宽尾墩-戽式消力池联合消能在LZ水库中的应用

聂思敏，李应周

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002)

1 工程概况

贵州LZ水库工程泄水建筑物为3级，重力坝正常运用时洪水重现期为50年(P=2%)，下泄流量分别1 690 m3/s；非常运用时洪水重现期为500年(P=0.2%)，洪水下泄流量2 550 m3/s；消能防冲建筑物洪水重现期为30年(P=3.33%)，下泄流量为1 490 m3/s。泄洪建筑物由溢流坝段溢流表孔泄洪。

溢流坝段位于坝身河床段，为有闸控制溢流表孔溢洪道。堰顶高程770 m，溢流前沿净宽30 m，设有3孔10 m×10 m(宽×高)，分别设置检修平板钢闸门、弧形工作闸门，由液压启闭机启闭。表孔中墩厚3 m，边墩厚2 m。两侧导墙延伸至下游反弧段末端处和消力池边墙相接，以保证泄流时水流不往非溢流坝方向扩散。

溢流堰采用WES型实用堰，堰顶下游的堰面曲线方程为：y=0.066 05x1.85，曲线接1∶0.7的斜坡段，之后接半径为10 m的反弧段与溢洪道坝后直线段连接起来，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钢筋砼，溢流边墙采用厚2 m的C25钢筋砼。

若直接采用底流消能，结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，池顶高程770 m，长54.6 m。为节约工程量，充分利用下游水位较高的条件，提高消能效果，采用宽尾墩-戽式消力池联合消能方案。宽尾墩消能工采用直线或曲线将闸墩尾部加宽，使出闸孔水流产生收缩，从而加强水流沿坝面的纵向分散和掺气，消能效果良好[1]。

2 宽尾墩-戽式消力池设计布置

2.1 宽尾墩设置的必要条件

根据《水工设计手册》(第七卷)1.6.6.2规定，宽尾墩的应用需要以深尾水为必要条件，表征下游尾水水深大小的参数：

hd/Pd>0.28

式中：hd为下游水位与消力池底板高程差，m；Pd为溢流表孔堰顶与消力池底板高程差，m。

计算结果见表1。

表1 hd/Pd计算表

由计算结果可知，满足设置宽尾墩的必要条件。

2.2 宽尾墩尺寸拟定及消力池长度计算

鉴于各工程的水力条件不尽相同，目前对宽尾墩体型的优化设计暂不可能根据计算确定，仍需通过水工模型试验予以确定。根据《水工设计手册》(第七卷)1.6.6.2规定，初步拟定宽尾墩尺寸如下。

闸孔收缩比为:

ε=b0/B0

式中：b0为闸孔收缩之后的净宽，m；B0为闸孔收缩之前的净宽，m。

目前，推荐采用如下参数ε=0.30～0.50，已知B0=10 m，本次初拟ε为0.5，则b0=5 m。闸墩收缩率ξ=(1-ε)×100%=50%，满足推荐采用参数ξ=50%～70%。

闸墩收缩角为：

θ=arctan((B0-b0)/2L)

式中：b0为闸孔收缩之后的净宽，m；B0为闸孔收缩之前的净宽，m；L为收缩段起点至闸墩末端的水平距离，m。

取L=10 m，计算θ=14.036°，满足推荐参数θ=12°～20°的要求。

根据《水工设计手册》(第七卷)1.6.6.3规定，宽尾墩消力池联合消能的消力池长度可按未考虑宽尾墩计算的消力池长度的2/3考虑，已知未考虑宽尾墩的消力池计算长度为54.6 m，则宽尾墩消力池联合消能的消力池长度L为36.4 m，本次设计实际取39.5 m。

