[科普中國(guó)]-消力戽消能

消力戽消能的工作原理是利用戽坎在水下的特點(diǎn)，使水流分別在戽內(nèi)和戽后旋滾，形成“三滾一浪”，進(jìn)而達(dá)到消能目的。優(yōu)點(diǎn)是工程量比消力池小，沖刷坑比挑流消能小，不存在霧化問題。

簡(jiǎn)介壩址巖性主要為淺變質(zhì)中厚層石英砂巖，層間夾千枚狀粉砂巖、細(xì)砂巖和頁(yè)巖。壩址地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，壩址正處于由NE向SW傾伏背斜的軸部，背斜軸走向N40°E，與河流近于直交；河床中雖不存在較大的順河向斷層，但在背斜軸部附近的兩翼，存在7條較大逆斷層；特別是壩腳下游約10m處有1條橫跨河床的F6逆斷層，寬約11m(含影響帶)，帶內(nèi)充填千枚巖及破碎巖、碎塊巖，風(fēng)化較深。當(dāng)施工圍堰越過F6斷層邊緣后，基坑抽水困難。這就限制了溢流堰下游消能工的長(zhǎng)度，給大壩泄洪消能設(shè)計(jì)帶來一大難題。

壩上水電站壩雖不高，但有3個(gè)明顯的特點(diǎn)。一是單寬流量大，最大可達(dá)100.24m3/(s·m)在類似工程中較為少見；二是佛氏數(shù)低，約為1.7，是典型的弱水躍；三是樞紐布置緊湊，下游沖淤和運(yùn)行條件的惡劣，直接關(guān)系到壩后式水電站的運(yùn)行。

1.單項(xiàng)消能工及其參數(shù)選擇

原布置試驗(yàn)后，為了論證各種消能工在壩上水電站特定的水力邊界條件下產(chǎn)生的作用，以設(shè)計(jì)工況2900m3/s為控制，進(jìn)行了3個(gè)對(duì)比試驗(yàn)。下面所述沖深以消力池尾坎高程212.0m為基點(diǎn)。

(1) 消力池與消力戽。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在保留寬尾墩的情況下，如將消力池長(zhǎng)由10m縮至5m，最大沖深8.30m，比原布置加深了1.45m；如在反弧后直接用R=7.0m挑角45°的消力戽取代消力池，最大沖深7.22m ，優(yōu)于單純縮短消力池的做法。

(2) 寬尾墩的作用。將消力戽取代消力池后，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，一是改變?cè)瓕捨捕盏纳舷挛恢脤?duì)壩上的消能影響甚微；二是如將寬尾墩尾部由1m加寬至2m，最大沖深10.41m，沖坑加深較大，明顯不利；三是取消寬尾墩，最大沖深6.78m ，不但沒有加深，反而略有有減小?？梢?，寬尾墩在壩上水電站特定的水力邊界條件下作用不大，為此取消寬尾墩。

(3) 消力戽反弧半徑的選定。取消寬尾墩后，消力戽反弧半徑先后采用R=7.0m、R=8.0m、R=9.0m 進(jìn)行比較試驗(yàn)。

由于在大流量情況下，消力戽中的消能水體不足，小半徑條件下常常造成較大沖刷，而R=9.0m方案沖坑反坡適中，綜合考慮，選取反弧半徑R=9.0m。

2.聯(lián)合消能工選擇

在論證了取消寬尾墩，并選取反弧半徑R=9.0m的消力戽后，接下來是如何選擇聯(lián)合消能工的問題。在我國(guó)東北地區(qū)，T形墩被用于中低壩，收到較好的消能效果，但佛氏數(shù)低到1.7 左右則較少見。為此，進(jìn)行了較詳細(xì)的水工模型對(duì)比試驗(yàn)分析論證1。

T形墩位置、體型選擇(1) 位置選擇。以9個(gè)墩高1m、墩長(zhǎng)4m的T形墩進(jìn)行比較。消力池方案，在閘墩尾部布設(shè)最大沖深比在尾坎處布設(shè)減少0. 58m；消力戽方案在閘墩尾部布設(shè)較合理。綜合考慮，選取在閘墩尾部布設(shè)T 形墩。

(2) 體型選擇。將T形墩長(zhǎng)度由4m縮至3m時(shí)，沖深相差無幾，由3m縮至2m時(shí)，沖深增加了0.77m；將T 形墩高度由1m 增至2m ，將T 形墩的排列由“一字形”改為“箭頭形”，對(duì)消能影響不大。綜合考慮，選定T形墩長(zhǎng)度3m、高度1m ，沿溢流壩寬度方向“一字形”排列，布設(shè)9個(gè)。

聯(lián)合消能工選擇以T形墩+ 消力池、T形墩+消力戽兩種聯(lián)合消能工進(jìn)行模型試驗(yàn)比較分析。沖深數(shù)據(jù)分別以消力池尾坎頂高程212.0m、消力戽鼻坎頂高程211.65m為基點(diǎn)。

T形墩+消力池聯(lián)合消能方式不理想，設(shè)計(jì)工況下沖坑反坡大于設(shè)計(jì)規(guī)范要求，池長(zhǎng)10.8m不夠，若要加長(zhǎng)消力池，勢(shì)必要跨過F6斷層，施工困難，投資大。

