消能建筑物设计管理论文

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1.简述

高坝洲水利枢纽坝址为宽缓的丘陵谷，河床高程42.0m，河谷横断面枯水期宽120.0m，洪水期宽350.0m，横断面上宽大于高，这种地形有利于分期导流。坝址出露的基岩为寒武系中统的白云岩、砂岩互层，岩层走向280~290。，与坝线交角34~40。，倾向SW（倾向上游偏右岸），倾角一般30~35。，陡者可达40。。

坝址控制流域面积15650Km2，占清江流域的92%，多年平均流量436m3/s，多年平均径

流量138亿m3。根据《水利水电工程等级划分及设计标准》，本枢纽工程为大（2）型水电工程，等别为二等，相应泄水建筑物为二级建筑物，消能工为三级建筑物。二级建筑物设计洪水重现期100年，入库洪峰流量为17240m3/s，校核洪水重现期1000年，入库洪峰流量24070m3/s。三级建筑物设计洪水重现期50年。

枢纽工程距清江口仅12Km，坝址水位受长江水位顶托的影响较大，因此，坝址水位流量关系是以河口水位为参数的H~Q曲线簇。考虑下游航道整治与洪水的冲切影响，以河口水位为参数推求出H~Q曲线簇，作为同级流量的“下限水位”；以天然河床H~Q曲线簇的最高水位作为同级流量的“上限水位”；当泄量大于10000m3/s时，长江水位顶托的影响不明显，H~Q曲线近于单一线。

2.泄洪消能设计特点

(1)高坝洲河谷较宽，枢纽主要建筑物均布置于河床，应尽量使建筑物少向岸边扩展以节省工程量，因此溢流前缘宜短勿长；

(2)清江洪水陡涨陡落，峰高量大，泄水建筑物必须有足够的泄流能力和超泄能力，故泄水建筑物应考虑以堰流为主；

(3)泄水建筑物布置须考虑临时与永久相结合，满足二期导流和初期发电的要求。当库水位为62.0m时，泄流能力不小于3000m3/s，同时闸门能控制运用，以维持发电水位。另外，泄洪建筑物调度运用须满足2000m3/s流量以下的安全通航要求；

(4)消能工的特点是单宽大、佛氏数低，下游水位变幅大，设计中应很好地解决此类的消能问题。

3.泄洪消能建筑物布置

经多方案比较论证，泄洪布置采用“堰孔结合，以堰为主”的布置型式。即在一期工程中布置3个泄洪深孔，兼作导流之用，在二期工程布置6个表孔，作为主要的泄洪设施。

3.1泄洪深孔设计

泄洪深孔布置在纵向围堰坝段与厂房之间的三个深孔坝段，前缘总长54.00m，采取墩中分缝，除1#孔左墩为8.0m外，其余闸墩厚均为3.80m。

深孔体型采用有压短管型式，有压段出口尺寸为9.0×9.4m，有压段长14.30m。进口底坎高程为45.0m，底缘曲线为近1/4圆弧，顶缘曲线为的一部分，进口侧面为斜椭圆柱面，其水平截面为1/4椭圆曲线，方程为；有压段后为明流泄槽，泄槽底部采用二次抛物线Y=0.007X2，泄槽出口两侧闸墩53.0m高程以下采用扩散出口，扩散园弧半径为41.10m，扩散顺流向长度为5.72m，由此闸墩厚度由3.80m变至3.40m。在有压段设有两道胸墙，其间设事故检修门槽，事故检修门由坝顶门机启闭。有压末端设弧形工作门，由布置在下游侧71.00m高程平台的固定卷扬机操作。

3.2泄洪表孔设计

六个表孔跨13#—19#坝段的横缝布置，溢流前缘长度116.50m，孔口尺寸14.00×18.00m（宽×高）；中墩厚4.20m，13#坝段边墩厚4.50m，19#坝段边墩厚7.00～4.00m。表孔泄槽由直段和宽尾墩侧边构成的收缩段组成，其中直段水平投影长度为23.80m，收缩段位于闸墩尾部，由闸墩逐渐展宽形成，长度为9.0m，收缩比β=0.5。出口立面高程53.94m以下孔宽为7.0m，高程53.94m至67.00m孔宽由7.0m变至14.00m，由此形成“Y”型出口。

