贺德直 马新平 周莉 吴海亮（设计一处）

[摘要]   南阳回龙抽水蓄能电站下库大坝采用碾压混凝土施工，为了更好地把碾压混凝土施工工艺与泄洪建筑物的消能方式结合起来，缩短施工工期，本文就下库溢流坝的消能作了详细的研究。

[关键词] 溢流坝   消能方式   研究

1  概述

    南阳回龙抽水蓄能电站下库大坝采用碾压混凝土施工，坝高53.30m，泄水建筑物包括泄洪排沙底孔和溢流坝，泄洪排沙底孔为短压力进口明流洞挑流消能，溢流坝采用无闸门控制自由泄流，溢流坝面采用常态抗冲耐磨混凝土浇筑，下游采用挑流消能，五十年一遇设计洪水时，堰顶水头2.50m，相应单宽流量7.73m³/s.m；五百年一遇校核洪水时，堰顶水头4.40m，相应单宽流量18.04m³/s.m。

2  阶梯溢流坝消能方式研究

    阶梯溢流坝是结合碾压混凝土施工工艺，保留坝体碾压与浇筑过程中的坝面台阶或预制混凝土模板，将传统的光滑溢流坝面改作成具有阶梯状的溢流坝，利用阶梯溢流坝面台阶可以消散坝面水流的部分能量，降低溢流坝址处水流流速和动能，简化下游消能设施。与传统的光滑溢流坝面相比，阶梯溢流坝面消能方式简化了坝体施工工艺，同时又有消能效益，是一种经济实用的消能方式，在碾压混凝土溢流坝上得到广泛应用。

    影响阶梯溢流坝消能效果的因素很多，其中的单宽流量是最主要因素，目前有关阶梯式溢流坝消能问题的研究资料大部分是针对某一具体工程的试验成果，有关阶梯式溢流坝的水力特性、消能率等系统研究较少。从对收集到的资料分析，中低水头小单宽流量情况时，阶梯坝面为主要消能设施，并辅以其它消能设施（如美国上静水坝溢流坝、吉林延边河龙水库溢流坝阶梯坝面+底流T型墩消力池）；高水头大单宽流量情况下，阶梯坝面消能效果降低，结合碾压混凝土施工，消能常采用宽尾墩+阶梯式坝面+戽式消能工（如福建水东、云南大朝山等）、宽尾墩+阶梯式坝面+底流消力池（如广西百色）等综合消能设施。

    资料表明：在堰上水头较小时，单宽流量较小，整个溢流阶梯坝面阶梯相当于多级跌水；随着流量的增加，溢流面水流的多级跌水状态消失，水流表面趋于平顺，但水面紊动大，整个溢流坝面水舌破碎，表面掺气，此时溢流面阶梯对水流的扰动作用最强，其消能效果也最好；随着流量的继续增加，水流表面趋于光滑，阶梯潜没于溢流水舌之下，内部仍紊动强烈，但阶梯的消能作用已降低。从单宽流量对阶梯面消能效果的影响看，当单宽流量大于15m³/s.m时，阶梯的消能作用不明显，以阶梯为主要消能设施的工程，建议单宽流量最好不大于10m³/s.m。

2.1 阶梯式溢流坝消能计算

    南阳回龙抽水蓄能电站下库溢流坝设计洪水单宽泄量7.73m³/s.m，校核洪水单宽泄量18.04m³/s.m，根据以上资料分析，在设计洪水情况下，采用阶梯溢流坝面消能似无问题，但在校核洪水情况下，溢流坝下游必须采取其它辅助消能设施。

    为研究校核洪水情况下溢流坝阶梯坝面+其它消能设施的可行性，并适当考虑阶梯坝面的消能作用，在以下的计算中，分别考虑了阶梯坝面消能率0%、10%、20%和30%等几种情况。

⑴ 阶梯式溢流坝面+挑坎挑流消能方式

    挑流消能是利用水流能量将水流挑至远离坝脚的下游河床，减轻过坝水流对坝体的影响和危害，小流量挑流本身即易产生贴流及挑距不远等问题，阶梯坝面水流的能量消耗更加剧了该问题的产生和危害。因此，在小流量情况下采用此种消能方式组合是不适宜的。

⑵ 阶梯式溢流坝面+消力池底流消能方式

    根据坝址水文、地形资料，坝下游河床高程455.0m，下游最高水位462.13m，底流消能采用挖深式消力池，取校核洪水情况下的消力池底流淹没系数为1.05，则考虑阶梯坝面不同消能率情况下的底流消能计算结果见表1：

