翁养水库溢流坝段消能措施优化初探

(上海勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610041)

中小型水库工程中挡水建筑物和泄水建筑物组合的选型很多，“重力坝挡水+坝身泄洪+坝后消力池”的组合始终占据重要地位。究其原因，主要有以下几点：ⓐ较土石坝而言此坝型超泄超标洪水能力强，安全性高；ⓑ较拱坝而言此坝体断面大，对地形地质条件适应性好、材料性能的要求低；ⓒ维护、修复或扩建，相对其他坝型简便；ⓓ泄水建筑物较其他坝型布置容易。

中国西南地区大部分山区河流，洪水期来流量大洪峰历时短，重力坝超泄能力强、泄水建筑物布置紧凑、水流归槽条件好，因此，在中小型水库设计中，常采用重力坝坝顶溢流的型式。从溢流堰顶下泄水流，流速快且单宽流量大，如果不采用妥善的消能设施予以消减，将对建筑物和下游河床产生严重冲刷。消能方案合理与否不仅关系到工程投资是否经济，更关系到工程在各种复杂地质条件下的安全性。

本文结合翁养水库项目实施阶段基础开挖详勘成果和泄洪消能的基本特性，对消力池进行了优化设计，并重新复核相关水力及抗冲抗浮计算。

1 水库概况

翁养水库位于黔东南苗族侗族自治州雷山县境内，坝址集水面积6.95km2，是一座以村镇供水及灌溉用水为主要任务的水库，总库容78.8万m3，最大坝高53m，属Ⅴ等小(2)型水库。挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，枢纽布置采用碾压混凝土重力坝+河床泄洪溢流坝+左岸坝身取水兼放空管+供水管线型式。坝顶高程1337.00m，原坝基底高程1284.00m，最大坝高53m，水库正常蓄水位1333.00m，相应库容为61万m3。

2 消能防冲标准及原消能建筑物布局

该工程消能防冲标准为10年一遇，洪峰流量为95.8m3/s，水库调蓄后入库流量为81.1m3/s，下游水位为1295.13m，单宽流量5.4m3/s，洪水规模相对较小。

根据洪水标准和泄洪建筑物设计原则进行泄洪建筑物布置。本流域属典型的山区雨源型河流，径流的时空分布变化与降水基本一致，泄洪建筑物采用经调洪演算后的下泄流量，最大下泄流量为168m3/s。坝址处河床较为宽阔，溢洪道布置于河床中部，具备下泄水流归槽条件，同时该工程规模不大，下泄流量小，考虑到闸门运行的可靠性较低，故而采用开敞式溢洪道。

3 原消能建筑物设计方案

在中小型水库设计中，常采用坝顶溢流及泄流底孔方式来泄放洪水，两种泄洪方式各有优缺点。坝顶溢流泄放流量大，下游的水力衔接设施及消能设计较易解决，必要时还可以泄放漂流物。当坝顶溢流不满足泄洪条件时，可增设泄流底孔。泄流底孔可在较低的库水位下泄水，在河流泥沙较多的工程条件下也可用于冲砂。

翁养水库工程规模较小，坝址下游河床较宽阔，考虑到工程运行可靠性，坝顶溢洪道采用开敞式溢洪道，堰顶高程1333.00m，共设2孔，每孔宽6.5m。溢流堰采用WES实用堰型，下游坝坡采用1∶0.75，边墙高1.5m，反弧段半径为11.50m，消力池布置于坝下游河床部位。

消力池沿线表部为河床堆积的第四系砂卵砾石层，厚1.5～4.5m，不宜作为消力池基础。下伏基岩为砂质板岩，基岩自上而下分为强风化CⅣ级岩体、弱风化BⅢ2级岩体及微新BⅢ1级岩体。

强风化岩体垂直埋深7～9m，层面及节理裂隙发育，整体较破碎，强度较低；弱风化层垂直埋深18～25m，层面及节理裂隙较发育，整体较完整，强度较高；微新岩体层面多闭合，节理裂隙不发育，强度高。消力池基础可置于强风化中下部或弱风化岩体顶部。

常用的消能方式有远射式挑流消能、底流式水跃消能和面流式消能等。

对于高坝和中坝，且下游河床岩石条件较好时，应优先采用远射式挑流消能。挑流消能可通过上仰挑射角，将水流挑送到距离坝趾较远的安全地带，即可节约下游保护工程的造价，又能达到较好的消能效果，但这种消能方式对于下游河床或岸坡的地质条件要求较高，本工程坝高只有53m，且下游地质条件较差，达不到挑流消能的要求。

