台阶溢洪道消能技术在砂砾石大坝中的设计应用

唐占君

(哈密托实水利水电勘测设计有限责任公司，新疆 哈密，839000)

1 工程概况

二道白杨沟水库是以工业供水为主的拦河式小型山区年调节水库，水库总库容430万m3。水库枢纽由拦河坝、溢洪道和导流、放水隧洞组成，枢纽布置可充分利用左岸天然冲沟有利地形，将泄水建筑物溢洪道布置在左岸。将导流、放水隧洞布置于左岸岩体较为完整的山体内。

坝体采用碾压式沥青混凝土心墙坝，最大坝高为82.6m，坝长为198m。坝顶高程1995.6m，防浪墙顶高程1996.8m。前坝坡1∶2.25，后坝坡1∶1.8。坝顶宽度为10m，坝顶上游设2.2m高防浪墙，坝顶高程1995.6m，防浪墙顶高于坝顶1.2m，坝顶设20cm厚混凝土路面，坝顶自防浪墙位置向下游设坡，坡度取2%。上游坝坡采用25cm厚的现浇混凝土板护坡，现浇混凝土板分块尺寸为(3m×3m)，混凝土标号为C25F300W6。坝后共设2道“之”字形上坝路，路宽取8m，纵坡为8%，路基为20cm厚砂砾石。

导流、放水隧洞为施工期导流、正常运行时放水。隧洞由进口段、塔井段、有压隧洞段、竖井段、无压隧洞段和出口消能段组成。放水、导流隧洞全长545m，洞身段长381m，设计底坡1：50，断面形式采用城门洞形。导流、放水隧洞为无压隧洞，施工导流时最大泄量为17.01m3/s。

左坝肩布置岸边正槽溢洪道，溢流堰采用宽顶堰形式，泄槽底板采用台阶式。溢洪道起调水位为水库的正常蓄水位，堰顶高程同起调水位。

图1 溢洪道控制段及渐变段上游剖面

2 溢洪道布设方案

泄水建筑物溢洪道由进口段、控制段、渐变段、泄槽段、消能段和尾水渠段组成，溢洪道尾水渠末端接入放水隧洞尾水渠，总长271.50m，校核洪水下泄流量Qmax=164.47m3/s，设计洪水下泄流量Qmax=54.10m3/s。

2.1 进口段

桩号Y0+000～Y0+021.85段为进口段，长21.85m，溢洪道进口段为岩石开挖平台，将洪水平顺地导向溢流堰，溢流堰前底板高程为1991.7，宽度为22m，坡度为i=0，右侧岩石开挖断面直墙高5m，2m平台后放坡，边坡系数1:0.5，断面不做衬砌，开挖断面直墙段及以上岩石开挖边坡布设φ18的砂浆锚杆，锚杆采用Ⅱ级钢筋，间距为2.0m×2.0m，锚杆长度2m，锚入岩石2m，采用梅花形布置，同时采用C20混凝土喷护，喷护厚度δ=100mm。

2.2 控制段

桩号Y0+021.85～Y0+031.85为控制段，采用宽顶堰，堰宽22m，堰长10m，堰顶高程为1992.71m，宽顶堰底板厚0.5m，底坡i=0，左侧边墙靠山体，断面开挖直墙同边墙高为5.11m，2m平台后放坡，边坡为1∶0.5。右侧边墙与坝体相接，边墙高5.11m，边墙顶高程同防浪墙顶高程为1996.82。底板及边墙采用0.5m厚钢筋混凝土结构，底板及边墙布设φ22的砂浆锚杆，锚杆采用Ⅱ级钢筋，间距1.5m×1.5m，锚杆长3m，锚入岩石3m，采用梅花形布置，锚杆伸入钢筋混凝土，并与底层钢筋网焊接。边墙以上岩石开挖边坡布设φ18的砂浆锚杆，锚杆采用Ⅱ级钢筋，间距为2.0m×2.0m，锚杆长2m，锚入岩石2m，采用梅花形布置，同时采用C20混凝土喷护，喷护厚度δ=100mm。

