布隆岩水电站溢洪洞体型优化与出口消力池消能研究
关于溢洪道消能防冲设计关键技术问题的研究
关于溢洪道消能防冲设计关键技术问题的研究发布时间：2022-09-28T07:34:08.329Z 来源：《科技新时代》2022年5期第3月作者：罗文[导读] 近年来，随着经济的飞速发展，推动了水利工程的长远发展与升级转型。
罗文水发规划设计有限公司，重庆 400000摘要：近年来，随着经济的飞速发展，推动了水利工程的长远发展与升级转型。
其中，在水利工程的建设投资逐渐增多，进一步推动了水利工程的可持续发展。
溢洪道常规为岸边式，紧临大坝坝肩布置，当水库需要泄洪时，洪水经溢洪道安全下泄至下游河道，保障了水库自身的安全。
在设计溢洪道消能防冲过程中，需要结合地形、地质及水库规模的实际情况，设计出相应的消能方式，对于大、中型工程，需通过水力学模型试验，验证设计参数，并通过模型试验，修正或更改设计参数，从而达到溢洪道消能防冲的设计效果。
而在当前溢洪道消能防冲设计中，模型试验在设计过程中逐渐成为关键手段，模型试验成果的好坏直接影响设计成果的合理性、有效性、经济性。
因此，在本文中以重庆市云阳县幸福水库工程为例，通过溢洪道的模型试验，优化设计方案，最终提高溢洪道设计的安全性、可靠性。
关键词：溢洪道消能防冲设计，关键技术问题，模型设计1.工程概况以及泄水建筑物的具体介绍重庆市云阳县幸福水库工程位于重庆市云阳县长江南岸泥溪河流域蔈草镇西阳村境内，是云阳县长江南岸关键性水资源配置工程，具有场镇供水、农业灌溉、农村人畜饮水等综合效益。
泄水建筑物为左岸岸坡式正槽溢洪道，轴线与大坝轴线斜交，总长446.20m(平面投影长度)，由进水渠、溢流堰控制段、泄槽段、消能防冲设施（消力池）、出水渠组成。
溢洪道进水渠长62.50m，进水渠底板高程419.00m，底宽由36.0m渐变至14.50m。
而溢流堰采用WES实用堰，2孔，溢流净宽12m，溢流堰堰顶高程422.50m，闸顶高程431.90m，控制段长18.00m；闸室每孔设弧形工作闸门，孔口尺寸为6.0m×6.5m(b×h)；交通桥位于闸墩下游，在闸墩尾部设7.0m宽的交通桥，桥面高程430.70m；在弧形闸门上游设检修工作桥，宽2.5m，桥面高程431.90m。
大湾水电站中低水头溢洪道消力池体型研究
关键词 ： 大湾水 电站 ； 低水头 ； 溢洪道 ； 消力池体 型； 泄流 消力
中图分类号 ： 文献标识码 ：Ｂ 文章 编号 ：０６—３５ （０ １０ —０４ —０ １０ ９ １２１ ）４ ０ １ ３
Ｄ Ｉ１．９ ９ｊｉｎ １０ Ｏ ：０３６／． ．０６—３５ ． ｌ．５００ ｏ ｒ ９１ ０１０ ．１
第 ２ 卷 ７ 第 ５期
云南水力发电
ＹＩ Ｊ ＮＮＡ ＷＡ１ Ｎ ＥＲ ｐ０Ｗ皿 ４１
大 湾 水 电站 中低 水 头 溢 洪 道 消 力 池体 型 研 究
杨竞锐 ， 晓蓉 ， 强非 骆 李
（ 中国水 电顾 问集 团昆明勘测设 计研究 院 。 云南 昆明 摘 ６ｏ ￣ ） ５ｏ １
Ｉ， ２孔 １ ×１ 宽 Ｘ高 ） 门 ， 槽 段 长 ｌ设 ｌ ２ｍ ７ ｍ（ 闸 泄
大 坝 坝 高 ４ ｎ 按 ５ ３ｔ， Ｏ年 一 遇 洪 水 标 准 设 计 ， １０ 一 遇洪 水校 核 ， 计 洪 水 流 量 和校 核 洪 水 流 ００年 设 量分 别 为 ２１０Ｔ Ｉ和 ４５０Ｉ Ｉ， ９ ３ｓ １ ３ｓ洪水 流量 相 对 工 ｎ ｎ 程规模 较 大 ， 洪 工 程 投 资 就 占到 了 总 投 资 ２ ％ 泄 ０
