大坝底流消能方案关键问题探讨——以海口市南渡江龙塘大坝为例

曹 阳，包第啸

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

海口市南渡江龙塘大坝枢纽地处南渡江流域下游，工程的任务以供水为主，兼顾灌溉、生态补水、旅游、航运、发电等，并为改善上游防洪排涝创造条件。水库正常蓄水位8.35 m，设计洪水位12.99 m，校核洪水位14.64 m，总库容1.7亿m3，电站装机容量5 MW，工程等别为Ⅱ等大（2）型工程。

工程主要建筑物为2 级，设计洪水标准为50 a一遇，校核洪水标准为300 a一遇。设计洪水洪峰流量及最大下泄流量为11 600 m3/s，相应上游洪水位12.99 m、下游洪水位12.51 m；校核洪水洪峰流量及最大下泄流量为14 300 m3/s，相应上游洪水位14.64 m、下游洪水位14.03 m。

本工程挡水及泄水建筑物为拦河闸，布置于河床部位，由泄洪闸和控泄闸两部分组成。泄洪闸采用开敞式结构，闸门选用平面钢闸门，共8 孔，单孔净宽20.0 m；控泄闸采用胸墙式结构，闸门选用弧形闸门，挡水高程8.35 m，2 孔，单孔净宽10.0 m。堰型均选用驼峰堰，底板进口高程-3.00 m，堰顶高程0.00 m。

工程区所处河道为典型的平原区河流。根据《水闸设计规范》（SL265-2016）的相关规定，考虑平原地区水闸水头一般较低、河道土质抗冲能力较小、下游水位变化较大的特点，本工程水闸闸下采用底流式消能方式。

1 枢纽兴利和防洪调度方式与消能计算工况的选取

底流消能计算的关键问题之一就是工况的选取问题，关乎消力池计算的正确与否。而工况与枢纽的调度方式息息相关，下文着重探讨调度方式与工况二者之间的关联性。

南渡江龙塘大坝为平原型水库，洪水有来势迅猛、峰高、过程尖瘦等特点。枢纽兴利时调度原则如下：龙塘坝正常运行时尽可能维持正常蓄水位8.35 m。①当上游来水量小于900.22 m3/s（此流量为2 孔控泄闸全开时的泄量，通过泄流能力计算得到）时，通过2 孔控泄闸控制泄流量，以维持上游正常蓄水位8.35 m；②当上游来水量大于900.22 m3/s 小于5 406.44 m3/s（此流量为8 孔泄洪闸全开时的泄量，通过泄流能力计算得到）时，逐步开启8孔泄洪闸闸门泄洪，并调节控泄闸开度，以维持上游正常蓄水位8.35 m。枢纽泄洪时调度原则如下：当上游来水量大于5 406.44 m3/s时，泄洪闸闸门全部打开，同时关闭控泄闸闸门，洪水自由下泄，水位上涨，水库发挥滞洪作用；洪水过后，逐步下闸，控制水位降低至正常蓄水位。

根据兴利和防洪调度方式，确定消能计算工况。工况一：当天然来流量较小时，通过控制控泄闸的开度调节泄流量，以维持上游正常蓄水位8.35 m，闸门开度分别为0.15、0.25、0.35、0.45、0.55。工况二：当天然来流量较小时，通过启闭2孔控泄闸控制泄流量，以维持上游正常蓄水位8.35 m。工况三：当天然来流量较大时，2孔控泄闸全部开启后无法维持上游正常蓄水位，通过分别开启8孔泄洪闸闸门宣泄洪水，以维持上游正常蓄水位8.35 m。工况四：当天然来流量逐渐趋近于校核洪水时，已无法维持上游正常蓄水位8.35 m，此时泄洪闸闸门全部开启，上下游水位上升。

各工况水位流量关系，见表1—4。

表1 工况一水位流量关系

表2 工况二水位流量关系

表3 工况三水位流量关系

表4 工况四水位流量关系

2 消力池深度计算工况选取

2.1 消力池深度计算公式

消力池深度按《水闸设计规范》（SL265-2016）附录B公式进行计算：

式（1）—（4）中：d为消力池深度（m）；σ0为水跃淹没系数；为跃后水深（m）；hc为收缩水深（m）；g为重力加速度（m/s2），采用9.81；α为水流动能校正系数，采用1.05；φ为流速系数，采用0.95；q为过闸单宽流量（m3/s）；b1为消力池首端宽度（m）；b2为消力池末端宽度（m）；T0为由消力池底板顶面算起的总势能（m）；ΔZ为出池落差（m）；为出池河床水深（m）。

2.2 消力池深度计算工况选择原则

在式（1）中略去ΔZ，且为消力池深度为0时的跃后水深，此时消力池高程为下游河床高程，可得消力池深度粗估近似公式：

2.3 计算结果及分析

根据表1—4 水位流量关系的数据及式（2）、（3），计算在不设置下挖式消力池时所对应的跃后水深和出池河床水深，并通过判断消力池深度设计工况。计算结果见表5—7，如图1 所示。