2.3 渐变段

桩号Y0+031.85～Y0+093.85段为渐变段，渐变段起端与宽顶堰连接，底板高程为1992.71m，末段与泄槽段首端连接，底板高程为1968.71m。

渐变段底宽由22m渐变至6m，总长62m，扩散角θ=7.35°，坡度为i=1∶2.6，断面形式为矩形，断面开挖直墙同边墙高为5.2m，2m平台后放坡，边坡为1∶0.5。渐变段桩号Y0+031.85～Y0+070.00段右侧底板及边墙外采C20素混凝土衬砌，强风化层开挖成台阶式，混凝土衬砌外边坡为1∶0.5。渐变段底板采用h×L=1m×2.6m的C25钢筋混凝土台阶，h、L分别为台阶步高和步长，边墙采用0.5m厚C25钢筋混凝土结构。底板及边墙布设φ22的砂浆锚杆，锚杆采用Ⅱ级钢筋，间距为1.5m×1.5m，锚杆长3m，锚入岩石3m，采用梅花形布置，锚杆伸入钢筋混凝土，并与底层钢筋网焊接。边墙以上岩石开挖边坡布设φ18的砂浆锚杆，锚杆采用Ⅱ级钢筋，间距为2.0m×2.0m，锚杆长2m，锚入岩石2m，采用梅花形布置，同时采用C20混凝土喷护，喷护厚度δ=100mm。

2.4 泄槽段

桩号Y0+093.85～Y0+211.25段为泄槽段，采用台阶消能式泄槽，坡度为i=1∶2.6，断面形式为矩形，断面开挖直墙同边墙高为5.2m，2m平台后放坡，边坡为1∶0.5。泄槽段底板采用h×L=1m×2.6m的C25钢筋混凝土台阶，h、L分别为台阶步高和步长。边墙采用0.5m厚C25钢筋混凝土结构。底板及边墙布设φ22的砂浆锚杆，锚杆采用Ⅱ级钢筋，间距1.5m×1.5m，锚杆长3m，锚入岩石3m，采用梅花形布置，锚杆伸入钢筋混凝土，并与底层钢筋网焊接。边墙以上岩石开挖边坡布设φ18的砂浆锚杆，锚杆采用Ⅱ级钢筋，间距为2.0m×2.0m，锚杆长2m，锚入岩石2m，采用梅花形布置，同时采用C20混凝土喷护，喷护厚度δ=100mm。

2.5 消能段

桩号Y0+211.25～Y0+254.25为出口消能段，出口消能采用底流消能方式，消力池全长43m，其中斜长段长8m，池身段长35m，池深2m。消力池断面形式为矩形，断面开挖直墙同边墙高为8.50m，2m平台后放坡，边坡为1∶0.5。底板及边墙采用0.5m厚钢筋混凝土结构，底板及边墙布设φ22的砂浆锚杆，锚杆采用Ⅱ级钢筋，间距为1.5m×1.5m，锚杆长3m，锚入岩石3m，采用梅花形布置，锚杆伸入钢筋混凝土，并与底层钢筋网焊接。边墙以上岩石开挖边坡布设φ18的砂浆锚杆，锚杆采用Ⅱ级钢筋，间距为2.0m×2.0m，锚杆长2m，锚入岩石2m，采用梅花形布置，同时采用C20混凝土喷护，喷护厚度δ=100mm。

2.6 尾水渠段

桩号Y0+254.25～Y0+271.50为尾水渠段，采用断面形式为矩形，坡度为i=1∶2.6，尾水渠末端接入放水涵洞尾水渠，接入点底高程为1921.18m。尾水渠底板及边墙采用0.5m厚钢筋混凝土结构。

3 消能形式选择

根据坝址处地形、地质条件及泄水建筑物的布置，溢洪道末端消能设施采用底流消能形式，消能设施距大坝后坝坡较近，根据《溢洪道设计规范》(SL 253-2018)，消能建筑物的局部破坏危机到大坝即挡水建筑物安全时，采用与大坝及挡水建筑物相同的校核洪水标准进行校核，消能设施设计标准为1000年，流量为164.47m3/s。工程采用底流消能，为等宽矩形断面消力池，消力池宽6m。对溢洪道不同消能方式，在同等水力条件下进行比较选择。

3.1 泄槽台阶消能、末端消力池综合方案

溢洪道泄槽底宽为6m，底坡i=2.6；台阶溢洪道底板采用h×L=1m×2.6m的C25钢筋混凝土台阶，h、L分别为台阶步高和步长，边墙为0.5m厚的C25钢筋混凝土结构。