２ 方案设 计
初 步 设 计 溢 洪道 紧靠 左 岸 坝肩 布 置 ， 两 孔 溢 设
流表孔 ， 考虑到左 岸较 陡的边坡 ， 溢洪 道 的宽度 宜
论 计算 数 据基 本 吻合 。下 泄 水流在 消 力池 内水 面平
・ 收稿 日期 ： ０ ｌ ６一ｏ ２ １ —ｏ ７ 作者简介 ： 杨竞 锐 （ ７ 一）男 ， １ ９ ， 四川成 都人 ， ９ 工程师 ， 主要从事水利水 电工程设计 工作。
具有消能井的竖井溢洪道及其消能率计算
收稿日期: 1996- 01- 02
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井后, 水从井底反射, 再沿着井壁向上回升, 速射流位于竖井( 塔) 的中央, 而其周围则为 与下落的水流相互碰撞, 急剧地消耗能量。大 掺气的做循环运行的低速水流所环绕, 还因 部分掺气是在落下的水舌进入井口水位以下 井底的空气上升, 沿着井壁充气, 使井壁不发 发生的, 随后水气混合物进入隧洞, 经过相当 生空蚀, 井底无负压正说明了它的流态( 见图 距离后, 水气分离, 隧洞水流逐步稳定, 处于 2) 。 无压流状态。消能井中不会发生空蚀, 因为高
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图 2 消能井泄洪道能头 E 分析示意图
尺寸不大的消能井中消除掉, 与传统的竖井 式溢洪道在出口设置消力池相比较, 消能效 果高 9- 11 倍。 1. 2. 3 压力
由于在消能井已消除大部分能量, 消能 井底部与竖井段的动水压力, 并不比传统消 力池的强度大, 试验结果表明, 消能井底压力 脉动值小于射入消能井流速水头的 10% , 其 振动也可以控制。
隧洞水位差;
q ——隧洞单宽流量; h—— 隧洞中水深; H—— 水流对冲碰撞时与井壁的交角; A1, A2 , A3 ——断面( 2) , ( 4) , ( 5) 处的流速
不均匀系数。
E2 和 E 3 的推导: 令两股水流对冲碰撞
前流速均为 V 1, 流量均为 Q 1, 对冲水流与井
壁夹角均为 H, 碰撞后水流流速为 V 2, 流量为 Q 2 ( Q2 = 2Q1 ) , 碰 撞 前 后 水 流动 量 分 别 为
面。上、下游水位差 H ( m) , 略去进水口行近
流速水头, 以下游隧洞起始面为基准的五个 断面能 量水头分别用 E1 , E2 , ……, E 5 来 表 示:
黄金坪水电站泄洪洞出口消力池连接段体型优化研究
洞出 口与消力池连接段的体型对消能效果的影响。 ２ 方 案一 ： 物 线接斜 坡 连接 式消 力池 ．１ 抛 原 设计 方案 泄 洪 洞 出 口与 消 力 池 利 用 ６ ｍ 渐 ０ 变 段连 接 ， 接段 底 板 采 用 抛 物线 接 斜 坡 连 接 式 消 连 力 池 。 渐 变 段 底 板 采 用 方 程 为 Ｙ ＝ ０ ０ ４８ ＋ ． １ ｘ ０ ０ ６ 的 曲线与 １： ． ７的底 坡 与消 力池 连接 ， ．０ｘ ３９ 边 墙 采用 Ｙ＝００ ２３ｘ 曲线 与 消力池 连 接 。消力 ．