狭窄地形处的消能工体型研究曹晨曦

狭窄地形处的消能工体型研究曹晨曦

曹晨曦

肇庆市水利水电勘测设计院有限公司广东肇庆526000

摘要：水库工程泄洪建筑物洞线的选择是一座水库工程前期设计工作的重要组成部分，本文介绍在洞线出口与下游河床存在较大夹角的情况下，消能形式的选择及消能工体型的设计思路，并结合模型试验对拟定的消能工进行验证及优化调整，最终确定出较为合理的消能工体型。

关键词：底流消能；弯道消力池；消能工体型

云南省MM水库工程采用面板堆石坝挡水，坝肩溢洪洞和右岸泄洪输水隧洞联合泄洪的方式。水库工程等别属Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级。水库设计洪水标准为重现期50年一遇，校核洪水标准1000年一遇，泄洪建筑物消能工按照30年一遇洪水设计。

1、工程布置

泄洪输水隧洞布置于右岸，由导流洞采用“龙抬头”型式改造而成，汛期最大泄量为200.2m3/s。隧洞轴线为曲线布置，由进口段、竖井闸室段、斜洞连接段、洞身段、出口闸室段以及挑流段组成，全长476.35m，结合段设计底坡i=5.87%。隧洞断面为直径4.0m的有压圆型断面，采用0.5m厚钢筋混凝土衬砌。

根据现状河道走势，隧洞轴线与下游河道轴线存在约43°的夹且河床较窄（如图2所示）。隧洞出口消力池前端位置建基置于阿龙组下亚组（Ptaa）片麻岩弱风化层，厚层状，坚硬完整，稳定性较好。沿线不良物理地质现象发育较弱。河床两岸出露岩体均为弱风化，无断裂构造及褶皱发育，节理裂隙较发育，但大部分呈闭合状，不利结构面组合少。无软弱夹层，地质条件整体较好。

水库在下泄30年一遇消能设计洪水时，挑射距离较远，会对消能工对面的岸坡造成冲刷淘蚀，引起岸坡失稳。直线消力池受场地限制亦难以满足消能效果，故考虑闸门后消能建筑物根据现状地形确定采用底流消能方式，在隧洞布置弯道消力池鉴于下泄高速水流过渡流态相当复杂，参照工程经验及规范要求，对本方案进行模型试验研究。

本次研究的内容即为结合试验确定底流式消能工体型。

2、初拟消能工体型

根据《水闸设计规范》利用理正岩土程序计算各个特征水位下的泄流量、出口处的流速水头、测压管水头等参数作为底流消能计算的基础数据，计算结果如表1所示：

表1水位~流量关系表

设计转弯半径取水面宽度的10倍，设计轴线转弯半径取R=120.0m，两侧边墙分别由直线段和2段圆弧段组成，各段平滑连接。水流自闸门后开始扩散，通过12.0m长的水平段扩散至5.0m的宽度。后接水平投影长48m的斜坡段，坡度为1：4，底板由689.92m降至消力池首端，底板高程677.92m，宽度增至为约11.5m。考虑泄洪输水隧洞控制泄洪流量，消力池段全长需55.0m可完成设计标准下的各个工况的水跃消能，消力池深5.1m，末端宽度12.0m。

由于本工程消力池为弯道消力池，规范消力池计算公式适用于直线型消力池，计算结果应经过模型试验的论证。

3、消能工试验验证

在工程初设阶段由南京水利科学研究院水文水资源和水利工程重点试验室对泄洪输水隧洞（重点为初拟的消能工部分）进行了1：20的模型试验研究。

经过试验：消力池斜坡段由于流道顺直水流相对平顺，转弯过程中，水流受到离心力作用，导致外侧水深加大，内侧水深减小，造成断面内的流量分布不均，左侧水面溢出边墙，爬上对岸上坝公路及山体，水流被迫改变方向，产生剧烈冲击波，转弯段水流流态复杂，闸门局部开启时下泄水流冲击消力池弯转边墙跃起更为激烈，流态恶劣未见好转迹象。

经过试验，初拟的消能工体型存在流态恶劣的问题，为改善消力池中水流的流态，试验进行了数次优化，对消力池的结构作出一系列的调整，以将水流完全约束在消力池中，达到充分消能的效果。底流式消能各个调整方案的试验参数及试验结果如下表：

底流消能各调整方案试验表明，调整方案1、2、5闸门全开运行消力池水流翻滚剧烈翻滚水流溢出消力池边墙冲上公路，且闸门局部开启时射流冲出消力池边墙，流态较为恶劣，消能效果欠佳；调整方案3闸门全开及局部开启运行消力池水流翻滚消能均较充分，效能效果好，但由于消力池开挖量大，中、小开度时消力池利用不够充分，可作适当缩小调整；调整方案4～7均是对方案3中消力池尺寸的的缩小，根据消能试验的结果可知，调整方案7在闸门全开及各局部开启运行工况下，消力池水流翻滚剧烈消能充分（如下图5所示），消能效果较佳。

故通过模型验证推荐采用调整方案7。

4、消能工体型概述

试验结果显示，底流式消能试验方案7满足工程消能需要平面设计如图4。

图4调整方案7平面设计图

消能段纵向布置：弧形工作闸门后底板经5m长的水平段，连接水平投影长度45m的1：3.75的斜坡，斜坡段末端突跌3m连接消力池底板。消力池全长60.75m，边墙高13.7m，底板低于下游河床8.1m深。根据试验及计算结果，闸室段及斜坡段存在高速水流，底板厚度按计算值取为2.0m，消力池段根据试验结果流速较小，最大流速不大于8m/s，不大于混凝土的允许流速，设计底板厚度为1.0m厚。为减小由于水流紊乱引起的底板震动，在底板与边墙后均布置锚杆。

平面布置：弧形工作闸门后流道宽度为3.5m，经2m长的等宽段后边墙以3°角向两侧扩宽，在斜坡末端跌坎处向左边墙突扩4m（由于右边墙紧邻陡峭山体，故不向右岸突扩）。消力池段全长60.75m。突扩后两边墙沿原方向向后分别延伸33m、23m通过R=20m转弯段与下游平顺连接，转弯段后接18m长的平直段引导水流平顺归槽。

考虑到消力池末端下游河床岩质较好，故考虑只需对下游80m范围内的河床进行整平，并清除掉下游多余杂乱的块石。

5、结束语

根据推荐方案流态观测结果显示，闸门全开泄洪水流进入消力池后由于左侧突扩影响消力池消能充分，水体在消力池内翻滚消能水体基本控制在消力池内，除局部区域雍高稍微超出边墙外整体水面基本低于消力池边墙，未发生漫溢和爬坡现象；闸门局部开启运行消力池水流翻滚区域随着闸门开度的减小逐渐前移，且翻滚水面明显降低，消力池消能措施则更加安全。

通过模型试验的验证，依据规范初拟的消能工体型在实际运行期间存在消能不充分、水流漫顶等现象。较为复杂的消能工尚应经过模型试验的验证，以确定较为经济、合理的消能工体型。

参考文献：

[1]水力计算手册（第二版).中国水利水电出版社

[2]SL235-2000溢洪道设计规范.中国水利水电出版社

[3]SL265-2016水闸设计规范.中国水利水电出版社

[4]南京水利科学研究院《丫多河水库导流输水泄洪隧洞出口消能防冲试验研究》