陳小林，申 慧，于新艷

(中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司，湖北 武漢 430072)

在水利水電工程中，泄水建筑物受地形高差、地質(zhì)條件及樞紐其他建筑物總體布置等因素限制，其末端下泄水流與下游天然河道相銜接時(shí)很難解決水流消能防沖問(wèn)題，采用單一常規(guī)的底流消能、挑流消能或者面流消能，往往效果不好。因此，采用怎樣的消能方法才能避免下泄水流不沖刷河床、不損害其他建筑物是非常重要的。

1 工程概況

新源縣水利樞紐工程規(guī)模為中型，等別為Ⅲ等。工程總庫(kù)容為8393萬(wàn)m3，總投資為102500萬(wàn)元，主要由大壩、表孔溢洪洞、泄洪洞等建筑物組成。永久性主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)，臨時(shí)性建筑物級(jí)別為5級(jí)。

工程表孔溢洪洞設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，洪峰流量Q=196m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，洪峰流量Q=300m3/s。泄洪方式為溢洪道單獨(dú)泄洪，溢洪道不設(shè)閘門，溢流堰為側(cè)槽式，堰型采用WES堰。進(jìn)口控制段布置在左壩肩，全長(zhǎng)400m。表孔溢洪洞由進(jìn)口段、側(cè)堰段、調(diào)整段、洞身段、泄槽段、挑流段和下游消力池及泄洪渠段7段組成，其中下游消力池及泄洪渠段包括消力塘、八字進(jìn)水口、陡槽段、臺(tái)階式陡坡、消力池、泄洪渠6部分。

2 工程地質(zhì)

表孔溢洪洞因巖土類型、基巖風(fēng)化程度、圍巖類別、構(gòu)造影響和洞身結(jié)構(gòu)等不同，可大致分為3段。

2.1 側(cè)堰段

側(cè)堰段進(jìn)口處發(fā)育有一條沖溝，溝內(nèi)地表植被極發(fā)育。該段以挖方為主，基礎(chǔ)座置于混合土漂石和強(qiáng)風(fēng)化基巖上?；旌贤疗穸燃s9.0m，雜色，青灰色，松散-稍密，稍濕-飽水，多以塊石為主，塊石成分與山體母巖成分一致，巖性為灰?guī)r，分選性好，級(jí)配不良，顆粒多呈棱角狀，磨圓度差，具有不均勻性、大孔隙性，架空結(jié)構(gòu)，充填中粗砂，其中0～6.0m內(nèi)塊石含量較多。天然密度為2.38g/cm3，天然含水率為2.78%，天然干密度為2.31g/cm3，內(nèi)摩擦角為35°，滲透系數(shù)為8.16×10-1cm/s，允許水力比降為0.10。承載力建議值為220kPa，變形模量為14MPa，基巖巖性為灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化帶厚0.50～5.00m，呈碎塊狀，巖石完整性差，裂隙發(fā)育，易碎，用鍬鎬可以挖動(dòng)，堅(jiān)硬部分需用爆破，弱風(fēng)化基巖的飽和抗壓強(qiáng)度為59.4MPa。

2.2 調(diào)整段和洞身段

該段全部為基巖，巖性為灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀為330°∠40°～70°， 該段洞軸線處于弱風(fēng)化基巖內(nèi)，弱風(fēng)化基巖的飽和抗壓強(qiáng)度為59.4MPa，圍巖類別多為Ⅲ類，堅(jiān)固系數(shù)fk=5，K0=1500MN/m3，部分洞身段圍巖類別為Ⅳ～Ⅴ類，建議堅(jiān)固系數(shù)fk=1～3，K0=600～1000MN/m3。巖層走向與洞軸線夾角為75°，巖層傾角為40°～75°，因此，沿傾向掘進(jìn)對(duì)隧洞開(kāi)挖比較有利，反傾向掘進(jìn)對(duì)隧道開(kāi)挖影響一般或者不利，掘進(jìn)過(guò)程中可能遇到掉塊、滲水和巖體塌坍等現(xiàn)象，需采取加固措施。