０ ６ 的 池 底板 高 程 １３３０ ｍ， 墙 顶 高程 １４ ８０ ｍ； ９ ．０ 边 １．０ 池 身 长 ８ ｍ， ３ ｍ， 板 厚 ３ ８ 宽 ０ 底 ｍ。考虑 消力 池 排 沙 和 后期检修维护方便 ， 池末端设差动式消力坎 ， 坎顶高 程 １ ０．０ ５０ ｍ。具体 布置 形式 及体 型参 数见 图 １ ４ 。 ２ ２ 方 案二 ： ． 三级 阶梯式 消力 池 比选方 案之 一将 泄洪 洞 出 口与消力 池 的连 接渐 变 段改 为 阶梯 型 ， 以增 加 沿程 消能 ， 称之 为 阶梯 连接 式 消力 池 。在 出 口底 部设 置 高 ｌ 长 １ｍ 的挑 坎 ， ｍ、 ０ 坡 度 为 １ １ ， 设 置 掺 气 井 ， 防止 阶梯 段 空 化 空 ：０ 并 以 蚀 的发 生 。连接 段先 接 １ ３ ｍ 跌 坎 再 接 三级 阶梯 ， ．４ 级 阶梯 为斜坡 形式 ， 度 为 １ １ 二 、 级 阶梯 高 坡 ：５， 三 ３ 长 １ｍ。消 力 池 尺 寸 与 方 案 一 相 同 ， 体 布 置 ｍ， ５ 具 形 式及 体 型参数 见 图 ２ 。 ２ ．３ 方 案三 ： 大跌 坎连 接式 消 力池
黄金 坪水 电站 采用水 库 大坝 和“ 站两 厂 ” 一 的混 合 式 开 发 ， 纽 建 筑 物 主要 由沥青 混 凝 土 心墙 堆 石 枢 坝 、 条岸边溢 洪 道 、 条 泄 洪 洞 、 岸 大 厂房 和右 岸 １ １ 左 小 厂房引水发 电建 筑 物 以及右 岸 导流 洞 等建 筑物 等 组成 。 泄洪洞 布置在 左 岸 山体 内 ， 由于 河道 顺 直 ， 洪 泄 洞在平面上转弯布置为有压接无压泄洪洞。采用深 式有压进口， 接有压洞 ， 中间设控制 闸门室， 后接无压 洞； 有压段洞身采用 圆形断面 ， 无压段洞身采用城 门 洞形 断面 ， 口采 用底流消 能 。泄洪 洞进 口底板 顶高 出 程 １４００ ｍ， 身 总 长 ６８４ ｍ， 中有 压 段 洞 长 ２．０ 洞 ５．３ 其 ３ ０ ３ ｍ， 洞 径 １． ｍ 的 圆形 断 面 ， 压 段 洞 长 ７．８ 为 ３５ 无 ２ ８０ｍ， １ｍ ×１ｍ（ ×高 ） 城 门洞 形 断 面 。 ８．５ 为 ３ ６ 宽 的 出 口布 置 在 坝 轴 线 下 游 约 ３０ 处 ， ８ｍ 与河 道 夹 角 约 ３ 。出 口底板顶 高程 １ ０．４ 利 用 ６ ｍ 渐变段 与 ８， ５３ｍ， ４ ０ 消力池 连 接 。 消 力 池 长 ８ｍ， ３ｍ， 板 顶 高 程 ８ 宽 ０ 底 １３３０ ｍ， ９．０ 消力池 出 口设置差 动式尾 坎 ， 坎 的高程 尾 为 １３６ ９ｍ。泄 洪 洞最 大 总 泄 量 ２９０ ／ 。泄 洪 洞 ８ｍ ｓ 出 口消能工 的原设 计 方案 采用 抛 物线 接斜 坡 连接 式 底 流消力池 ， 洪 洞 出 口单 宽流 量 为 ２９ ／． 消 泄 ２ｍ ｓｍ， 力池 临底流速 高达 ３ｍ／ ， ０ ｓ而泄洪 洞 出 口水 流佛 氏数 仅 为 ３５ 属于典 型的低佛 氏数水跃消 能 ， ．， 其消能工水 力设计 的关键是 如何稳定 水跃和增 加消能效果 ｊ 。 鉴 于泄 洪洞 出 口下游对岸 为黄金坪村 ， 减小 消力
万家口子水电站泄洪消能布置优化研究
