導(dǎo)語：消能建筑物設(shè)計(jì)管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1.簡(jiǎn)述

高壩洲水利樞紐壩址為寬緩的丘陵谷，河床高程42.0m，河谷橫斷面枯水期寬120.0m，洪水期寬350.0m，橫斷面上寬大于高，這種地形有利于分期導(dǎo)流。壩址出露的基巖為寒武系中統(tǒng)的白云巖、砂巖互層，巖層走向280~290。，與壩線交角34~40。，傾向SW（傾向上游偏右岸），傾角一般30~35。，陡者可達(dá)40。。

壩址控制流域面積15650Km2，占清江流域的92%，多年平均流量436m3/s，多年平均徑

流量138億m3。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，本樞紐工程為大（2）型水電工程，等別為二等，相應(yīng)泄水建筑物為二級(jí)建筑物，消能工為三級(jí)建筑物。二級(jí)建筑物設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期100年，入庫洪峰流量為17240m3/s，校核洪水重現(xiàn)期1000年，入庫洪峰流量24070m3/s。三級(jí)建筑物設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期50年。

樞紐工程距清江口僅12Km，壩址水位受長(zhǎng)江水位頂托的影響較大，因此，壩址水位流量關(guān)系是以河口水位為參數(shù)的H~Q曲線簇?？紤]下游航道整治與洪水的沖切影響，以河口水位為參數(shù)推求出H~Q曲線簇，作為同級(jí)流量的“下限水位”；以天然河床H~Q曲線簇的最高水位作為同級(jí)流量的“上限水位”；當(dāng)泄量大于10000m3/s時(shí)，長(zhǎng)江水位頂托的影響不明顯，H~Q曲線近于單一線。

2.泄洪消能設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)高壩洲河谷較寬，樞紐主要建筑物均布置于河床，應(yīng)盡量使建筑物少向岸邊擴(kuò)展以節(jié)省工程量，因此溢流前緣宜短勿長(zhǎng)；

(2)清江洪水陡漲陡落，峰高量大，泄水建筑物必須有足夠的泄流能力和超泄能力，故泄水建筑物應(yīng)考慮以堰流為主；

(3)泄水建筑物布置須考慮臨時(shí)與永久相結(jié)合，滿足二期導(dǎo)流和初期發(fā)電的要求。當(dāng)庫水位為62.0m時(shí)，泄流能力不小于3000m3/s，同時(shí)閘門能控制運(yùn)用，以維持發(fā)電水位。另外，泄洪建筑物調(diào)度運(yùn)用須滿足2000m3/s流量以下的安全通航要求；

(4)消能工的特點(diǎn)是單寬大、佛氏數(shù)低，下游水位變幅大，設(shè)計(jì)中應(yīng)很好地解決此類的消能問題。

3.泄洪消能建筑物布置

經(jīng)多方案比較論證，泄洪布置采用“堰孔結(jié)合，以堰為主”的布置型式。即在一期工程中布置3個(gè)泄洪深孔，兼作導(dǎo)流之用，在二期工程布置6個(gè)表孔，作為主要的泄洪設(shè)施。

3.1泄洪深孔設(shè)計(jì)

泄洪深孔布置在縱向圍堰壩段與廠房之間的三個(gè)深孔壩段，前緣總長(zhǎng)54.00m，采取墩中分縫，除1#孔左墩為8.0m外，其余閘墩厚均為3.80m。

深孔體型采用有壓短管型式，有壓段出口尺寸為9.0×9.4m，有壓段長(zhǎng)14.30m。進(jìn)口底坎高程為45.0m，底緣曲線為近1/4圓弧，頂緣曲線為的一部分，進(jìn)口側(cè)面為斜橢圓柱面，其水平截面為1/4橢圓曲線，方程為；有壓段后為明流泄槽，泄槽底部采用二次拋物線Y=0.007X2，泄槽出口兩側(cè)閘墩53.0m高程以下采用擴(kuò)散出口，擴(kuò)散園弧半徑為41.10m，擴(kuò)散順流向長(zhǎng)度為5.72m，由此閘墩厚度由3.80m變至3.40m。在有壓段設(shè)有兩道胸墻，其間設(shè)事故檢修門槽，事故檢修門由壩頂門機(jī)啟閉。有壓末端設(shè)弧形工作門，由布置在下游側(cè)71.00m高程平臺(tái)的固定卷揚(yáng)機(jī)操作。