2.3 泄槽段、挑流段和下游消力池及泄洪渠段

該段地表植被極發(fā)育，生產(chǎn)大量杏樹、灌木等，發(fā)育一條常年流水沖溝，流量約為0.1m3/s。該段以挖方為主，基巖的挖方量相對(duì)較多?；A(chǔ)座置于強(qiáng)、弱風(fēng)化基巖和混合土漂石上，混合土漂石厚度大于18.0m，未揭穿，潮濕-飽水，稍密，多以塊石為主，塊石成分與山體母巖成分一致，巖性為灰?guī)r，分選性好，級(jí)配不良，顆粒多呈棱角狀，磨圓度差，具有不均勻性、大孔隙性，架空結(jié)構(gòu)，強(qiáng)透水性，局部中粗砂含量較多，其中地表以下8.0～10.0m處有大孤石，粒徑為60～80cm。天然密度為2.29g/cm3，天然含水率為3.99%，天然干密度為2.20g/cm3，內(nèi)摩擦角為35°，滲透系數(shù)為8.16×10-1cm/s。承載力建議值為220kPa，變形模量為14MPa，基巖巖性為灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化層厚0.5～5.0m，呈碎塊狀，巖石完整性差，裂隙發(fā)育，巖石錘擊啞聲，巖石大部分變酥，易碎，用鍬鎬可以挖動(dòng)，堅(jiān)硬部分需用爆破，弱風(fēng)化基巖的飽和抗壓強(qiáng)度為59.4MPa。

3 消能方案

3.1 方案總布置

表孔溢洪洞末端現(xiàn)狀為自然沖溝，此處與下游河道河底高差36m。沖溝匯入河道處距發(fā)電廠房較近，為保護(hù)發(fā)電廠房，減小下泄水流對(duì)自然沖溝的沖刷，在表孔溢洪洞末端采用差動(dòng)式挑流鼻坎將下泄水流空中消能后挑入消力塘進(jìn)行第二次消能，水流在消力塘內(nèi)部消能穩(wěn)定后溢出，水流進(jìn)入右側(cè)的八字進(jìn)水口，通過(guò)八字進(jìn)水口將水流由寬變窄至適合水流進(jìn)入陡槽段，通過(guò)臺(tái)階式陡坡進(jìn)行第三次消能，差動(dòng)式挑流鼻坎、消力塘、八字進(jìn)水口聯(lián)合解決溢出的水流滿足水流流態(tài)、流速要求的角度，與陡槽段連接。消力塘、八字進(jìn)水口、臺(tái)階式陡坡段的連接解決消力塘至泄洪渠之間高差和部分消能問(wèn)題；經(jīng)臺(tái)階式陡坡第三次消能的水流進(jìn)入泄洪渠首段的消力池進(jìn)行第四次消能，最終水流平順進(jìn)入泄洪渠后流向下游距樞紐建筑物較遠(yuǎn)的天然河道。如圖1所示。

圖1 消能方案

3.2 主要建筑物設(shè)計(jì)

3.2.1差動(dòng)式挑流鼻坎

該差動(dòng)式挑流鼻坎長(zhǎng)15m，高坎高1.50m，挑射角為30°，反弧半徑為13m，低坎挑射角為20°，反弧半徑為16m，低坎以下1m深度內(nèi)采用鋼筋硅粉混凝土，其余采用鋼筋混凝土，挑流鼻坎底部設(shè)前后齒墻，齒墻深入基巖，并對(duì)挑流鼻坎底部進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，挑坎底部設(shè)砂漿錨桿。

鼻坎兩側(cè)邊墻為混凝土重力式擋土墻，迎水面鉛直，背坡為1∶0.35，沿挑流鼻坎與邊墻交界處設(shè)縱縫，縱縫設(shè)止水材料，填縫材料采用高壓閉孔板，封縫材料采用丙乳砂漿。

3.2.2消力塘

挑流鼻坎末端下設(shè)寬15m、長(zhǎng)60m、深8m的鋼筋混凝土消力塘，挑流水舌進(jìn)入消力塘消能后由側(cè)向溢流堰流出，溢流堰為高10m的WES實(shí)用堰。消力塘采用鋼筋混凝土襯砌。

3.2.3八字進(jìn)水口

水流由消力塘側(cè)向溢流堰流出，根據(jù)地形，該段水平轉(zhuǎn)彎131°，溢流堰后接1∶10陡坡，此處為八字形布置，由 50m漸變成4m，保證溢出水流由寬變窄進(jìn)入3m寬的泄槽。此段采用混凝土護(hù)砌。

3.2.4臺(tái)階式陡坡

該段長(zhǎng)40m，底坡為1∶4，平面寬度由4m漸變至6m，為增加消能效果，在陡坡上設(shè)高差0.5m連續(xù)臺(tái)階，該段為整體式矩形槽結(jié)構(gòu)，采用鋼筋硅粉混凝土襯砌。

3.2.5消力池

該段長(zhǎng)30m、寬6.0m，消力池池深2.5m，底板為混凝土，消力池長(zhǎng)2/3處至尾坎設(shè)排水孔與反濾料。消力池邊墻為整體式矩形槽，采用鋼筋硅粉混凝土襯砌。

