水利水電樞紐工程泄洪消能設(shè)計分析

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【摘要】針對水利水電樞紐工程泄洪消能設(shè)計相關(guān)問題，做了簡單的論述?，F(xiàn)階段，我國高壩泄洪消能技術(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，在實際應(yīng)用中，需要結(jié)合水利水電樞紐工程實際，加強泄洪消能設(shè)計要點的把控，以合理設(shè)計，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，減少對下游的沖刷。

1樞紐工程泄洪消能設(shè)計內(nèi)容概述

開展水利水電樞紐工程泄洪消能設(shè)計，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、岸坡保護等問題，需要做好水工模型試驗，進行高速水流研究，以合理設(shè)計。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，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，其出口單寬達到643m3/（s•m），是我國水利水電樞紐工程建設(shè)中首個在低孔出口采取此技術(shù)的，技術(shù)水平遠(yuǎn)超國外最高水平。隨后，我國在此技術(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，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。基于二灘工程泄洪消能經(jīng)驗，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，實現(xiàn)射流沖擊荷載傳遞，發(fā)揮混凝土材料的性能優(yōu)勢，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)計泄量為1184m3/s，底板厚度是1.1m，模型試驗結(jié)果最大動水壓強在250kPa左右，采取的是錨桿加固技術(shù)。通過原型觀測，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與水墊塘中的凈水壓強相比較低，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。通過試驗表面，對于反拱水墊塘底板，其最大動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

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，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)計效能防沖物，入庫洪峰流量是3260m3/s。

3.2泄洪建筑物設(shè)計

此工程泄洪建筑物設(shè)計，主要分為以下內(nèi)容：（1）泄洪中心線與泄洪軸線的選擇?；谙掠蔚匦螌嶋H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。通過水工模型試驗驗證，水舌入水寬度能夠基本落在主河床內(nèi)，不沖刷岸坡。對于泄洪軸線的選擇，其半徑取值直接影響著泄水流的落點，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?；诖髩蜗掠蔚匦吻闆r，將表孔堰頂，作為泄洪軸線，半徑取值為300m，經(jīng)過水工試驗驗證，所選擇的泄洪軸線，能夠確保入水布滿河床，不會對兩岸岸坡造成沖擊。（2）表、中孔布置。結(jié)合下游地形與地質(zhì)特點，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。考慮到消能的需求，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，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)過泄流能力計算，夏季防汛期水位為403m，中孔泄流量為1673m3/s，能夠達到下游防洪調(diào)度的要求。在設(shè)計泄洪建筑物時，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

結(jié)合有利的消能區(qū)水力條件，此高壩壩下消能防護設(shè)計中，使用的是護岸不護底的天然水墊塘消能。經(jīng)過水工試驗驗證，消能工洪水工況下，中孔控制下泄流量為700m3/s時，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)。考慮到?jīng)_坑的影響，對于水墊塘消能區(qū)域兩岸岸坡坡腳，采取混凝土鐵坡防護的措施。

3.4水工模型試驗結(jié)論

通過試驗?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)計具 有可行性。經(jīng)過沖刷試驗表明，在下泄100a一遇的洪水時，各泄流工況下，沖坑不會對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

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

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

作者:呂常亮 單位:長沙市水利水電勘測設(shè)計院