表1            底流消能消力池计算成果表

    计算结果看，由于下游河床水深较小，消力池下挖深度较大，消力池长度也较大，因此其工程量相应也较大。

⑶ 阶梯式溢流坝面+消力戽面流消能方式

    按一般要求确定消力戽斗底部高程同下游河床面高程，戽斗半径15.0m，戽坎挑角45⁰，计算结果表明，由于下游河床水深较小，戽斗流态为淹没挑流，难以形成戽流。因此，此种消能方式组合不能成立。

⑷ 阶梯式溢流坝面+跌坎面流消能方式

    根据坝下游水深情况，跌坎面流消能以尽量抬高跌坎后部底板高程、满足消能对下游的最小水深要求为原则，初步确定跌坎高程455.50m，坎高2.50m，校核洪水时阶梯坝面不同消能率情况下的跌坎面流区界水深计算结果见表2：

表2               跌坎面流区界水深计算成果表

    从计算结果可以看出，在初步确定的跌坎高程和坎高情况下，跌坎下游水深h_t界于第一区界水深h_t1和第二区界水深h_t2之间，跌坎面流流态为自由面流或混合面流。

2.2 溢流坝消能方式比较

    综合上述分析，从工程设计方面考虑，我们认为：

2.2.1 阶梯式溢流坝面消能作为结合碾压混凝土筑坝技术发展起来的一种新型消能方式，对简化坝体施工程序、缩短施工工期及发挥消能效益是有益的，但目前对阶梯式溢流消能方式的研究尚局限于某一具体工程实例，还缺乏系统的研究及计算方法，因此在工程实际运用中，必须进行模型试验验证。

2.2.2 从溢流坝本身的消能方式来看，溢流坝采用设计的光滑溢流坝面挑流消能及论证研究的阶梯式溢流坝面+消力池底流消能和阶梯式溢流坝面+跌坎面流消能均为可行，但从工程本身运用方面考虑，挑流消能方式存在小水流量挑不出及挑距不远的问题，坝趾处增设防冲护坦能够满足工程运用要求；阶梯式溢流坝面+消力池底流消能方式流态稳定，对上游不同泄量及下游不同尾水位的适应性较强，运用情况良好；阶梯式溢流坝面+跌坎面流消能方式对下游尾水的要求较高，对岸坡的冲刷危害也较严重。因此从溢流坝本身的消能及运用情况看，溢流坝下游消能宜选择光滑坝面挑流消能方式或阶梯式溢流坝面+消力池底流消能方式。

2.2.3 从工程量方面比较，采用光滑溢流坝面挑流消能，为解决坝脚右岸岸坡对挑射水流的影响，需对坝下游右岸岸坡削坡处理，同时为防止小流量时水流挑不出及挑距不远对坝脚的冲刷，需在坝趾处增设防冲护坦。采用阶梯式溢流坝面+消力池底流消能，尽管减少了溢流坝面和坝脚挑流鼻坎的二期常态混凝土的工程量，但增大了坝体长度及坝趾开挖深度，相应地也增加了坝体工程量及相邻建筑物的工程量，同时由于受坝下水深和地形条件的限制，还需对坝下游河床及右岸岸坡进行大量的石方开挖，其消能防冲工程量也增加很多。初步估算底流消能与阶梯消能工程量，底流消能比阶梯消能坝体溢流面常态混凝土减少950m³、碾压混凝土量增加990m³、基础混凝土增加550m³、基础石方开挖增加1250m³，坝下游消力池混凝土增加2600m³，石方开挖增加4700m³，钢筋量增加30t，估算建安投资增加88.2万元。

2.2.4 从下库工程总体布置方面看来，下库泄洪排沙底孔采用挑流消能，溢流坝紧临泄洪排沙底孔右侧布置，泄洪排沙底孔挑流消能冲刷坑位于消力池末端附近，对下游河床的冲刷势必影响到溢流坝底流消力池防冲护坦的安全运用，因此，从下库工程总体布置方面考虑，溢流坝也宜采用挑流消能方式。

3  结论

    根据上述分析，我们认为，结合下库地形、水文条件，从工程总体布置以及工程量与投资方面比较，溢流坝采用光滑坝面挑流消能方式是适宜的。

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