3.2泄洪表孔設(shè)計(jì)

六個(gè)表孔跨13#—19#壩段的橫縫布置，溢流前緣長(zhǎng)度116.50m，孔口尺寸14.00×18.00m（寬×高）；中墩厚4.20m，13#壩段邊墩厚4.50m，19#壩段邊墩厚7.00～4.00m。表孔泄槽由直段和寬尾墩側(cè)邊構(gòu)成的收縮段組成，其中直段水平投影長(zhǎng)度為23.80m，收縮段位于閘墩尾部，由閘墩逐漸展寬形成，長(zhǎng)度為9.0m，收縮比β=0.5。出口立面高程53.94m以下孔寬為7.0m，高程53.94m至67.00m孔寬由7.0m變至14.00m，由此形成“Y”型出口。

表孔溢流堰堰頂高程為62.00m，堰頂距堰頭4.80m。堰頂上游面為1/4橢圓，橢圓方程（以堰頂0點(diǎn)為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系），堰頭與上游壩面齊平。堰頂下游面由WES堰面曲面、斜面及反弧段組成。WES型堰面曲線方程為Y=0.0415X1.85,斜面坡度為1：0.75，反弧段半徑R=16.00m，中心角為39.5384°。表孔設(shè)平板事故檢修閘門和弧形工作門，平板事故檢修閘門由壩頂2×1600KN門機(jī)啟閉，弧形工作門支鉸中心線高程70.00m，弧形工作門由布置在閘墩頂部的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。

4.消能工設(shè)計(jì)

根據(jù)高壩洲樞紐水頭低、單寬大這一水力特性，施工詳圖階段之前曾對(duì)消能型式進(jìn)行了多方案比較。挑流消能因挑距近，不適宜于本工程；底流消能對(duì)流量和水頭的適應(yīng)范圍較大，是水利工程中較為常用的消能措施，但對(duì)池長(zhǎng)、池底高程有較嚴(yán)的要求，因而工程量大；戽式消能特別是寬尾墩加戽式池乃近年發(fā)展的新型消能工，對(duì)低佛氏數(shù)水流的消能效果甚好，相對(duì)于底流消能，可以減少消能工工程量。經(jīng)比較，本工程選擇戽式池為消能建筑物。

4.1水力學(xué)設(shè)計(jì)

在泄洪布置和消能型式基本確定后，計(jì)算各級(jí)流量下戽流、底流的第二共扼水深（或臨界水深），與相應(yīng)的下游水位進(jìn)行比較，以選擇合理的消能型式和消力池尺寸、體型等，再通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證或修改。表孔用公式一和公式二進(jìn)行計(jì)算，深孔利用公式二和底流消能公式計(jì)算。

公式一——郭子中公式

h1=E[1-2cos(60。+)]

arcos(1-13.5)

η==-0.4+1.3639Fr

公式二——王世夏等人公式h1=0.71EK0.9h2=1.4Frh1

式中a——尾坎高度；h1——第一共扼水深，h2——第二共扼水深；K——流能比，K=；ψ——系數(shù)，ψ=1.1K

表孔、深孔的水力計(jì)算結(jié)果分別列于表1、表2。計(jì)算結(jié)果表明，表孔消能工用兩種公式進(jìn)行計(jì)算，均能滿足穩(wěn)定戽流時(shí)σ=1.1的要求；深孔用底流公式和戽流公式進(jìn)行計(jì)算，淹沒度σ差值在1～3.4%范圍，流量越小，σ值越低，特別是在下游水位為“下限水位”時(shí)，消力池設(shè)計(jì)工況下淹沒度小于1.0，池長(zhǎng)、池底高程略顯不足。經(jīng)在模型上進(jìn)行論證，與計(jì)算結(jié)果基本吻合：表孔戽式池對(duì)下游水位的適應(yīng)性較好，各級(jí)流量情況下池內(nèi)均能產(chǎn)生穩(wěn)定的淹沒水躍，躍尾在池內(nèi)；深孔戽式池對(duì)下游水位較敏感，一般情況下，水躍位于池內(nèi)，但當(dāng)Q=1500~2000m3/s，而下游出現(xiàn)“極限低水位”時(shí)，戽式池長(zhǎng)度略顯不足。由于清江漲水而長(zhǎng)江不漲水的可能性幾乎不存在，再者下游水位可通過發(fā)電來調(diào)節(jié)，因此，出現(xiàn)此種極端的情況完全可以避免。

