某大型水利枢纽泄水建筑物的消能防冲设计

甘文宁

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

1 工程概况

某水利枢纽工程位于西南地区，是一座以防洪为主，兼顾发电、航运等综合效益的大（2）型水利工程，水库总库容为8.5×108m3，防洪库容7.8×108m3，水库设计洪水标准为500 年一遇，校核洪水标准为2000 年一遇[1]。水库正常蓄水位为163.00 m，汛限水位为153.00 m，设计洪水位、防洪高水位均为186.8 m，校核洪水位为186.94 m。枢纽主要建筑物有挡水坝（混凝土重力坝）、泄水建筑物、发电厂房、船闸及鱼道等。位于挡水前沿的溢流坝为2级建筑物，消能防冲建筑物设计洪水标准采用50年一遇[1]。

2 消能型式选择

目前工程上常用的消能型式主要有挑流、面流、戽流、底流及其他辅助消能工，消能型式的选择应考虑以下因素：设计水头、设计流量、河床地质条件、泄水建筑物分区及运行调度方式等。从水头及流量角度分析，本工程泄洪流量大，50 年一遇、100年一遇、500 年一遇及2000 年一遇的泄洪流量分别达14 400、16 500、21 200、24 114 m3/s；泄洪总水头变幅较大，泄洪时上游水位变化范围为153.00 m（汛限水位）～186.94 m（校核洪水位），下游水位变化范围为133.94～161.30 m，较难满足形成面流和戽流的水位条件；同时，从泄水孔体型角度分析，本工程泄水孔堰顶高程为138.00 m，下游河床高程约为133.50 m，堰体高度较低，在上游低水位时较难形成挑流。从通航安全和水轮机运行角度分析，本工程上、下游有航运要求，通航安全对水流条件有较高的要求，挑流、面流和戽流消能的下游水流衔接型式复杂多变，不易控制，下游水位波动较大，较易产生不稳定的水流流态，将直接影响船舶航行安全和水轮机的平顺运行。从河床地质条件分析，溢流坝段基岩主要为含砾泥质粉砂岩夹含砾泥质砂岩，岩石的软化系数为0.50～0.74，下游河床岩石不能满足某些高水头、大流速工况的抗冲要求，需修建消力池。综上分析，本工程消能型式不宜采用挑流、面流和戽流消能，应采用底流消能。

3 消能防冲计算

根据枢纽防洪运行调度规则，枢纽在启用防洪库容将库水位蓄至防洪高水位186.80 m 后下泄洪水时对消能防冲最不利。因此，本阶段在进行消能防冲设计计算时，当下泄流量Q≤21 200 m3/s 时，上游水位取186.80 m，最小下泄流量Q=1000 m3/s；当Q＞21 200 m3/s时，上游水位取调洪水位。

3.1 闸门控制运行方式

消能防冲建筑物设计计算应结合闸门控制运行方式来进行，使得消能防冲单宽流量尽量减少，达到优化建筑物布置及节省投资的目的。由于泄洪孔口孔数较多，考虑启闭设备配电容量、闸门及启闭设备检修维护等因素，在消能防冲设计时不考虑所有泄洪孔口全部同时均匀开启，而是由少到多逐步开启，且同时开启的孔数不宜过多。

3.2 设计计算

为了便于检修及减少开挖量，泄水建筑物采用综合式消力池进行底流消能。底流消能水力计算（坎高c、池深S、池长L）参考《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）及《水力计算手册》（第二版）的相关内容[2，3]。

根据枢纽布置，本工程消力池下游混凝土护坦顶高程为133.50 m，电站小机组发电流量Q为124.4 m3/s时，对应的下游水位为134.29 m。综合考虑坎后水跃条件及消力池检修等因素，将消力池尾坎高度c取0.5 m，坎顶高程为134.00 m，略低于电站小机组发电时的下游水位，在消力池一般检修时可通过在坎顶临时堆放粘土麻袋围堰挡水的方式进行检修。

3.3 计算成果

消力池的坎高c 取0.5 m，在防洪高水位工况下，根据不同闸门开启方案（孔数及开度）下泄的流量及产生的水跃形态，通过试算可确定闸门的开启方案、消力池池深S和池长L，结果见表1。

