和底流消能对这方面的要求不高，所以通过水利计算得到的消能所需的下游水深-单宽流量的消能率定曲线，与根据下游水位流量关系绘制的下游水深-单宽流量的尾水率定曲线进行比较，可以判断选择哪一类消能型式更适合。

图1为某水库开敞式无闸门溢洪道建消力池前消能率定曲线与尾水率定曲线。可见由于河道较宽，任何流量条件下溢洪道满足消能所需的下游水深始终大于尾水深度。由于尾水深度不足，显然不适合采用面流消能和戽流消能型式，所以应在挑流消能和底流消能之间进行选择。再结合地质情况，因为地表依次为耕作土层、粉土层、强风化岩层和中风化岩层，总厚度达8～15m，抗冲条件较差。再加上水头较小，其下泄校核标准流量的挑距为31m，冲刷坑深度达11.8m，存在严重安全隐患，所以选择挑流消能型式也不适合，只有选用底流消能型式了。

2 溢洪道消能防冲设计

2.1 消能结构设计

仍以前述水库溢洪道为例。底流消能设计保证池内形成稳定的水跃是非常关键的环节。根据尾水深度与水跃跃后水深的关系，下泄水流可能出现远驱、临界和淹没水跃三种衔接流态。临界水跃消能效果最高，但状态不稳定，可能会产生远驱水跃，所以要设计成一定淹没度形态的水跃。当淹没度取σ=1.05～1.10时，流态稳定，消能效率也较高[2]。为了避免远驱水跃，又不希望增加护坦长度，可在护坦末端设置消力坎，也可通过降低护坦高程来形成坎前消力池，还可以将两种措施结合起来形成综合消力池。消力池横断面一般采用矩形，而且大多情况下采用等宽矩形断面。为了适应尾水位的变化，护坦前段可设计成斜坡形式。也可采用多级消力池形式，能较好适应下游河床与消力池之间的高度差。当跃前断面平均流速不超过15m/s时，可通过设置辅助消能工增强消能效果，并缩短池长。如设置趾墩、消力墩和尾坎。但跃前流速大于15m/s时，辅助消能工容易受到空蚀破坏，所以不适宜再采用这种型式。护坦是为了保护河床不受高速水流的冲刷破坏，所以护坦长度应能涵盖水跃跃尾，其厚度必须满足稳定要求，保证不会上浮。为了提高稳定性，可设置锚筋并插入基岩1.5～3m。护坦厚度既可等厚，也可以上游厚一些，下游薄一些。为了防止护坦混凝土开裂，应设置温度伸缩缝。为了减轻护坦底部扬压力，可设置排水系统。水流速度较高时，护坦应采用抗蚀混凝土浇灌。

2.2 消力池消能率复核

前述水库的设计洪水标准为30年一遇，其校核洪水标准是300年一遇。由于溢洪道为4级，也就是设计与校核洪水标准与水库大坝一致，这个标准对溢洪道来说有些偏高，会造成一定浪费，所以将消能防冲设计标准进行了调整，设计洪水标准30年一遇不变，校核洪水标准改为100年一遇。经过计算，溢洪道设置2.2m深消力池，在设计洪水标准状态下，下泄洪水流量是191m3/s，单宽流量是7.64 m3/s・m。由图2可见，此时尾水率定曲线都在消能率定曲线之上，说明水跃完全可以被淹没，消能效率达到100%。校核洪水状态下，下泄洪水流量为375 m3/s，单宽流量是15 m3/s・m，尾水率定曲线与消能率定曲线有交叉，小部分尾水率定曲线在消能率定曲线之下，消能效率达到93.6%。溢洪道校核洪水标准下，下泄洪水流量为552 m3/s，单宽流量为22.1 m3/s・m，此时有更多部分的尾水率定曲线在消能率定曲线之下，但消能效率仍可达到80%。按照国内外工程实践，消能效率达到80%以上一般就能满足安全需要，故此消力池消能率已达到设计要求。

3 结语

水库溢洪道消能效果关系到水库大坝的安全，所以消能设计应达到消能效果好、结构可靠、方便检修等目标要求。合理选择消能型式是实现技术、经济统一性的前提，而结构设计是落实设计思想的重要环节，希望本文所作分析讨论能对读者有所启发和可提供参考。

参考文献：

[1] 李红艳，刘耀宗. 奈曼旗山区小型水库溢洪道及消能工型式选择[J]. 内蒙古水利，2014（2）：45-46.

[2] 林继镛，王光纶. 水工建筑物[J]. 第5版. 北京：中国水利水电出版社，2009.