固军水库消能建筑物设计研究

程 丽

(四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都，610072)

经泄水建筑物下泄的水流往往具有很高的流速，对下游河床具有明显的破坏能力。因此，必须采取相应的消能措施，消除下泄水流的巨大能力，保证下游河床和建筑物自身安全[1]。合理高效的消能建筑物设计，成为了工程投资控制的一个重要方面。

1 工程概况

固军水库位于州河左岸主要支流中河的中游，是《四川省渠江流域防洪规划报告》规划的一座近期实施的防洪水库，水库建设任务是以防洪为主，兼顾发电。水库总库容12719万m3，设计洪水位494.50m，校核洪水位494.92m，正常蓄水位494.00m，电站设计引用流量31.38m3/s，装机11.6MW。枢纽建筑物由碾压混凝土重力坝、泄洪表、底孔、左岸发电引水压力管道、坝后电站厂房、过鱼设施等组成。本工程为Ⅱ等工程，工程规模为大(2)型。枢纽区水工建筑物地震设计烈度为Ⅵ度。

2 水文地质情况

固军水库设计洪水(P=1%)流量3980m3/s，校核洪水(P=0.1%)流量5500m3/s，最大坝高77.40m。洪水过程具有峰高量大、陡涨陡落、过程尖瘦、历时短的特点。洪水过程一般为2d～3d，一日洪量占三日洪量的63%。坝址处多年平均悬移质输沙量为61万t，推移质输沙量为12.2万t，多年平均含沙量1.22kg/m3。

坝址区覆盖层主要是孤块碎石土和块卵砾石夹砂。岩体主要由岩屑砂岩、含煤砂岩组成，两者比例3∶1，以岩屑砂岩为主，碎裂结构～镶嵌结构，岩层产状N40°～50°W/SW∠25°～31°，倾下游，属BⅣ1～AⅣ1类岩体。坝基岩体中发育有控制性层间错动带C2-C7，厚度2cm～84cm不等，全连通；其余均为一般性层间错动带，共计7条，分别为M②-71、M②-41、Rn②-81、M②-21、M②-11和Rx②-31。

3 消能方式初步拟定

由于坝基岩体破碎且有延伸至下游的缓倾角层间错动带，可能被冲坑切断而形成临空面，危及坝基稳定或岸坡可能被冲刷破坏，因此下游采用底流消能，泄洪表孔与底孔共用消力池。底流消能也称水跃消能，是一种利用水跃进行消能的传统消能方式。在底流消力池中设置墩、坎、宽尾墩等辅助消能工，可以起到多方面的作用：加强紊动扩散，提高消能效率，从而使第二共轭水深有所降低，消力池长度有所缩短[2]。根据审查意见，初设阶段结合水工模型试验，补充研究表孔采用宽尾墩+消力池联合消能方案。泄洪表孔与底孔共用一个消力池，其长度为115m，净宽为47m，深度12m。消力池底板顶高程429.0m，池末消力池尾坎顶高程441.0m，消能建筑物布置详见图1。

图1 消能建筑物布置

4 宽尾墩+消力池联合消能方案

宽尾墩泄流消能工作原理：水流沿溢流坝面下泄，至宽尾墩处受其影响，收缩产生折冲水流，宽尾墩段闸孔两边水面高，中间水面低，两边的折冲水流在宽尾墩下相交，产生水翅，随着库水位的增高，泄流量的增大，折冲水流的交点有所前移。表孔中、下部水流为宽尾墩底部收缩后并产生纵向拉伸的实体水舌，而宽尾墩下游溢流坝面无水区域占比较大，约占总泄水宽度的64%。沿宽尾墩底部下泄的实体水舌沿溢流坝面及反弧段以底流水跃方式进入消力池；上部实体水舌收缩交汇产生水翅，抛向空中后大部分落入反弧段，有很少量的水流落入反弧末端的消力池池首，该部分水流以附加动量的形式加入消力池，进行消能。

