水利水電樞紐工程泄洪消能設(shè)計(jì)分析

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【摘要】針對(duì)水利水電樞紐工程泄洪消能設(shè)計(jì)相關(guān)問題，做了簡(jiǎn)單的論述。現(xiàn)階段，我國(guó)高壩泄洪消能技術(shù)種類較多，部分泄洪消能技術(shù)較為成熟，被廣泛的應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中，需要結(jié)合水利水電樞紐工程實(shí)際，加強(qiáng)泄洪消能設(shè)計(jì)要點(diǎn)的把控，以合理設(shè)計(jì)，確保樞紐工程的泄洪消能水平。

【關(guān)鍵詞】水利水電；樞紐工程；泄洪消能；孔板消能

水利水電樞紐工程泄洪消能問題，是工程設(shè)計(jì)的重要技術(shù)問題，需要有效的分析擋水、泄水、興利建筑物的關(guān)系，合理布局。同時(shí)要根據(jù)地形、水文條件等，合理的選擇泄洪方式，科學(xué)選擇與布置泄水建筑物，要選擇安全可靠性能較高的消能方式，以解決水利樞紐泄洪的安全性問題，充分消能，減少對(duì)下游的沖刷。

1樞紐工程泄洪消能設(shè)計(jì)內(nèi)容概述

開展水利水電樞紐工程泄洪消能設(shè)計(jì)，主要涉及到樞紐總體布置、泄水建筑物的選型、消能工的選型、下游河床保護(hù)、岸坡保護(hù)等問題，需要做好水工模型試驗(yàn)，進(jìn)行高速水流研究，以合理設(shè)計(jì)。泄洪消能是衡量水利水電工程建設(shè)有效性的重要指標(biāo)，通常采取建設(shè)配套設(shè)施的方式，來實(shí)現(xiàn)樞紐工程泄洪消能。

2水利水電樞紐工程泄洪消能技術(shù)

2.1窄縫挑坎挑流消能技術(shù)

此技術(shù)主要是在泄槽溢洪道與泄洪洞等的末端，建設(shè)挑流消能工。此消能方式工程量較小，工程造價(jià)較低，被廣泛應(yīng)用于高壩大流量泄洪建筑物中。龍羊峽水電站建設(shè)時(shí)，右岸高低兩孔岸邊溢洪道便采取了曲面貼角窄縫挑坎，出口單寬達(dá)到769m3/（s•m），并且左岸中孔出口轉(zhuǎn)21.6°后接窄縫挑坎，其出口單寬達(dá)到643m3/（s•m），是我國(guó)水利水電樞紐工程建設(shè)中首個(gè)在低孔出口采取此技術(shù)的，技術(shù)水平遠(yuǎn)超國(guó)外最高水平。隨后，我國(guó)在此技術(shù)方面不斷創(chuàng)新，單口寬度不斷增加，被廣泛的應(yīng)用[1]。

2.2高拱壩泄洪消能技術(shù)

此類型水利樞紐工程具有泄量大、泄洪總功率大等特點(diǎn)，在狹窄河谷地區(qū)的水電站，其泄洪消能和抗沖問題較為突出?；诙┕こ绦购橄芙?jīng)驗(yàn)，在后續(xù)工程中多采取分層出流、分區(qū)效能、水流撞擊的方案。除此之外，水墊塘型式也被廣泛的應(yīng)用，即復(fù)式反拱斷面底板，利用河床基巖自然形成的形狀，把底板制作為反拱形，借助力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)射流沖擊荷載傳遞，發(fā)揮混凝土材料的性能優(yōu)勢(shì)，比如抗壓特性，提升局部穩(wěn)定性與底板整體穩(wěn)定性。譬如：長(zhǎng)潭崗81.6m高的拱壩，其形成沖坑后，采用了反拱形，建設(shè)水墊塘，設(shè)計(jì)泄量為1184m3/s，底板厚度是1.1m，模型試驗(yàn)結(jié)果最大動(dòng)水壓強(qiáng)在250kPa左右，采取的是錨桿加固技術(shù)。通過原型觀測(cè)，了解到反拱水墊塘消耗能效較好，水流較為平順，而且底板下滲透壓強(qiáng)與水墊塘中的凈水壓強(qiáng)相比較低，能夠明確底板完好。同工況下，反拱形底板的安全性較好，是平底板的2~3倍。通過試驗(yàn)表面，對(duì)于反拱水墊塘底板，其最大動(dòng)水沖擊壓力控制值的選擇，可以取值30×9.81kPa[2]。

3水利水電樞紐工程泄洪消能設(shè)計(jì)