经计算，台阶溢洪道泄槽段出现均匀掺气水流的掺气水深为2.49m，均匀掺气水流流速为11.02m/s。台阶泄槽段末端设置消力池，消力池池深d=2.0m，消力池池长L=35.0m。消力池采用钢筋混凝土结构，混凝土标号为C25F300W6。

3.2 末端消力池消能

溢洪道泄槽底宽为6m，底坡i=2.6，溢洪道泄槽段采用C25钢筋混凝土结构，底板厚0.5m，边墙厚0.5m。计算泄槽掺气水深为1.31m，流速为26.54m/s。泄槽段末端设置消力池消能，消力池池深d=6.17m，消力池池长L=75.0m。消力池采用钢筋混凝土结构，混凝土标号为C25F300W6。

表1 泄槽段不同消能方式特征

从消能形式上比较，溢洪道消能方式采用台阶消能，在千年一遇的的流量下，泄槽段消减87.3%的能量。溢洪道尾部水流流速小，很大程度上减轻对下游冲刷破坏，优势明显。溢洪道末端需设的消力池尺寸较合理的布置，而平滑钢筋混凝土断面末端流速较大，需设消力池尺寸较大，根据现有的地形，无法合理的布置，综合考虑，选择左岸正槽溢洪道泄槽台阶消能、末端消力池消能综合方案。

4 台阶溢洪道泄槽段设计

4.1 泄槽首端临界水深及临界底坡计算

计算公式为：

经计算，泄槽首端临界水深dc=4.38m，临界底坡ik=0.005。

4.2 台阶泄槽段水流流态判别

依据昌桑计算公式：

跌流水舌流态：(dc/h)特=0.0916(h/L)-1.276

分离流流态：(dc)始/h=1.057-0.46(h/L)

式中：h、L分别为台阶步高和步长，h=1m，L=2.6m。

当dc/h<(dc/h)特时，为完全发展的水跃型跌流水舌流态。

当dc/h>(dc)始/h时，出现分离流流态。

计算得：(dc/h)特=0.310，(dc)始/h=1.039，则由dc/h=4.384>(dc)始/h可知，水流为分离流流态。

当水流为分离流流态时，水流通过台阶面为一种稳定流，水流漂越台阶，并被陷落在台阶上的旋转水体所衬垫。

4.3 表面掺气计算

从泄槽首端算起至长度L1处开始出现表面掺气，计算公式为：

L1=K*×9.719(sinα)0.0796F*0.713

v=q/d1

糙度K*=hcosα

式中：d1——该断面水深，m；

v——该断面平均流速，m/s；

q——泄槽单宽流量，m3/s。

计算泄槽表面掺气状况如下：

表2 泄槽表面掺气计算

从堰顶算起至长度60.90m处开始出现表面掺气，该断面水深d1=2.04m，平均流速v=13.44m/s。

4.4 出现均匀掺气水流的距离计算

出现均匀掺气水流的距离L2的计算公式为：

均匀流掺气水深d0为：

表3 泄槽出现均匀掺气水流的距离计算

计算得出现均匀掺气水流的距离L2=121.64m，均匀掺气水流的水深d0=2.49m，相应平均流速v0=11.02m/s。实际泄洪通道长L=211m，由此可知泄洪通道出现均匀掺气水流，泄槽水流为均匀掺气水流。

4.5 泄槽边墙高度

由以上计算可知，泄槽段出现均匀掺气水流，则泄槽段边墙高度可按均匀掺气水深加安全超高计算，由计算所得均匀掺气水流的水深d0=2.49m，平均流速v=11.02m/s。

则泄洪通道边墙高度：H=d0+△=2.49+1.0=3.49，则泄槽设计边墙高为3.5m。

4.6 消能率计算

=87.3%

计算得总能头为68.36m的台阶式溢洪道消能率为87.30%，还有12.7%剩余能量，需设计消力池消能。

5 结语

“U”型河谷布设拦河式砂砾石大坝枢纽工程，其中泄水建筑物采用台阶式溢洪道形式是可行的，在保证安全泄洪的情况下，经台阶式溢洪道泄槽段消能，有效减缓水流流速，消能率可达到87%以上，保障大坝枢纽工程的安全运行。