4.1 宽尾墩+消力池联合消能方案水力计算

表1 固军水库宽尾墩水力参数计算

图2 固军水库相关水力参数与类似工程对比

4.2 宽尾墩+消力池联合消能方案模型试验

水工模型试验对宽尾墩+消力池联合消能方案观测了①两表孔单独运行时、②两底孔单独运行时、③两表孔和两底孔联合运行时消力池等部位的水流流态。随着库水位的升高，泄量的增大，水跃跃首下移，反弧段水深减小，消力池池首水面波动增大。当库下泄流量3085m3/s时，反弧段水垫深度不足，宽尾墩挑流水舌落入反弧段，和反弧段碰撞，反弹水流射向空中，消力池首流态变差；当下泄流量3530m3/s时，跃首继续后移，跃前水深继续降低，反弧段的水垫深度更少，宽尾墩挑流水舌落入反弧段，和反弧段碰撞后反弹，部分水流射出消力池，消力池段水流流态整体变差；当下泄流量4297.34m3/s时，跃首继续后移，跃前水深继续降低，反弧段的水垫深度更少，宽尾墩挑流水舌落入反弧段后反弹，有大量水流射出消力池，且水流紊动异常剧烈，此时消力池段水流流态已不能满足水流消能要求。消力池流态详见图3。

宽尾墩水流流态在设计洪水和校核洪水时消力池内水垫深度均明显不足，导致宽尾墩中上部挑射水流撞击反弧段产生强烈反弹水流，出现明显涌浪，消力池首流态很差，消力池高度也明显不足。

图3 模型试验照片(宽尾墩)

4.3 宽尾墩+消力池联合消能方案小结

宽尾墩+消力池联合消能是近年来应用较为广泛的消能型式。目的通过形成的三元水跃使池中水流紊动剧烈，大量掺气，漩涡破碎，紊动剪切作用增强，提高消能效果。本工程经水力计算及水工模型试验验证，采用宽尾墩+底流消能时，池内水垫深度不足，导致宽尾墩中、上部挑射水流撞击反弧段产生强烈反弹水流，出现明显涌浪，消力池池首流态很差，消力池高度也明显不足。消力池深度至少需要加深5m才能满足宽尾墩消能工要求。结合大坝抗滑稳定计算成果及工程投资比较，下挖消力池方案、或加高消力池边墙方案均不合理，因此，本工程不宜采用宽尾墩消能方式。

5 跌坎+消力池消能方案

5.1 跌坎+消力池消能方案水力学计算

首先，进行各级流量下的平底消力池的池深计算，若池深较大，则考虑采用综合消力池；然后，确定综合消力池深、坎高参数后，进行池长、池底板厚度，海漫长度计算；最后，对确定的综合消力池进行各级流量下的流态复核，确定是否可以控制水跃发生在消力池内，以及下游是否需要二级消力池。

综合消力池采用池底高程429.0m，尾坎顶高程441.0m，下游河底高程434.0m。经计算，水跃均控制在消力池内，坎后跃后水深小于下游水深，不需要二级消力池。根据各级流量工况计算，综合消力池长度按消能工况控制，长度取115m，并在反弧段末端设置2m高跌坎，减小高速水流对消力池底板的冲刷破坏，计算结果见表2。

表2 消力池池长计算结果

5.2 跌坎+消力池消能方案模型验证

当泄量小于1900m3/s时，表孔单独运行时消力池流态优于底孔单独运行时消力池流态；泄量1900m3/s时，表孔单独运行和表、底孔联合运行时消力池流态均可行；消力池在50年一遇洪水流量3510m3/s及以上时，表、底孔联合运行时的水流流态优于表孔单独运行。

消力池在50年一遇洪水流量3510m3/s和100年一遇洪水流量3980m3/s时，表、底孔联合运行工况消力池流态理想，均为淹没度不大的淹没水跃，池长、池深及消能容积均满足水跃消能要求；1000年一遇洪水流量5257.45m3/s时，表、底孔联合运行工况消力池流态基本良好，池长、池深及消能容积也基本能满足消能要求。

反弧段末端跌坎能够有效降低临底流速和脉动压强，提高消力池底板的结构安全。模型试验照片详见图4。

图4 模型试验照片(消力池消能)

6 结论

固军水库工程具有洪峰流量大，消能建筑物单宽流量大，消能区岩体抗冲能力较低的特点。设计论证开展了大量的水力计算与科研试验研究工作，最终采用了表孔和底孔联合泄洪，跌坎+底流消能方式。经水工模型试验研究验证，固军水库消能建筑物的布置形式很好地适应了坝址区的地形地质条件，能够满足消能要求，消能效果良好。