摘 要： 云南万家 口 子水电站 大坝 坝址河谷狭 窄， 泄洪能量大 ， 水头高， 泄洪消能难度 大。文章结合模型试验 ， 通过 对表、 中孔泄流建 筑物体型参数进行优化设计 ， 使各孔水流在跌 落下降过程 中先扩散后碰撞 ， 有效地减 小了下泄水
流 进入 水 垫塘 的 动 水 压力 ， 降低 了水 垫塘 内 消能 压 力 ， 证 大 坝和 消 能建 筑 物 的安 全 。 保
４ ８
李布雳 ， 春军 ， 盘 罗秉 珠 ： 家 口子水 电站 泄 洪 消 能 布 置 优 化研 究 万
பைடு நூலகம்
碰撞 消能 ， 水舌 在纵 向上尽 可 能地拉开 与分散 ， 使 削 弱射 流 的集 中强度 ， 并在 下 游 设水 垫 塘 来集 中消 杀
根据 万家 口子 水电站大 坝坝址地形 、 地质情况 ， 以及挡水建 筑物所 采 用 的碾压 混凝 土 拱 坝 的型式 ， 将泄水 建筑 物 布 置 在 坝身 是 合 理 的和 经 济 的 。然 而 ， 水建筑物 布置在坝身 ， 采取特 殊出流措 施 将泄 不
程 １ ３ ． ｍ， ７０ 表孔单孔宽度 １ ． ｍ， ３ 弧形 ４ ２０ 共 孔； 工作 闸门挡水尺 寸 ｂ×ｈ 宽 ×高 ） ２０ｍＸ１ ． （ ＝１ ． ３０
工程 以发 电为主 ， 电站装 机 容 量 １０ＭＷ。水库 两 ８ 岸多为基 岩 裸 露 ， 四系 松 散层 覆 盖较 少 ， 被 发 第 植 育， 两岸坡 度 ５ 。 ０ ， ０ ～７ 。局部 形 成 陡崖 ， 石 以中厚 岩 层灰岩和 厚 层 灰 岩夹 白云岩 、 白云 质灰 岩 、 质 页 砂
４１ ３
２２ ３１ １４ ８９
５９ ４
表孔／ 水垫塘 表孔／ 水垫塘
泄洪洞／
第八章溢洪道设计09讲义教材
（五）消能防冲设施
(1) 溢洪道消能防冲设施的型式应根据地形、地质条件、泄流条 件、运行方式、下游水深及河床抗冲能力、消能防冲要求、下游 水流衔接及对其它建筑物影响等因素，通过技术经济比较选定。 河岸式溢洪道可采用挑流消能或底流消能，亦可采用面流、戽流 或其它消能型式。 (2) 溢洪道消能防冲建筑物的设计洪水标准：l级建筑物按100年 一遇洪水设计；2级建筑物按50年一遇洪水设计，3级建筑物按 30年一遇洪水设计。同时，还应考虑宣泄低于消能防冲设计洪水 标准的洪水时可能出现的不利情况。
(3) 选定的消能设施，应保证在宣泄消能防冲设计洪水流量及以 下各级流量，尤其是在宣泄常遇洪水时消能效果良好，结构可靠， 并能防空蚀、抗磨损和抗冻害，必要时可采用相应措施。淹没于 水下的消能工宜考虑检修条件。 (4) 挑流消能可用于岩石地基的高、中水头枢纽。溢洪道挑流消 能设施的平面形式可采用等宽式、扩散式、收缩式。挑流鼻坎可 选用连续式、差动式和各种异型鼻坎等。 (5) 当采用挑流消能时，应慎重考虑挑射水流的雾化和多泥沙河 流的泥雾对枢纽其它建筑物及岸坡的安全和正常运行的影响。 (6) 当采用挑流消能遇有下列情况时，必须采取妥善措施处理。
板块上、下游端均设齿槽，但不应只在板块下游端设置齿槽。
（五）挑流鼻坎
(1) 挑流鼻坎在泄洪时所受的动水压力按下列公式计算，其抗滑 稳定分析及安全系数可与控制段相同。
(2) 挑流鼻坎顺水流向纵缝的间距可按5.2.2第3.(4)的要求采用。 挑流鼻坎不宜设垂直水流向的结构缝。
（六）消力池护坦