表孔溢流堰堰顶高程为62.00m，堰顶距堰头4.80m。堰顶上游面为1/4椭圆，椭圆方程（以堰顶0点为原点建立的坐标系），堰头与上游坝面齐平。堰顶下游面由WES堰面曲面、斜面及反弧段组成。WES型堰面曲线方程为Y=0.0415X1.85,斜面坡度为1：0.75，反弧段半径R=16.00m，中心角为39.5384°。表孔设平板事故检修闸门和弧形工作门，平板事故检修闸门由坝顶2×1600KN门机启闭，弧形工作门支铰中心线高程70.00m，弧形工作门由布置在闸墩顶部的液压启闭机操作。

4.消能工设计

根据高坝洲枢纽水头低、单宽大这一水力特性，施工详图阶段之前曾对消能型式进行了多方案比较。挑流消能因挑距近，不适宜于本工程；底流消能对流量和水头的适应范围较大，是水利工程中较为常用的消能措施，但对池长、池底高程有较严的要求，因而工程量大；戽式消能特别是宽尾墩加戽式池乃近年发展的新型消能工，对低佛氏数水流的消能效果甚好，相对于底流消能，可以减少消能工工程量。经比较，本工程选择戽式池为消能建筑物。

4.1水力学设计

在泄洪布置和消能型式基本确定后，计算各级流量下戽流、底流的第二共扼水深（或临界水深），与相应的下游水位进行比较，以选择合理的消能型式和消力池尺寸、体型等，再通过水工模型试验验证或修改。表孔用公式一和公式二进行计算，深孔利用公式二和底流消能公式计算。

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——系数，ψ=1.1K

表孔、深孔的水力计算结果分别列于表1、表2。计算结果表明，表孔消能工用两种公式进行计算，均能满足稳定戽流时σ=1.1的要求；深孔用底流公式和戽流公式进行计算，淹没度σ差值在1～3.4%范围，流量越小，σ值越低，特别是在下游水位为“下限水位”时，消力池设计工况下淹没度小于1.0，池长、池底高程略显不足。经在模型上进行论证，与计算结果基本吻合：表孔戽式池对下游水位的适应性较好，各级流量情况下池内均能产生稳定的淹没水跃，跃尾在池内；深孔戽式池对下游水位较敏感，一般情况下，水跃位于池内，但当Q=1500~2000m3/s，而下游出现“极限低水位”时，戽式池长度略显不足。由于清江涨水而长江不涨水的可能性几乎不存在，再者下游水位可通过发电来调节，因此，出现此种极端的情况完全可以避免。

表1表孔戽式池水力计算

频率枢纽总泄量表孔泄量表孔单宽流量上游水位下游水位公式一计算结果公式二计算结果

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深孔戽式池水力计算

频率

枢纽总泄量

深孔泄量

深孔单宽流量

上游水位

下游水位

戽流消能计算结果

公式二计算结果

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消能工结构设计

消能工结构型式比较了封闭抽排和锚固自排两种方案。本工程因消力池面积与周长比偏小，封闭后消力池结构减少的工程量不足以补偿基础渗控工程量，此外封闭抽排方案要设置廊道和抽水系统，增加了施工难度和运行费用。锚固加自排的方案施工方便，运行简单，当基岩较好时，锚桩的锚固效果有充分保证，并能取得较好的经济效益。经比较采用锚固加自排的结构型式。

锚桩的布置按抗浮稳定计算而得，Kf≥1.1，通过现场试验，深孔上峰尖组基岩内单桩（4φ36）锚固力取为60t，表孔黑石沟组基岩锚固力取为80t。锚桩间排距2～3m，桩长9.0m，进入基岩的锚固长度为7.0m。护坦基础设由主、付排水沟形成的排水网，以降低护坦扬压力，此项措施在设计中仅作为安全储备。