对于中坝和低坝，流量较大的情况，底流式水跃消能较为适合。底流消能利用坝身下泄急流与下游河床的缓流水跃连接，在水跃过程中，水流剧烈旋滚掺气消能。设计相对面流式简易安全，但因消能区距离坝趾较近，需要修建护坦等消能建筑物，造价相对较高。在工程实际应用中，因底流消能采取水跃消能，在淹没式水跃中，可按水跃长度、位置设计护坦，但远驱式水跃，在收缩断面与水跃间还有很长的一段回水曲线，如果所有范围都加以保护，经济性太差且消能效果也不佳。针对这种情况，采用在坝趾下设置消力池，使坝下发生淹没式水跃，节约工程量。

面流式消能通过挑流鼻坎与下游水位表面连接，利用表面急流底部旋滚消能。最适合溢洪道需下泄大量冰块或漂浮物的情况。

该工程采用坝身表孔溢流泄洪方案，原设计方案消能防冲型式经比选后采用底流消能方式。消力池底板顶高程定为1288.50m，底板厚2m，消力池长26m，池深4.5m。消力池断面为矩形断面，底宽15m，两侧边墙墙顶高程为1296.00m。消力池尾坎顶高程1293.00m，之后同高程顺接海漫段。

4 新消能建筑物设计方案

由于贵州属于岩溶较为发育的地区，在现场实施阶段，开挖揭示的地质情况较上一阶段优，弱风化层实际埋深比初勘阶段浅4.5～6m，本着节约工程投资对方案进行调整，坝顶高程不变，大坝基础上抬6m，消力池基础上抬4.5m，消能措施同步进行结构调整，重新进行相关计算复核。

4.1 地质情况比较

详勘阶段的岩石物理力学试验结果、岩体风化特征、结构类型及工程地质分类均与初勘阶段相同，故岩石物理力学性指标建议值用同初勘阶段相同。但根据现场勘察结果，地层的分布情况出现较大变化，尤其是岩层的分布高程显著上抬，详见表1。

表1 初勘和详勘阶段地质条件对比

原方案中大坝建基面位于弱风化层中上部，调整后建基面由1284.00m上抬至1290.00m，而弱风化层实际埋深比上阶段上抬6m，故调整后大坝建基面依然位于弱风化层中上部。原消力池建基面坐落与强化分下部，相应的调整后由1286.50m上抬4.5m至1291.00m高程，调整后消力池基础进入弱风化层上部。调整后的基础条件更优。

4.2 新消能建筑物型式复核

本工程采用坝身泄洪方案，在遭遇200年、30年、10年一遇洪水时，枢纽下泄流量分别为168m3/s、113m3/s、81.1m3/s，基础上抬、消能建筑物型式调整后相关泄量还是采用原计算参数。消能防冲型式重新进行了优选考虑，对挑流消能、底流消能、面流消能、戽式消能、台阶消能重新进行比选：

ⓐ由于采用不设闸门的自由溢流泄洪方式，下泄流量变幅大，且具有随机性，下游水位变幅也较大，不宜采用面流及戽式消能。

ⓑ挑流消能对下游河床冲刷较大，且流量小时无法起挑，消能效果较差，依然需要深挖基础布置护坦。

ⓒ由于上、下游最大水头差及下泄流量相对较小，下泄归槽条件相对较好，设计中考虑基岩面抬高依然采用底流消能方式，能够有效保证消能效果，并不对下游河道造成冲刷。

故调整后的消能建筑物型式依然采用底流消能。

4.3 消能防冲计算成果比较分析

对原设计方案和优化后的设计方案消能防冲设计计算进行重新复核，成果见表2：

表2 消力池底流消能防冲计算成果对比

根据计算成果，拟定消力池底板顶高程由1288.50m抬高至1292.50m，底板厚度由2.0m缩减至1.5m，消力池长度由26.0m增加至28.5m，池深由4.5m减至3.0m，尾坎高程同步降低。消力池断面为矩形，底宽15m，两侧边墙墙顶高程由1296.00m增加至1298.50m。经过复核计算，调整以后的消力池能够达到规范要求的消能防冲效果，并满足抗冲抗浮计算要求。优化以后的消力池结构布置图见下图。

优化后的消力池纵剖面图 (单位：cm)

5 结 语

本文结合详勘开挖中揭露的地质情况，对翁养水库消力池布置方案进行了优化，得出以下结论：

ⓐ优化方案消力池底板顶高程抬高4.00m，底板厚度缩减0.5m，长度2.5m，池深减小1.5m，尾坎高程同步降低，消力池断面仍采用矩形断面，底宽15m，两侧边墙墙顶高程增高2.50m。

ⓑ经过复核计算，调整以后的消力池能够达到规范要求的消能防冲效果，并满足抗冲抗浮计算要求。

ⓒ优化方案减少了基础开挖深度4.5m，减小两岸山体边坡工作面的开挖深度约2m，不仅使基础满足规范要求，还为左岸闸阀室的布置预留了充足的空间。

ⓓ优化后显著减小了工程量，消力池土方明挖工程量减少1771m3，石方明挖工程量减少4685m3，消力池结构混凝土量减少398m3，共计减少消力池工程投资42.54%。