T形墩+消力戽聯(lián)合消能工，池長(zhǎng)10.8m ，小于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的池長(zhǎng)，但其消能效果明顯。設(shè)計(jì)工況下：

①最大及最不利點(diǎn)沖坑反坡滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，最大沖刷比T形墩+ 消力池方案減少了約56%；

②沖坑形態(tài)為底部較平的鍋底形狀，從中孔河床距鼻坎24m處出現(xiàn)最不利點(diǎn)沖深3.52m，上游以1∶6.85反坡延伸至鼻坎，40m處出現(xiàn)最大沖深4.14m，然后以平緩后坡延伸至80m處，堆砂高程高出河面約2.4m，左導(dǎo)墻末端外8m處沖深2.75m，右導(dǎo)墻末端處約有8m×8m的范圍被淘刷深3.88m，然后以平緩坡度向左右岸山坡延伸；

③上游庫(kù)水位為230.37m，相應(yīng)下游水位為223.31m，其相應(yīng)的流量系數(shù)0.4564，泄流能力較原方案大19%左右；

④在設(shè)計(jì)流量及以下各級(jí)流量水流流態(tài)均為淹沒戽流，戽內(nèi)消能充分，鼻坎處測(cè)得最大流速23.01m/s，河床流速4.5～6.5m/s，面流速大，而底流速小，左右岸回流范圍及強(qiáng)度較原方案縮小了，最大回流速2.5m/s，約減少了25%～32%。在校核工況下，消力戽流態(tài)為臨界戽流，在距鼻坎64m 處最大沖深加大為6.70m，坡比1∶9.55 (滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求)，其余沖坑形態(tài)、淘刷范圍、流量系數(shù)、流速及回流情況均與設(shè)計(jì)工況差不多，僅數(shù)據(jù)增大。所以，最終決定采用T形墩+消力戽聯(lián)合消能工為壩上水電站泄水建筑物消能方式。

T形墩+消力戽聯(lián)合消能工的布置設(shè)計(jì)1.堰面曲線

泄水建筑物溢流堰凈寬36m不變，仍布設(shè)3扇12m×10m 弧形鋼閘門。溢流堰上游曲線采用橢圓曲線X2/2.52+(1.5-Y)2/1.52=1，下游曲線采用Y=0.077X1.85的WES曲線，接一坡度為1.16∶1的直線段，下接一半徑R=4.87m、角度為49.26°的反弧段。

2.牛腿及閘墩

牛腿及閘墩根據(jù)溢流堰水面曲線及弧形鋼閘門尺寸、啟閉設(shè)備布置。弧門牛腿支鉸中心高程226.40m ，高于該處水面線高程225.88m；閘墩總長(zhǎng)20.9m(由于取消了寬尾墩，比原方案縮短了2.8m)，墩厚2.0m，頂高程237.0m。

3.T形墩+消力戽

反弧段后接一長(zhǎng)為4.34 m 的平段，其上布置9個(gè)高1m、長(zhǎng)3m的T形墩，最后接一半徑R = 9.0m、角度為45°的消力戽，閘墩尾至消力戽末長(zhǎng)度10.8m，戽末鼻坎頂高程211.65m ，閘墩末端消力戽凈寬40m。

4.左右岸導(dǎo)流墻

為了減弱左右岸回流影響，減輕水流對(duì)下游河床及壩腳的淘刷，左右岸導(dǎo)墻(頂高程為223.31 m)向外擴(kuò)散。左導(dǎo)墻擴(kuò)散角為16.59°，長(zhǎng)度為10.8m ，右導(dǎo)墻擴(kuò)散角為7.84°，長(zhǎng)度為15.52m。由于在模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)右導(dǎo)墻末端處約有8m×8m的范圍被淘刷至207.66m(深3.88m) ，此處又正處于橫跨河床的F6 斷層處，所以設(shè)計(jì)上考慮在消力戽末端開始，從河床以下右導(dǎo)墻擴(kuò)大為1.5m ，基礎(chǔ)應(yīng)挖至206.5m ，然后用毛石混凝土回填。

按T形墩+消力戽方案布置后，壩上水電站溢流壩及消能工總寬度不變，底部總長(zhǎng)29.7m ，比原方案縮短2.0m。

總結(jié)壩上水電站由于特殊的地形地質(zhì)及大流量、弱水躍、壩后式電站樞紐布置緊湊等問題，使大壩泄洪消能設(shè)計(jì)復(fù)雜，經(jīng)分析計(jì)算及水工模型試驗(yàn)，設(shè)置了T形墩+消力戽聯(lián)合消能工。工程于2000年1月試運(yùn)行以來，泄洪多次，其中“2000/08/25”洪水時(shí)，3孔弧形閘門全開，最大下泄流量1700m3/s，上游最高水位228.0m，下游最高水位217.0m，T 形墩處水花濺起約20m。5年多的運(yùn)行泄洪消能驗(yàn)證，溢流堰未發(fā)現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，戽內(nèi)消能充分，下游河床及兩岸均未發(fā)現(xiàn)明顯沖刷，回流消失或極小，泄洪不影響電站正常運(yùn)行，達(dá)到了較好的消能效果。也證明了T形墩+消力戽聯(lián)合消能工對(duì)低弗氏數(shù)的中低壩的消能效果是比較理想的2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

徐恒山 - 講師 - 西北農(nóng)林科技大學(xué)