水库消能设施的选择与设计

□董明玥（营口市水利勘测建筑设计院）

水库消能设施的选择与设计

□董明玥（营口市水利勘测建筑设计院）

近年来各地开展了不少小型水库除险加固工程项目，对水库大坝、溢洪道、输水洞等进行加固维修，其中由于消能设施设计洪水标准较低易出现损坏，常常被列入除险加固设计中。文章以杨堡水库为例，详述了小型水库消能设施的选择与设计过程，为其他相关工程提供经验与参考。

小型水库；除险加固；溢洪道；消能

1 概述

溢洪道是泄水建筑物的一种，用于宣泄水库中多余的洪水，如果消能措施不当，下游河床和岸坡会遭受冲刷，严重的甚至会危及溢洪道和大坝安全。溢洪道按其所在位置的不同分为河岸式与河床式两种。小型水库多为河岸式溢洪道，一般采用底流消能或挑流消能，也可采用面流、戽流等其他形式。

2 工程概况

杨堡水库位于盖州市杨运镇三道沟屯熊岳河上游右岸支流上。库区流域面积3.80 km2，坝址以上河道长2.22 km，河道平均比降为136.00‰，是一座灌溉、防洪等综合利用的小（1）型水库。水库于1976年在初步设计的基础上动工兴建，并于1979年汛末拦蓄洪水，为了提高防洪标准，于1980年对水库进行续建维修，之后投入正常使用。由于水库年久失修，加上洪水破坏，近年来溢洪道泄槽段及消能设施损毁严重，需要重新设计维修。

3 消能方案的选择

杨堡水库溢洪道包括引水渠、平底槽、泄槽、消能防冲设施及出水渠五部分。溢洪道两侧为山体岩石边坡，岩石裸露，基础为强风化千枚岩。水库所在地区为山区、丘陵区，消能防冲设计洪水标准取10 a一遇，洪水泄流量36.83 m3/s。

3.1 底流消能与挑流消能的选择

小型水库的消能设施主要采用底流消能和挑流消能。

底流消能是一种利用水跃进行消能的传统方式，具有流态稳定、消能效果好、对地质条件和尾水水位变化适应性强、泄洪雾化轻微等优点，可用于中低水头各种地基上溢洪道，但由于消力池几何尺寸较大，因而造价较高。挑流消能是利用挑流鼻坎将下泄的高速水流挑射到距建筑物较远的地方进行消能的方式，可用于岩基的中高水头枢纽，结构简单、工程量小，当溢洪道下游地质条件较好、河道抗冲刷能力较强时，采用这种消能方式是比较经济合理的。

杨堡水库溢洪道上下游最大水头差为18.50 m，属于中低水头建筑物。下游段基础为强风化千枚岩，岩体破碎，抗冲刷能力不强，且消能出口距坝脚较近，泄洪时可能会危及大坝安全所以不适合采用挑流消能，加之水库现状为底流消能，所以选定底流消能方案。

3.2 消力池与跌水的选择

现状泄槽末端位置较高与下游形成跌坎，底流消能方案可采用消力池和跌水两种方案。

3.2.1 消力池方案

因泄槽末端需直接触及消力池底，将泄槽段拆除后沿表层向下开挖，泄槽段坡度由1:2.63变为1：2.31，消力池的长度与深度采用中等宽矩形断面公式计算。

自由水跃共轭水深h2可按下式计算：

式中：h1为收缩断面水深，m；Fr1为收缩断面弗劳德数；v1为收缩断面流速，m/s；h2为自由水跃共轭水深，m。

水跃长度L按下式计算：

池长、池深可按下式公式计算：

式中：d为池深，m；σ水跃淹没度，取1.05；ht为消力池出口下游水深，下游尾水渠设计标准为10 a一遇为，按明渠均匀流公式推求，水深为0.83 m；Q为设计流量，取36.83 m3/s；b为消力池宽度，取11.80 m；ϕ为消力池出口段流速系数，取0.95；ΔZ为消力池尾部出口水面跌落，取0.76 m。

经计算，水库下游消力池计算参数及成果见表1。

表1 消力池方案计算参数及成果表

3.2.2 跌水方案

跌水方案泄槽段可按现状布置，可节省土石方工程量。对泄槽末端有跌坎的连接形式，消能段池深度可按下式计算：

式中：E0为池底以上的总能头，m；q为水舌跌落处的单宽流量，m3/s；ψ为流速系数，取0.90；Fr1为收缩断面弗劳德数；h1为收缩断面水深取，m；h2为共轭水深取，m。

池长可按下式计算：

式中：l1为水舌抛射长度，m；l2为雍高水跃的水跃长度，m；P为水流跌差，m；H0为包含流速水头的总水头。经计算，缺水参数及成果见表2。

表2 跌水计算参数及成果表

3.3 方案经济比较

两种方案的工程量及造价见表3。

表3 方案经济比选表

3.4 方案选择

由上述可以看出，两种方案经济比较相差不大，消力池方案中泄槽段底板下为强风化千枚岩，且在陡坡上施工难度较大，加上工程要求施工期较短，所以最终采用跌水方案。

4 消能防冲设计

新建跌水消能段池长24 m，池深2.60 m，宽11.80 m，底板厚0.70 m，边墙高为3.80 m，为钢筋混凝土U型槽结构，底板设排水孔。采用混凝土强度等级为C30，抗冻等级为F200，抗渗等级为W4，钢筋采用HRB400。本次海漫段采用500 mm厚的固滨笼进行护底与护坡，底宽为12 m，长度为20 m，两侧坡比为1：2.00。

［1］刘志明，温续余.水工设计手册第二版第7卷泄水与过坝建筑物［M］.北京：中国水利水电出版社，2014.

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：1673-8853（2017）02-0059-02

2016-10-12

编辑：符 蕾

董明玥（1984-），女，工程师，主要从事水利工程设计方面工作。