5.泄洪消能建筑物设计优化

5.1深孔布置调整及消能型式优化

初步设计阶段，深孔坝段前缘长度51.00m，消能工为戽式池。戽式池能产生戽流流态，呈现“两滚一浪”，出戽后的涌浪降低，涌浪后的漩滚消失，但由于深孔属大单宽流量、低佛氏数这一水力特性，使得消能效果不很理想，下游河床冲刷深度和下游水位波动值较大；另外，由于深孔两侧导墙在平面上均存在不对称台阶形，且泄洪中心线左、右侧过流断面不均（左小右大），在戽池内形成回流，使深孔两边孔跃头下移，尤以左侧更甚。为解决上述问题，施工详图阶段，随着设计工作和水工模型试验研究的不断深入，对深孔的布置及消能工的体型作了修改和调整：

（1）深孔孔口尺寸不变，通过减少右边墩及缝墩（中墩由两缝墩组成）厚度0.2m（厚度由4.0m减至3.80m），即相应减少10#、11#坝段宽度各0.4m，将减少的宽度增加至9#坝段左墩，从而达到泄洪深孔整体右移的目的，此措施使深孔泄洪中心线右移0.6m；

（2）将厂房坝段减少3.0m，增加到深孔中心线以左的左边墩上，再加上右边墩及中墩减少的宽度，左边墩厚度由4.0m增至8.0m，相应深孔坝段由总长的51.00m增至54.00m，相应厂闸导墙中心线左移2.04m，从而增加消力池左侧的过流面积。

（3）在1#、3#深孔的出口直立边墙与左、右导墙的正常断面间设29.00m长的扭面过渡段，以使水流平顺入池并减小回流。

（4）将坡度1：2.5、高度5.0m的连续式尾坎优化为雷伯克齿坎，高坎高度7.0m，低坎高度4.0m，上、下游均以1：2的坡度分别与消力池底板、护固段相接。

经对深孔坝段布置的调整和消能工的体型进行优化后在1/100水工模型上验证，各种运用工况下，池内能够产生稳定的水跃漩滚，跃头前移，坎顶水面平稳，出池水流相对较均匀；消能效果充分，坎顶流速和不均匀系数降低，下游冲刷深度减小3.0～6.0m，下游水位波动值降低1.50m左右。

5.2表孔泄洪消能型式优化

在初步设计的基础上，着重对宽尾墩加戽式池的消能型式进行了研究，对表孔泄洪消能设计作了如下优化：

(1)为减少泄槽内的单宽流量及挡水闸门高度，并结合取消上游碾压混凝土围堰，利用坝体临时挡水发电的要求，将表孔坝顶高程由61.00m抬至62.00m，孔宽由13.00m抬至14.00m；

(2)将闸墩由平尾墩改成上“Y”口型宽尾墩，改善了收缩射流水流入池条件，堰上水流以收缩射流进入戽池，在池内产生稳定完整的三元戽跃漩滚，紊动强烈，消能率显著提高。

(3)为减少消力池开挖，将池底高程由32.5m抬高至34.00m，尾坎高程也相应抬高1.5m；

(4)为改善水流出池流态，将池长由原来的40.87m增长至60.245m；

(5)将二期下游横向围堰42.00m高程以下予以保留，以此阻挡底部回流对纵向围堰下纵段基础的淘刷，取得了很好的效果。

表孔泄洪消能设计通过上述优化，既节约了工程量，又缩短了工期，为二期工程在一个枯水期内完成基础开挖和坝体62.00m高程以下的混凝土浇筑创造了条件，从而使提前发电的计划得以实施。同时，消能效果显著提高，下游流态得到改善，表现为坝顶流速由12～13m/s降低至7.5～8.5m/s，垂线流速不均匀系数减小，下游河床的冲刷减弱，冲坑深度减少了3～8m。