碾压混凝土重力坝台阶消能设计探讨

王 青，童元雄

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

技术论坛

碾压混凝土重力坝台阶消能设计探讨

王 青，童元雄

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

以往的碾压混凝土重力坝设计中，存在因溢流坝段和非溢流坝段坝体断面不同而制约坝体混凝土连续施工的问题。为解决这个问题，文章结合工程实例，采用溢流坝段和非溢流坝相同断面的台阶式溢流坝的设计方法；同时，对台阶式消能和常规泄槽消能两种方案的消能效率做了一个定量分析比较。计算结果表明：台阶式溢流坝能较好的解决制约碾压混凝土连续施工的问题；台阶消能的消能效率远高于常规泄槽，能减小下游消能工的尺寸，节省工程投资。

台阶消能；重力坝；结构设计；水力计算

1 工程概况

雨汪河水库工程由枢纽工程和输水工程组成。枢纽工程包含混凝土重力坝、泄洪表孔、取水口、取水兼放空管。

2 大坝坝体断面设计

1)非溢流坝断面：大坝为碾压混凝土重力坝，大坝坝顶高程1497.5m，建基面高程1448m，最大坝高49.5m(含1m垫层)，坝顶长度157.3 m，坝顶宽度6m，坝轴线方位角为N27.552°E。大坝上游面铅直，下游综合坝坡1:0.8，下游折坡点高程1492m，坝体最大底宽为41.2m。为方便碾压混凝土碾压施工，下游坝面采用台阶式，单级台阶尺寸为3m×2.4m(宽×高)。

2)溢流坝断面：本工程采用的是台阶消能+底流消能的消能方式，故溢流坝段和非溢流坝段采用相同的坝体断面，可以给碾压混凝土的快速、连续施工带来较大的方便。

3 泄洪表孔结构设计

雨汪河水库工程规模属中型，工程等别为Ⅲ等。泄水建筑物为3级建筑物，设计洪水为50a一遇，相应下泄流量为262m3/s；校核洪水为500a一遇，相应下泄流量为328m3/s；消能防冲建筑物洪水为30a一遇，相应下泄流量为246m3/s。

泄洪表孔由控制段、台阶式泄槽段、消力池段组成。

控制段布置在河床中间，设2孔平板钢闸门，闸门尺寸为5m×5m(宽×高)，闸门上方设启闭机室，用以操作启闭设备启闭闸门；两侧采用C25钢筋混凝土边墩，厚度2m，中墩厚度3m；坝顶设交通桥，桥宽5m，桥面高程为1497.5m，与坝顶同高。控制段溢流堰为WES实用堰，堰顶高程1490m，堰顶上游端堰面曲线采用带斜坡(坡比3:3)的单圆弧曲线，圆弧半径R1=0.45Hd，x坐标a=0.119Hd，堰顶下游的堰面曲线方程为：y=0.1528x1.776，溢流面混凝土采用C30钢筋混凝土。

社区商家一般是居民比较熟悉的商户，其产品更容易得到消费者的信任，消费者通过平台购买更为便捷，对商家信任感和满意度不断提升，购买次数增多，商家收益也相应增加，双方价值均得到提升。

台阶式泄槽(综合坡比1∶0.8)接下游堰面曲线之后，于坝体1548m高程接半径为8m的反弧段。台阶式泄槽，单级台阶尺寸与坝体一致，为3m×2.4m(宽×高)，泄槽与反弧段采用C30钢筋混凝土衬砌，厚度为0.5m，泄槽衬砌混凝土与坝体混凝土之间用插筋连接。

本次设计消能方式采用台阶消能+底流消能，主要考虑该消能方式有两个优点：①台阶消能非溢流坝段和溢流坝段坝体断面尺寸相同，能给坝体碾压混凝土的施工带来较大的方便；②台阶消能在台阶式泄槽段已经消掉一部分水能，因此能缩短、减小后面的消力池的长度，节省工程投资。同时，本工程校核工况下最大设计单宽流量为25.2m3/(s·m)<50 m3/(s·m)，也在台阶消能的适用范围。

消力池接反弧段，消力池底板高程为1453.5m，尾槛高1m(下挖1m)，消力池高8m，池宽13m，消力池长度L=20m；消力池底板面层采用0.5m厚C35抗冲磨混凝土，底层采用1m厚C25混凝土；消力池边墙采用C25混凝土，边墙顶部宽0.8m，边墙外侧贴着边坡开挖坡比1∶0.5，边墙内侧采用1:0.3坡比。消力池基础设置φ25基础锚杆，根长L=6m，间排距3m；同时对底板进行固结灌浆，孔深8m，间排距3m，梅花形布置；底板设置排水孔，深入基岩1m，间排距4m。

