浅谈水库溢洪道消能设计

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1、浅谈水库溢洪道消能设计深圳市水务规划设计院摘要：木文对于水库溢洪道消能工的各种型式选择原则及方法进行阐述，并结合工程实际对溢洪道消能设计和消能率复核的方法进行说明。关键词：水库；溢洪道；消能设计.、八_亠・刖S溢洪道的建设是为保证水库大坝的安全，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、水流与固休边界摩擦撞击、水流

2、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/T5166-2002)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、面流消能和廊流消能。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%o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，

3、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，木文就此进行了分析和探讨。一、溢洪道消能型式选择(-)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，例如屛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屛流消能案例[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、

4、高效的型式，这样有利于控制成本。（二）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。表1溢洪道消能工适用表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，面流消能和廊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。由于河道较宽，任何流量

5、条件下溢洪道满足消能所需的下游水深始终人于尾水深度。由于尾水深度不足，显然不适合采用面流消能和屛流消能型式，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。二、溢洪道消能防冲设计（-）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

6、系，下泄水流可能岀现远驱、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吋，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

7、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吋，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。水流速度较高吋，护坦应采用抗蚀混凝土浇灌。（二）消力池消能率复核前述水库的

8、设计洪水标准为30年一遇，其校核洪水标准是300年--遇。由于溢洪道为4级，也就是设计与校核洪水标准与水库人坝一致，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