表1 防洪高水位工况消力池坎高、池深及池长计算成果表

由于永久性泄水建筑物的级别为2 级，对应的消能防冲设计的洪水标准为50年一遇，相应最大下泄流量为14 400 m3/s。根据表1 的计算结果，消能防冲设计以10 孔开启9.1 m 作为设计工况，其综合式消力池的坎高c 取为0.5 m，池深S 取为7.5 m，计算池长L 取为132.4 m。下游混凝土护坦长度根据坎后水跃长度计算成果取为56.0 m。

4 消能防冲建筑物布置及排水方案选择

4.1 消力池布置

结合溢流坝及消力池尾坎的结构布置以及水工模型试验成果，消力池总长为136.0 m，净宽132.0 m，池深7.5 m，底板顶高程126.00 m，尾坎高0.5 m，尾坎顶高程134.00 m；消力池下游设置混凝土护坦，长取70.0 m，宽140.0 m，护坦顶高程133.50 m，具体布置见图1。

4.2 消力池排水方案比选

为保证消力池底板抗浮稳定，消力池需设置排水措施。本阶段对消力池底板排水措施进行了自排和抽排两种方案的比较。

图1 溢流坝消力池底板结构布置图

自排方案的消力池底板抗浮稳定工程措施主要为：基岩钻排水孔、消力池底板底部设置排渗盲沟、底板设置排水廊道、排水出口设置在消力池边墙及纵向围堰位于水跃收缩断面处；利用底板自重及锚筋桩锚固进行抗浮；底板分缝设置双层止水防止脉动压力串入底板底部造成底板上抬。该方案正常运用工况底板扬压力折减系数取0.85，排水失效工况扬压力折减系数取1（该方案排水廊道不具备日常检修条件）[4]。

抽排方案的消力池底板抗浮稳定工程措施主要为：基岩钻排水孔、消力池底板底部设置排渗盲沟、底板设置灌浆排水廊道、设置两处集水井将基础渗水抽排至下游、消力池周边设置防渗帷幕并与大坝挡水前沿的防渗帷幕封闭；主要利用底板自重进行正常运用工况的抗浮，止水或排水失效等非常运用工况的抗浮稳定则考虑锚筋桩锚固的作用，底板分缝设置双层止水防止脉动压力串入底板底部造成底板上抬。该方案正常运用工况底板扬压力折减系数取0.4，排水局部失效工况扬压力折减系数取0.6[4]。

经底板抗浮稳定计算，两个方案的消力池底板尺寸及锚筋桩设置见表2，主要工程量及投资差见表3。

表2 自排方案及抽排方案消力池底板尺寸及锚筋桩设置表

表3 自排方案及抽排方案消力池主要工程量及投资比较表

由表3 可知，抽排方案比自排方案节省投资约2302 万元，抽排方案优于自排方案。因此，选择抽排方案作为本工程消力池底板排水的推荐方案。

4.3 消力池防渗及排水设施布置

拟在消力池底板设置纵横交错的排水廊道及排水盲沟，消力池周边设置灌浆排水廊道及防渗帷幕，消力池防渗帷幕与枢纽挡水前沿溢流坝的防渗帷幕形成封闭体系。为使挡水前沿溢流坝抽排体系与消力池抽排体系相互隔离，在消力池帷幕灌浆施工完成后需对其与挡水前沿溢流坝灌浆排水廊道联通的部分进行封堵。消力池底部排水以混凝土纵向围堰为分界，分左右侧进行排水，左侧的水排至位于主厂房底部的集水井，右侧的水排至位于船闸上闸首左侧连接段底部的集水井，集水井均可通过单独的交通竖井连至地面。

5 结语

本文以西南地区某大型水利枢纽为例，对其泄水建筑物进行消能防冲设计，以50年一遇下泄流量14 400 m3/s 为设计洪水标准，推荐采用底流消能型式和综合式消力池。根据枢纽防洪运行调度规则及闸门控制运行方式进行消能水力计算，并结合消力池检修条件、结构布置及水工模型试验成果确定本工程综合式消力池坎高0.5 m，池深7.5 m，池长136.0 m，下游混凝土护坦长70.0 m。根据消力池底板抗浮稳定的计算结果布置自排和抽排两种消力池排水方案，推荐采用抽排方案，在消力池周边设置灌浆排水廊道及防渗帷幕，与枢纽挡水前沿的溢流坝防渗帷幕形成封闭体系。