表1表孔戽式池水力計(jì)算

頻率樞紐總泄量表孔泄量表孔單寬流量上游水位下游水位公式一計(jì)算結(jié)果公式二計(jì)算結(jié)果

P%Q(m3/s)Qb(m3/s)q(m3/s-m)Zu(m)Zd(m)h1(m)h2(m)σh1(m)h2(m)σ

0.10%2267016620143.382.959.15/57.819.122.631.11/1.055.6823.321.08/1.02

1%168101108095.578.556.7/55.466.818.791.21/1.144.0819.591.16/1.10

2%15660995085.87856.05/54.236.317.931.23/1.133.7118.761.18/1.08

表2深孔戽式池水力計(jì)算

頻率

樞紐總泄量

深孔泄量

深孔單寬流量

上游水位

下游水位

戽流消能計(jì)算結(jié)果

公式二計(jì)算結(jié)果

P%Q(m3/s)Qs(m3/s)q(m3/s-m)Zu(m)Zd(m)h1(m)h2(m)σh1(m)h2(m)σ

0.10%226705600112.082.959.15/57.817.5721.771.16/1.104.5521.541.17/1.11

1%168105280105.678.556.7/55.467.3321.131.07/1.024.4620.461.11/1.05

2%156605260105.27856.05/54.237.3221.081.05/0.964.4620.361.08/0.99

4.2消能工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

消能工結(jié)構(gòu)型式比較了封閉抽排和錨固自排兩種方案。本工程因消力池面積與周長(zhǎng)比偏小，封閉后消力池結(jié)構(gòu)減少的工程量不足以補(bǔ)償基礎(chǔ)滲控工程量，此外封閉抽排方案要設(shè)置廊道和抽水系統(tǒng)，增加了施工難度和運(yùn)行費(fèi)用。錨固加自排的方案施工方便，運(yùn)行簡(jiǎn)單，當(dāng)基巖較好時(shí)，錨樁的錨固效果有充分保證，并能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)比較采用錨固加自排的結(jié)構(gòu)型式。

錨樁的布置按抗浮穩(wěn)定計(jì)算而得，Kf≥1.1，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，深孔上峰尖組基巖內(nèi)單樁（4φ36）錨固力取為60t，表孔黑石溝組基巖錨固力取為80t。錨樁間排距2～3m，樁長(zhǎng)9.0m，進(jìn)入基巖的錨固長(zhǎng)度為7.0m。護(hù)坦基礎(chǔ)設(shè)由主、付排水溝形成的排水網(wǎng)，以降低護(hù)坦揚(yáng)壓力，此項(xiàng)措施在設(shè)計(jì)中僅作為安全儲(chǔ)備。

5.泄洪消能建筑物設(shè)計(jì)優(yōu)化

5.1深孔布置調(diào)整及消能型式優(yōu)化

初步設(shè)計(jì)階段，深孔壩段前緣長(zhǎng)度51.00m，消能工為戽式池。戽式池能產(chǎn)生戽流流態(tài)，呈現(xiàn)“兩滾一浪”，出戽后的涌浪降低，涌浪后的漩滾消失，但由于深孔屬大單寬流量、低佛氏數(shù)這一水力特性，使得消能效果不很理想，下游河床沖刷深度和下游水位波動(dòng)值較大；另外，由于深孔兩側(cè)導(dǎo)墻在平面上均存在不對(duì)稱臺(tái)階形，且泄洪中心線左、右側(cè)過流斷面不均（左小右大），在戽池內(nèi)形成回流，使深孔兩邊孔躍頭下移，尤以左側(cè)更甚。為解決上述問題，施工詳圖階段，隨著設(shè)計(jì)工作和水工模型試驗(yàn)研究的不斷深入，對(duì)深孔的布置及消能工的體型作了修改和調(diào)整：