消力池建基面高程750.0 m，池底高程751.500 m，池顶高程770.00 m，长39.5 m。消力池底板采用厚1.5 m的C35钢筋砼，边墙采用厚1.0 m的C35钢筋砼。消力池末端与河道相接。消力池在坝横0+029.525、坝横0+048.525设置2道横向伸缩缝。在坝横0+0435.525设置消力墩为6个，消力墩尺寸为顶宽1 m，高4 m，底宽5 m，垂直于溢流表孔中轴线方向宽度为3 m。

3 宽尾墩-戽式消力池联合消能模型试验与优化

3.1 模型设计与制作

水力学模型试验根据设计要求在已确定的枢纽总体布置设计条件下，研究下游底流消能效果、下泄水流对两岸的冲刷。研究宽尾墩-戽式消力池联合消能对本工程的适应性和经济合理性，必要时对原设计方案优化。

根据试验及《水工常见模型试验规程》(SL 155-2012)的要求，确定该工程水工模型采用正态整体模型，按重力相似准则[2-3]设计，从试验场地、循环水的供水条件和目前的量测手段及该次试验的要求出发 ,经反复比较,选定水工模型的几何比尺Lr=1∶50。

上游库区地形取坝址以上180 m，库区地形高程模拟至790 m，下游地形取坝址以下200 m左右，地形高程模拟至785m，按该工程坝址地形图(1∶500)制作。对冲坑范围内采用散粒体碎石按河道地形模拟基岩，并按设计提供的岩石不冲流速3 m/s选择散粒体粒径。模型地形部分采用断面板法控制水泥砂浆抹制。溢流坝用样板控制，砖砌、水泥砂浆抹制而成

3.2 原方案下游流态及冲刷

溢流表孔水流流至消力池后，由于下游水位较高，在消力池内未发生水跃，底部水流撞击消力池内坝横0+43.525消力墩后上涌，在左右岸坡形成涌浪，涌浪范围主要分布在坝横0+30～0+80左右岸坡。受两岸地形的影响，部分上涌水流在左右岸形成回流。坝横0+80后下游河床内水流趋于平稳。各级流量下下泄水流对消力池下游河床均造成冲刷，在P=0.2%(Q=2 550 m3/s)下游最大冲刷坑深度3.73 m。下游冲刷成果见表2。

表2 原方案下游冲刷成果表

原方案试验中，各级流量下下泄水流均对下游造成冲刷。为改善下泄水流对消力池下游的冲刷情况，有必要对消力池内消能工设施进行修改优化。

3.3 修改优化方案下游流态及冲刷

修改优化方案在原方案基础上修改如下：在下游消力池坝横0+54.525处增设一排消力墩，增设的消力墩为5个，增设消力墩尺寸为顶宽1 m，高3 m，底宽4 m，垂直于溢流表孔中轴线方向宽度为3 m，与第一排消力墩相间布置。

溢流表孔水流流至消力池后，各级流量下在消力池内未发生水跃，底部水流撞击消力池内消力坎后上涌，在左右岸坡形成涌浪，涌浪范围主要分布在坝横0+30～0+80左右岸坡。受两岸地形的影响，部分上涌水流在左右岸形成回流。各级流量下，消力池及河床中流速较原方案有所降低，坝横0+80后下游河床内水流趋于平稳，流速较低，表明消力池内水流能量消耗充分。

在P=3.33%(Q=1 490 m3/s)及P=2%(Q=1 690 m3/s)两级流量下，对消力池下游河床未造成冲刷；在P=0.2%(Q=2 550 m3/s)流量下，下游最大冲刷坑深度1.54 m，各级流量下的下游冲刷成果见表3。

表3 修改方案下游冲刷成果表

4 结 语

宽尾墩-戽式消力池联合消能对水流消能作用显著，可以缩短池长，节约工程量，降低工程投资。通过模型试验结果可以看出，宽尾墩-戽式消力池联合消能中设置双排消力墩相对于单排消力墩，可以更好地改善下游冲刷。宽尾墩+戽式消力池+双排消力墩这种组合消能型式较好解决了该工程消能防冲问题，可为同类型工程设计提供参考。