3.2.6泄洪渠

泄洪渠縱坡i=0.02，矩形斷面，底寬6m，采用細(xì)?；炷疗鍪Y(jié)構(gòu)，邊墻高5m，采用細(xì)?；炷疗鍪亓κ綋跬翂Y(jié)構(gòu)，墻頂寬0.5m，背坡為1∶0.4，前后趾寬、高均為0.8m。泄洪渠段每隔8m設(shè)一道橫向伸縮縫，底部設(shè)齒墻，齒墻寬0.5m、深1.2m，伸縮縫止水材料采用“651”橡膠止水帶，填縫材料采用高壓閉孔板，封縫采用丙乳砂漿。

泄洪渠出河床處設(shè)置防沖墻，墻高3.5m，對(duì)下游20m范圍內(nèi)河底進(jìn)行護(hù)砌，采用1.0m厚細(xì)?；炷疗雎咽?，在兩岸設(shè)置50m護(hù)岸，采用細(xì)?；炷疗雎咽?，護(hù)坡厚0.5m，基礎(chǔ)埋深為3.5m。

4 水力模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 水力模型研究?jī)?nèi)容

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程實(shí)際要求，對(duì)表孔溢洪洞開(kāi)展水工水力學(xué)試驗(yàn)研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：

(1)分析進(jìn)口側(cè)堰泄流情況，對(duì)側(cè)堰體型進(jìn)行優(yōu)化。

(2)分析溢洪洞出口泄流情況，對(duì)溢洪洞與挑流消能之間連接段進(jìn)行優(yōu)化。

(3)分析挑流消能空中軌跡、入水情況，對(duì)消能設(shè)施體型進(jìn)行優(yōu)化。

(4)分析消力塘與泄洪渠道出水銜接情況，對(duì)相關(guān)水工建筑物進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 水力模型實(shí)驗(yàn)結(jié)論

4.2.1水力模型優(yōu)化內(nèi)容

設(shè)計(jì)方案結(jié)合水力模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次優(yōu)化、分布實(shí)施，最終的優(yōu)化方案與原設(shè)計(jì)方案相比，包括7個(gè)部分：①側(cè)堰體型優(yōu)化；②側(cè)槽體型優(yōu)化；③溢洪洞整體高程下降；④溢洪洞進(jìn)口體型優(yōu)化；⑤泄槽段底板體型優(yōu)化；⑥挑流鼻坎體型優(yōu)化；⑦消力塘深度增加。

4.2.2水力模型優(yōu)化效果

優(yōu)化后表孔溢洪洞泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求，側(cè)槽與溢洪洞進(jìn)口段的流態(tài)較為平順，泄槽段水流無(wú)明顯脫空現(xiàn)象出現(xiàn)。挑流水舌落水區(qū)相對(duì)分散，縱向范圍由原設(shè)計(jì)方案的12m增加到17m，增幅約40%。消力塘出水趨于均勻、平穩(wěn)，一定程度上減緩了泄洪渠進(jìn)口水流壅高溢水的趨勢(shì)。

差動(dòng)式挑流鼻坎配合深度8m的消力塘的綜合消能效果較好，明顯減輕了消力塘水流在對(duì)岸邊坡的爬升幅度，平順了消力塘出水流態(tài)和泄洪渠的水流銜接。

5 結(jié)語(yǔ)

表孔溢洪洞末端通過(guò)差動(dòng)式挑流鼻坎的挑流水舌在空中消能后進(jìn)入消力塘，水舌在消力塘內(nèi)消能比較充分，水流在消力塘內(nèi)摻混均勻后由側(cè)向溢流堰流出完成2次消能。消力塘和八字進(jìn)水口的連接靈活解決了消力塘與泄洪渠之間水流束窄、連接角度問(wèn)題。八字進(jìn)水口、陡槽段和臺(tái)階式陡坡解決了消力塘與泄洪渠之間高差和部分消能問(wèn)題，通過(guò)臺(tái)階式坡面沿程摻氣、旋滾消能，減少了泄洪渠銜接段水流折沖，改善了泄洪渠進(jìn)口水流壅高溢水現(xiàn)象。為保證水流順利歸槽，在臺(tái)階式陡坡消能后接消力池，可將水流最終余能消耗于消力池中，水流平順進(jìn)入泄洪渠后流向下游距樞紐建筑物較遠(yuǎn)天然河道，徹底解決了表孔溢洪洞水流消能問(wèn)題。