(1) 消力池护坦应进行抗浮稳定复核。对设有消力齿、消力墩或尾 槛的护坦，尚应进行抗倾及抗滑稳定复核。 (2) 护坦抗浮稳定应桉下列情况分别计算。
(3) 溢洪道混凝土与地基接触面、地基内岩体之间、地基内软 弱夹层层面的抗剪断强度 ， 的取值，对于大、中型溢洪道的规 划，可按有关规定选用；可行性研究报告以后各设计阶段，应根 据野外及室内试验成果分析确定；对于中型工程，若无条件进行 野外试验时，宜进行室内试验，并参照类似工程经验及有关规定 选用。 (4) 溢洪道的混凝土结构应考虑温度应力的影响，并根据当地的 气候条件、结构特点、地基设置锚筋时，应经计算并参照类似工程的经验 确定，必要时应进行锚筋抗拔试验。
采用宽尾墩-RCC台阶溢流坝面-消力戽联合消能
宽尾墩材料选择
宽尾墩的材料选择需根据其承 受的水流冲击力和河床的抗冲 刷能力等因素进行综合考虑。
对于承受较大水流冲击力的部 位，如溢流面和墩身，一般采 用混凝土或钢筋混凝土等耐久 性较好的材料。
对于河床抗冲刷能力较弱的地 区，如消力戽等部位，一般采 用抗冲刷性能较好的材料，如 耐磨耐压石料等。
03
宽度设计需根据溢流坝的流量和下游水位进行计算，以 确保足够的消能效果。
长度设计需根据溢流坝的下游护坦长度和地形条件进行 确定，以确保下游河道的稳定。
消力戽材料选择
消力戽材料的选择需考虑强度、 耐久性和抗冲刷性能等因素。
常用的消力戽材料有混凝土、石 料和钢筋混凝土等，应根据工程
实际情况进行选择。
对于大型溢流坝，可采用钢筋混 凝土消力戽，以提高结构的强度
联合消能效果模拟
数值模拟
采用数值模拟方法，对宽尾墩、RCC 台阶溢流坝面和消力戽的单独和联合 消能效果进行模拟分析，探究各种因 素对消能效果的影响。
物理模型试验
根据数值模拟结果，制作物理模型进 行试验，验证数值模拟结果的准确性 和可靠性。
联合消能效果实验验证
现场试验
在具有宽尾墩、RCC台阶溢流坝面和消力戽的实际水利工程中进行试验，收集各种消能设施的实际运行数据。
RCC台阶溢流坝面设计
RCC台阶溢流坝面结构
结构形式
RCC台阶溢流坝面采用阶梯状结构，通过不同高度的台阶实现水流分散和减缓 流速。
结构特点
RCC台阶溢流坝面具有较大的消能面积和较强的消能能力，能够有效地减小水 流对下游河床的冲刷。
RCC台阶溢流坝面尺寸设计
尺寸确定
根据水库的库容、设计洪峰流量等参数，结合坝址地形、地质条件，进行RCC台 阶溢流坝面的尺寸设计。
水库溢洪道改造项目消力池施工技术
水库溢洪道改造项目消力池施工技术摘要：溢洪道是水库大坝重要的配套设施，对保证大坝安全意义重大。
而消力池是实现溢流消能的设施，特殊的工作条件使其易于受到磨蚀损坏，因此本文对水库溢洪道改造项目消力池施工技术进行了探讨。
关键词：水库溢洪道改造；消力池；施工技术溢洪道是设在水库大坝附近河岸的泄洪设施，也称为河岸溢洪道，用于排泄水库内多余的水量并控制水位，保证水库大坝的安全，而消力池是溢洪道的消能设施，建于溢洪道的下游段，作用是使下泄水流通过水跃实现消能，避免高速下泄水流对受纳河床及河岸产生强烈的冲刷、空蚀。
根据有无消力槛，消力池分为下降式、消力槛式和综合式三种类型。
下降式消力池不设消力槛，通过降低护坦高程加大尾水深度消能；消力槛式消力池在护坦末端设置消力槛；综合式消力池是下降式消力池和消力槛式消力池两者的综合，既降低护坦高程，又设置消力槛[1]。