3.1工程案例分析

某水利水電樞紐工程攔河壩，屬于碾壓混凝土雙曲拱壩，壩高最大值為141m。混凝土拱壩設(shè)計(jì)，按照500a一遇的標(biāo)準(zhǔn)，夏季入庫洪峰流量5340m3/s，秋季入庫洪峰流量為2770m3/s。按照50a一遇的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)效能防沖物，入庫洪峰流量是3260m3/s。

3.2泄洪建筑物設(shè)計(jì)

此工程泄洪建筑物設(shè)計(jì)，主要分為以下內(nèi)容：（1）泄洪中心線與泄洪軸線的選擇?；谙掠蔚匦螌?shí)際情況，將向拱壩中心線右岸偏轉(zhuǎn)6.5°，即NW342.232°，作為泄洪中心線。通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，水舌入水寬度能夠基本落在主河床內(nèi)，不沖刷岸坡。對(duì)于泄洪軸線的選擇，其半徑取值直接影響著泄水流的落點(diǎn)，通常半徑取值越小，則下泄水流向心集中的現(xiàn)象便越嚴(yán)重，給下游河床造成嚴(yán)重的沖刷。基于大壩下游地形情況，將表孔堰頂，作為泄洪軸線，半徑取值為300m，經(jīng)過水工試驗(yàn)驗(yàn)證，所選擇的泄洪軸線，能夠確保入水布滿河床，不會(huì)對(duì)兩岸岸坡造成沖擊。（2）表、中孔布置。結(jié)合下游地形與地質(zhì)特點(diǎn)，按照控制水舌入水寬度的原則，在平面上，采取相間布置的方式，將中孔設(shè)置在表孔的左右中墩下部，和泄洪中心線對(duì)稱，溢流前緣寬度在58m左右。表孔堰頂高程為408m，孔口的寬度為12m?？紤]到消能的需求，表孔出口設(shè)置挑角或者俯角鼻坎，促使表孔水舌可以在縱向上分層入水，減輕下泄水流帶來的沖刷。除此之外，表孔在堰頂設(shè)置了弧形閘門，沒有設(shè)置檢修閘門，在枯水期水位下降到＜408m時(shí)，開展工作閘門檢修作業(yè)?？壮隹谠O(shè)置了弧形工作閘門，規(guī)格為5×7m，即寬×高。經(jīng)過泄流能力計(jì)算，夏季防汛期水位為403m，中孔泄流量為1673m3/s，能夠達(dá)到下游防洪調(diào)度的要求。在設(shè)計(jì)泄洪建筑物時(shí)，需要結(jié)合樞紐工程防洪調(diào)度，做好調(diào)洪演算，結(jié)果如表1所示。

3.3壩下消能設(shè)計(jì)

結(jié)合有利的消能區(qū)水力條件，此高壩壩下消能防護(hù)設(shè)計(jì)中，使用的是護(hù)岸不護(hù)底的天然水墊塘消能。經(jīng)過水工試驗(yàn)驗(yàn)證，消能工洪水工況下，中孔控制下泄流量為700m3/s時(shí)，中孔最大沖坑深4m，沖坑上端和壩腳之間的距離為114m，上游坡比是1：3.75，兩側(cè)坡比是1：7.7，中孔挑距比較遠(yuǎn)?？紤]到?jīng)_坑的影響，對(duì)于水墊塘消能區(qū)域兩岸岸坡坡腳，采取混凝土鐵坡防護(hù)的措施。

3.4水工模型試驗(yàn)結(jié)論

通過試驗(yàn)?zāi)軌蜃C明，壩身泄洪建筑物布局具有合理性，表、中孔體型布置能夠滿足基本要求，壩下水墊塘消能設(shè)計(jì)具 有可行性。經(jīng)過沖刷試驗(yàn)表明，在下泄100a一遇的洪水時(shí)，各泄流工況下，沖坑不會(huì)對(duì)大壩和兩岸山體的安全造成影響。

4結(jié)束語

水利水電工程中，需要合理設(shè)計(jì)泄洪消能，以確保工程建設(shè)的質(zhì)量。采取泄洪消能措施，能夠提升水利水電工程建設(shè)的質(zhì)量，滿足水利水電建設(shè)的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]沙世琨.水利樞紐孔板泄洪消能的研究[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2015（02）：163~164.

[2]謝省宗，吳一紅，陳文學(xué).我國(guó)高壩泄洪消能新技術(shù)的研究和創(chuàng)新[J].水利學(xué)報(bào)，2016（03）：324~336.

作者:呂常亮 單位:長(zhǎng)沙市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院