跌流加底流二级消能中两个消力池尺寸的设计计算

侯贤贵

跌流加底流二级消能中两个消力池尺寸的设计计算

侯贤贵

（广东省惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司，广东惠州51600）

消能建筑物能最大限度的消除水库下泄洪水的能量，以起到保护水库工程和下游河道的安全，常见的消能方式有挑流消能、底流消能和面流消能3种。赤沙水库的消能方式比较特殊，采用二级消能，第一级为不常见的跌流消能，第二级为常见的底流消能；以此为例，分析计算了两种方式下消力池的尺寸，以期在工程运行中检验。

溢洪道；底流消能；跌流消能；消力池；设计计算

0 引 言

水库工程通常包括三大建筑物，即挡水建筑物、泄水建筑物和取水建筑物；泄水建筑物是保障水库工程安全的重要设施，当水库水位超过防洪限制水位时便开启泄水建筑物用于宣泄洪水。下泄水流的流速高、能量大，具有相当大的冲刷破坏能力，为防止其给下游河道带来较大的安全隐患必须设置消能设施。目前，国内外采用的消能方式多种多样，常见的有挑流消能、底流消能、面流消能及戽流消能；根据张志恒等人对国内347座大中型水库工程的统计，三种型式分别占58%、33%和5%，其余4%为其他不常见的型式［1］。文章研究的水库溢洪道采用二级消能，第一级为跌流式消能方式，第二级为底流式消能方式，其中第一级消能为不常见类型，两种消能方式的消力池的尺寸设计是研究的重点。

1 工程简介

赤沙水库位于海丰县黄江流域下游的白沙溪支流上，距海丰县城约25 km，距汕尾市城区约15 km，水库集雨面积23 km2。赤沙水库于1958年8月动工，1960年9月竣工蓄水运行，原设计总库容1935× 104m3，是一座以灌溉为主、结合防洪、防涝的中型水利枢纽工程。由于年久失修，2010年11月对其进行了安全鉴定，包括对现有泄流建筑物中消力池的尺寸的分析计算。

赤沙水库溢洪道位于主坝左岸，按照水流方向依次为：进口段长16 m，1∶8的反坡；控制段，为开敞式宽顶堰，长12 m；第一级陡槽段，长49.5 m，坡度1∶8；水流在一级陡槽段末端跌落至一级消力池，长11.5 m，池深1.8 m；水平段，长89.2 m；第二级陡槽段，长12m，坡度1∶2；二级消力池，长8 m，池深1.2 m；然后接出水渠；以上所有段的净宽均为35 m。

2 基本资料

2.1 流量资料

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）和《溢洪道设计规范》（SL253—2000）的规定，赤沙水库的消能防冲建筑物的洪水标准采用30 a一遇，通过调洪演算此设计流量为119.9 m3／s［2-3］。

2.2 水位资料

本设计计算中，水面线从下游往上游推算，即从出水渠进口处往上游推算，因此，需要出水渠进口处的水位资料；出水渠的水位流量关系采用明渠均匀流公式计算（公式详见相应规范），将流量划分为10个等级，各等级流量对应的水位值见表1［4］。

表1 各级流量对应出口河道水位成果表

3 设计计算

3.1 二级消力池尺寸复核

二级消能采用底流消能，其计算公式参考《水闸设计规范》（SL265—2001），如下：

式中：Frl为收缩断面弗劳德数；h1为收缩断面水深；v1为收缩断面流速；h2为跃后水深；L为水跃长度；d为计算池深，m；σ为水跃淹没度，可取σ＝1.05；ht为消力池出口下游水深；△Z为消力池尾部出口水面跌落；Q为流量；b为消力池宽度；φ为消力池出口段流速系数，取0.95。v为陡槽末端断面平均流速，≈v1；Z0为陡槽末端断面水面以上的水头；φ为流速系数，近似取为1.0。

通过试算，二级消力池在不同流量下所需尺寸详见表2。根据计算成果，二级消力池所需池长12.49m，池深1.14m；现状条件下，池深满足要求，池长不满足。

3.2 一级消力池尺寸复核

一级消力池为垂直式跌水墙，其计算公式参考《水力计算手册》（第二版），有：

式中：ld为跌落水舌长度；hc为收缩水深；hc″为跃后水深；lj为水跃长度；s为池深；ls为池长；Q为流量；q为单宽流量；P为墙高，为1.8m；ht为池后水深。

采用能量方程按分级流量从二级消力池陡坡起点的临界水深推算至一级消力池的出口作为池后水深。按分级流量计算得各流量的池深和池长，成果见表 3。根据计算成果，一级消力池所需池长9.297m，池深1.728m；现状条件下，池深和池长均满足。

表2 各级流量对应二级消力池尺寸成果表

表3 各级流量对应一级消力池尺寸成果表

4 结论与建议

文章所研究的跌流式消力池较少见，赤沙水库溢洪道采用此类消能型式完全是用地条件所决定的，因此，在设计中尽量避免采用此类消力池；而本文所研究的底流式消力池却很常见，尤其是在水闸等低水头泄流建筑物中更常见；对于地形条件适合建挑流消能设施时，尽量选择挑流消能方式，此类方式投资省、消能效果好。

在跌流式和底流式两种消能方式的消力池尺寸计算中，并非流量越大所需要的池长和池深也越大，比如本次计算案例中，跌流消力池的池深最大值出现在0.4倍设计流量时。为解决此类问题，在设计计算中通常将设计流量分为10级，分别计算，最后取最不利的情况作为设计值。

［1］张志恒，王瑞彭，汪永真.我国高坝枢纽布置与泄洪消能技术进展综述［J］.西北水资源与水工程，1991（01）：1-15.

［2］中华人民共和国水利部.SL252—2000水利水电工程等级划分及洪水标准［S］.北京：中国水利水电出版社，2000.

［3］中华人民共和国水利部.SL253—2000溢洪道设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2000.

［4］中华人民共和国水利部.GB50288—99灌溉与排水工程设计规范［M］.北京：中国水利水电出版社，1999.

Design and Calculation of Size of Two Stilling Pools in Drop Flow and Underflow Energy Dissipation

HOU Xian-gui
（Huayu Water Conservancy＆Hydropower Project Investigation and Design Limited Company，Huizhou 516003，China）

Energy dissipation structure can maximize the elimination of reservoir flood of energy to protect the reservoir and downstream channel safety engineering.The common energy dissipation contain three types of energy dissipation including ski-jump，hydraulic jump and surface regime.Energy dissipation of Chisha reservoir is a special way using level 2 of energy dissipation.The first level is uncommon drop flow energy dissipater and the second level is the common hydraulic jump energy dissipation.Taking it as an example，the size of stilling pool of the two ways were analyzed and calculated for checking in similar engineering projects.

spillway；hydraulic jump energy dissipation；drop flow energy dissipation；absorption basin； design calculation

TV653.1

A

1007-7596（2015）07-0023-03

2015-06-28

侯贤贵（1983-），男，湖北荆门人，工程师，从事水文规划和水工设计方面的工作。