（1）深孔孔口尺寸不變，通過減少右邊墩及縫墩（中墩由兩縫墩組成）厚度0.2m（厚度由4.0m減至3.80m），即相應(yīng)減少10#、11#壩段寬度各0.4m，將減少的寬度增加至9#壩段左墩，從而達(dá)到泄洪深孔整體右移的目的，此措施使深孔泄洪中心線右移0.6m；

（2）將廠房壩段減少3.0m，增加到深孔中心線以左的左邊墩上，再加上右邊墩及中墩減少的寬度，左邊墩厚度由4.0m增至8.0m，相應(yīng)深孔壩段由總長(zhǎng)的51.00m增至54.00m，相應(yīng)廠閘導(dǎo)墻中心線左移2.04m，從而增加消力池左側(cè)的過流面積。

（3）在1#、3#深孔的出口直立邊墻與左、右導(dǎo)墻的正常斷面間設(shè)29.00m長(zhǎng)的扭面過渡段，以使水流平順入池并減小回流。

（4）將坡度1：2.5、高度5.0m的連續(xù)式尾坎優(yōu)化為雷伯克齒坎，高坎高度7.0m，低坎高度4.0m，上、下游均以1：2的坡度分別與消力池底板、護(hù)固段相接。

經(jīng)對(duì)深孔壩段布置的調(diào)整和消能工的體型進(jìn)行優(yōu)化后在1/100水工模型上驗(yàn)證，各種運(yùn)用工況下，池內(nèi)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的水躍漩滾，躍頭前移，坎頂水面平穩(wěn)，出池水流相對(duì)較均勻；消能效果充分，坎頂流速和不均勻系數(shù)降低，下游沖刷深度減小3.0～6.0m，下游水位波動(dòng)值降低1.50m左右。

5.2表孔泄洪消能型式優(yōu)化

在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，著重對(duì)寬尾墩加戽式池的消能型式進(jìn)行了研究，對(duì)表孔泄洪消能設(shè)計(jì)作了如下優(yōu)化：

(1)為減少泄槽內(nèi)的單寬流量及擋水閘門高度，并結(jié)合取消上游碾壓混凝土圍堰，利用壩體臨時(shí)擋水發(fā)電的要求，將表孔壩頂高程由61.00m抬至62.00m，孔寬由13.00m抬至14.00m；

(2)將閘墩由平尾墩改成上“Y”口型寬尾墩，改善了收縮射流水流入池條件，堰上水流以收縮射流進(jìn)入戽池，在池內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定完整的三元戽躍漩滾，紊動(dòng)強(qiáng)烈，消能率顯著提高。

(3)為減少消力池開挖，將池底高程由32.5m抬高至34.00m，尾坎高程也相應(yīng)抬高1.5m；

(4)為改善水流出池流態(tài)，將池長(zhǎng)由原來的40.87m增長(zhǎng)至60.245m；

(5)將二期下游橫向圍堰42.00m高程以下予以保留，以此阻擋底部回流對(duì)縱向圍堰下縱段基礎(chǔ)的淘刷，取得了很好的效果。

表孔泄洪消能設(shè)計(jì)通過上述優(yōu)化，既節(jié)約了工程量，又縮短了工期，為二期工程在一個(gè)枯水期內(nèi)完成基礎(chǔ)開挖和壩體62.00m高程以下的混凝土澆筑創(chuàng)造了條件，從而使提前發(fā)電的計(jì)劃得以實(shí)施。同時(shí)，消能效果顯著提高，下游流態(tài)得到改善，表現(xiàn)為壩頂流速由12～13m/s降低至7.5～8.5m/s，垂線流速不均勻系數(shù)減小，下游河床的沖刷減弱，沖坑深度減少了3～8m。