表5 控泄闸消力池判别

表6 泄洪闸消力池判别（工况三）

表7 泄洪闸消力池判别（工况四）

图1 泄流量与出池河床水深及跃后水深对应情况

3 消力池深度计算

3.1 消力池深度计算思路和步骤

（1）初拟d，通过闸前水头、出池河床高程等已知条件得到消力池底板顶面算起的总势能。

（2）将q和T0代入式（3），求得hc。

（3）将hc代入式（2），求得。

（4）将已得数值代入式（4），求得出池落差。

（5）将d、、代入式（1），求得在该消力池深度下的σ0。

（6）对σ0进行分析：①当σ0＜1.05 时，可能产生远驱式水跃，消能效果不明显，极易对下游产生冲刷，应加大消力池深度，重新计算；②当σ0＞1.10时，淹没度过大，产生淹没水跃，此时将形成落底射流，反而对消能产生不利影响，其产生的射流极易冲刷下游河床，严重程度不亚于远驱式水跃，应减小消力池深度，重新计算；③当1.05≤σ0≤1.10 时，此时所产生的水跃为稍有淹没的临界式水跃，消能效果最为理想，此时的消力池深度即可作为最终的设计结果。

3.2 消力池深度计算过程及结果分析

按照上述步骤经过试算，在最不利工况二控泄闸开1 孔时，消力池深度取2.5 m，满足1.05≤σ0≤1.10的要求，计算结果见表8。

表8 消力池深度计算结果

当消力池深度取2.5 m 即消力池底板顶高程-5.50 m时，可以满足消力池深度要求。

4 消力池长度计算

4.1 消力池长度计算公式

消力池长度按《水闸设计规范》（SL265-2016）附录B公式进行计算：

式中：Lsj为消力池长度（m）；Ls为消力池斜坡段水平投影长度（m）；β为水跃长度校正系数，采用0.8；Lj为水跃长度（m）；其余变量含义同上。

4.2 消力池长度计算思路和步骤

（1）消力池长度决定性因素讨论。①消力池长度取决于水跃长度，与共轭水深之差成正比，由共轭水深性质可知与hc成反比，即消力池长度与成正比；②根据《水力计算手册》（第二版）跃后水深求解曲线可以看出，与临界水深hk成正比，与T0/hk成反比；③根据临界水深计算公式可知，hk与q成正比；④由上述推导可得出结论，在总势能相同或相近似的情况下，消力池长度与q成正比。

（2）消力池深度为设计深度时，通过式（1）—（4）计算得出及消力池水平段长度。

（3）对σ0进行验算：①各工况不可出现σ0＜1.05即远驱式水跃的情况，若出现则消力池深度计算结果错误；②当计算结果中出现σ0＞1.10 即淹没水跃的情况，消力池中无法形成有效水跃，此种工况不能作为消力池长度的设计工况；③当1.05≤σ0≤1.10时即出现稍有淹没的临界式水跃时，选取最大值作为设计值，工况作为设计工况。

4.3 消力池长度计算过程及结果分析

消力池长度计算结果，见表9—11。

表9 控泄闸消力池长度计算结果

表10 泄洪闸（工况三）消力池长度计算结果

表11 泄洪闸（工况四）消力池长度计算结果

经上述分析，得出以下结论：①通过对工况一至工况四的计算，消力池深度取2.5 m 时，各工况所产生的水跃均为淹没水跃，消力池深度满足设计要求；②由于工况三中泄洪闸开孔数大于3 孔和工况四，水跃淹没系数均大于1.10，不能作为消力池长度的设计工况；③能够在消力池中产生有效水跃且消力池水平段长度最大值出现在工况三泄洪闸开孔数为2孔时，此工况水平段长度为31.29 m，消力池斜坡段长度为2.80 m，故计算得消力池总长34.09 m，取35.00 m；④通过水跃淹没系数在1.05≤σ0≤1.10 的数据进行对比分析发现，在总势能为近似值时，单宽流量与消力池长度成正比，满足前述分析的结果，计算成果符合理论分析结果。

5 结语

（1）本工程具有泄洪流量大、水头低、单宽流量大、洪水调度方式复杂等特点，因此消力池的设计应作为工程设计的重点。

（2）消力池设计的首要问题是工况的选取，尤其是对运行调度较复杂的工程更应将所有可能出现的工况及对应的流量、水位分析清楚。

（3）在消力池深度计算时，应重点关注单宽流量较大且总流量较小时的工况，此时的跃后水深较大且下游河床水深较浅，必然出现远驱式水跃的情况。

（4）消力池的长度由水跃长度决定，一般来说水跃长度随着单宽流量的增加而增长，在消力池长度设计时应注意较大流量的情况。