因消力池特殊的工作条件，尤其是下泄水流中还可能携带一定泥沙，难免不会受到水流冲蚀、磨损、冲刷而破坏，破坏了就要修理，如果原设计存在不足，还要针对这些缺陷进行改造[2]。
因此，本文对水库溢洪道改造项目消力池施工技术进行了探讨。
1 消力池修复与改造技术分析1.1 消力池破坏消力池底板、侧墙、跌坎立面等部位受到水流冲击发生磨损、冲蚀、空蚀等作用，首先在局部薄弱处产生麻面，进而发展为冲坑，如混凝土表面严重磨蚀，可露出粗骨料，冲坑成片破坏，还有表面抗冲层与基础混凝土脱开、裂缝、底板变形等问题[3]。
对于磨蚀的修补，应根据破坏程度选择适宜的技术。
浅表层破坏可采用环氧砂浆修补，将破坏处凿除、凿毛，表面涂环氧基液，再以环氧砂浆修复。
如果破坏深度超过5cm，应凿除损坏的混凝土，割除锈蚀严重的钢筋，重新植入、焊接新的钢筋，再浇灌适宜级配的混凝土。
1.2 消力池消能效果不佳当消力池消能效果不能充分满足要求时，可采取辅助消能措施，包括设置消能墩、宽尾墩、T型墩、差动尾坎、综合消能等。
消能墩是在消力池中设置阻碍水流的墩台，例如以品字形分布3个墩台，由于墩台使水流受阻，强化水跃紊动扩散，故可增强消能效果。
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布隆岩水电站溢洪洞体型优化与出口消力池消能研究
泄水建筑物的体型研究和消能设施的合理选择是关系到水利枢纽工程安全与经济的重要问题。
本文的研究结合布隆岩水电站泄水建筑物水力设计,采用物理模型试验和数值模拟计算相结合的研究方法来探讨分析溢洪洞体型优化与消力池消能机理。
通过对原方案物理模型试验结果进行研究分析,尝试采用物理模型试验的方法对溢洪洞进口段体型和掺气设施体型进行研究优化,采用数值模拟计算的方法对消力池体型进行研究优化设计。
在泄水建筑物整体体型进行修改优化后,对其不同来流量条件下的水力特性进行了整体物理模型试验研究,表明体型优化后的泄水建筑物达到了预期效果。
主要结论有:(1)根据原方案物理模型试验结果,采用物理模型试验的方法对溢洪洞进口段体型和掺气减蚀设施体型进行研究优化,改善了溢洪洞泄流能力及水流流态,避免了溢洪洞发生空化空蚀破坏。
(2)将相同工况条件下的数值模拟计算结果与物理模型试验结果进行对比分析,发现数值模拟计算的流态、水面线、流速、压强等水力特性沿程分布规律与物理模型试验结果吻合良好,可将其进一步应用于消力池体型的优化研究。
(3)原方案消力池未形成完整水跃,消力池没有能够利用底流消能机理通过水跃消除不利动能。
采用数值模拟计算的方法对消力池体型进行研究优化,选定消力池底板降低+侧掺气挑坎方案作为消力池体型优化推荐方案,并对推荐方案消力池体型与原方案消力池体型进行相同工况条件下的数值模拟计算研究,对比其水力特性的变化规律验证推荐方案的优越性。
(4)对推荐方案消力池体型进行不同来流量条件下的数值模拟计算研究,对
比分析消力池内其流态、流速、压强、紊动能及耗散率等水力特性的变化分布规律表明推荐方案消力池体型在不同来流量条件下均能取得理想消能效果具有较好适用性。
(5)对体型优化后的整体泄水建筑物进行不同工况条件下的物理模型试验研究。
将不同来流条件下溢洪洞段、消力池段及下游出口河道段的流态、水面线、压强、掺气要素等进行对比分析,表明体型优化后的泄水建筑物取得了理想成果。