4 台阶消能设计计算

4.1 判断水流流态

先计算泄槽临界水深dc，计算公式为：

(1)

式中：hk为临界水深，m；Q为单宽流量，m3/(s·m)。

计算成果见表1。

表1 临界水深dc计算成果表

根据《水工设计手册》(第二版)[1]中的公式，判别水流流态：

大坝下游坝坡坡比为1∶0.8，坡角为51.3°>27°，台阶步高h=3m，台阶步长L=2.4m。

表2 水流流态判别成果表

结论：由于dc/h>(dc/h)特，故水流流态为滑移流。

4.2 初始掺气点位置L1计算

从堰顶算起，至长度为L1处开始出面表面掺气，距离L1、L1断面处的水深d1、平均流速v按下列计算公式：

(2)

计算成果见表3。

表3 初始掺气点计算成果

4.3 均匀掺气断面位置L2计算

从堰顶算起，至长度为L2处开始出面表面掺气，距离L2、L2断面处的水深d0、平均流速v0按下列计算公式：

(3)

计算成果见表4。

表4 均匀掺气断面计算成果

4.4 末端断面水深d和平均流速v计算

本工程泄槽总长度L=55.6m，介于初始掺气点位置距离L1和均匀掺气水流位置L2之间，因此，文章采用内插法，计算末端断面的设计水深d和平均流速v，如表5：

4.5 消能率计算

计算公式为：

(4)

式中：H堰为坝趾以上堰高，m；H为堰上水头，m。

计算成果见表6。

表5 末端断面计算成果

表6 消能率计算成果表

从以上计算结果可知，消能率η代表的是台阶式消释水能的效率，在消能防冲设计工况，台阶式消能的消能率为75%，剩余的水能通过消力池进一步消释。

5 与常规泄槽方案对比

若采用常规的泄槽方案(无台阶)，根据《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005[2]，对常规泄槽方案进行水力计算，计算其消能效率，如表7-8：

表7 常规泄槽方案末端断面水力要素成果

表8 常规泄槽方案消能率计算

由表8可以看出：常规泄槽方案(无台阶)经过L=55.6m的泄槽段，消能率仅为7%，与之对比，台阶消能方案的消能率能达到75%，台阶式泄槽的消能效率明显高于常规泄槽。

通过计算，在采用相同消力池宽度13m的情况下，台阶消能方案下游消力池所需长度为20m，而常规泄槽方案下游消力池所需长度为48m；因此，采用台阶式泄槽的台阶消能，可以使下游消能工尺寸节省约58%，带来较大的经济效益。

6 结 语

通过上述计算及分析，对大坝的台阶消能设计做了一个较为全面的设计计算，并与常规泄槽方案的消能效率做了一个定量分析比较。计算结果表明：对碾压混凝土重力坝来说，采用台阶式泄槽的台阶消能，能较大的方便碾压混凝土的立模、连续施工，同时也能减小下游消能工尺寸，节省工程投资。

[1]刘志明，温续余.水工设计手册[M].北京：中国水利水电出版社，2014：56-77.

[2]中华人民共和国水利部.SL319-2005混凝土重力坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2005.

DiscussiononStepEnergyDissipationDesignaboutRollerCompactedConcreteGravelDam

WANGQingandTONGYuan-xiong

(GuizhouProvincialWaterConservancy&HydroelectricPowerInvestigation,DesignandResearchInstitute,Guiyang550002,China)

In the past designs of roller compacted concrete gravel dams, because the dam body sections of spillway dam and un-spillway dam were different, there were problems to limit the continuous concrete construction on dam body In order to solve the problems, in combination with a project case, this paper adopted the design method of step-style spillway dam in same sections on spillway dam and un-spillway dam; meanwhile, the energy dissipation effects were analyzed and compared quantitatively for the two schemes of step energy dissipation and normal chute energy dissipation in this paper. The calculated results show that step spillway dam can solve the problem of roller compacted concrete continuous construction properly and the effect of step energy dissipation is well above the effect of normal chute, can reduce the dimension of lower energy dissipation project and save the project cost.

step energy dissipation; gravel dam; structure design; hydraulic calculation

1007-7596(2017)07-0044-03

2017-06-18

王青(1987-)，男，江西南昌人，工程师，从事水工结构设计工作；童元雄(1984-)，男，湖北孝感人，工程师，从事水工结构设计工作。

TV

B