水利水电枢纽工程泄洪消能设计分析

【摘要】针对水利水电枢纽工程泄洪消能设计相关问题，做了简单的论述。现阶段，我国高坝泄洪消能技术种类较多，部分泄洪消能技术较为成熟，被广泛的应用，在实际应用中，需要结合水利水电枢纽工程实际，加强泄洪消能设计要点的把控，以合理设计，确保枢纽工程的泄洪消能水平。

【关键词】水利水电；枢纽工程；泄洪消能；孔板消能

水利水电枢纽工程泄洪消能问题，是工程设计的重要技术问题，需要有效的分析挡水、泄水、兴利建筑物的关系，合理布局。同时要根据地形、水文条件等，合理的选择泄洪方式，科学选择与布置泄水建筑物，要选择安全可靠性能较高的消能方式，以解决水利枢纽泄洪的安全性问题，充分消能，减少对下游的冲刷。

1枢纽工程泄洪消能设计内容概述

开展水利水电枢纽工程泄洪消能设计，主要涉及到枢纽总体布置、泄水建筑物的选型、消能工的选型、下游河床保护、岸坡保护等问题，需要做好水工模型试验，进行高速水流研究，以合理设计。泄洪消能是衡量水利水电工程建设有效性的重要指标，通常采取建设配套设施的方式，来实现枢纽工程泄洪消能。

2水利水电枢纽工程泄洪消能技术

2.1窄缝挑坎挑流消能技术

此技术主要是在泄槽溢洪道与泄洪洞等的末端，建设挑流消能工。此消能方式工程量较小，工程造价较低，被广泛应用于高坝大流量泄洪建筑物中。龙羊峡水电站建设时，右岸高低两孔岸边溢洪道便采取了曲面贴角窄缝挑坎，出口单宽达到769m3/（s•m），并且左岸中孔出口转21.6°后接窄缝挑坎，其出口单宽达到643m3/（s•m），是我国水利水电枢纽工程建设中首个在低孔出口采取此技术的，技术水平远超国外最高水平。随后，我国在此技术方面不断创新，单口宽度不断增加，被广泛的应用[1]。

2.2高拱坝泄洪消能技术

此类型水利枢纽工程具有泄量大、泄洪总功率大等特点，在狭窄河谷地区的水电站，其泄洪消能和抗冲问题较为突出。基于二滩工程泄洪消能经验，在后续工程中多采取分层出流、分区效能、水流撞击的方案。除此之外，水垫塘型式也被广泛的应用，即复式反拱断面底板，利用河床基岩自然形成的形状，把底板制作为反拱形，借助力学特性，实现射流冲击荷载传递，发挥混凝土材料的性能优势，比如抗压特性，提升局部稳定性与底板整体稳定性。譬如：长潭岗81.6m高的拱坝，其形成冲坑后，采用了反拱形，建设水垫塘，设计泄量为1184m3/s，底板厚度是1.1m，模型试验结果最大动水压强在250kPa左右，采取的是锚杆加固技术。通过原型观测，了解到反拱水垫塘消耗能效较好，水流较为平顺，而且底板下渗透压强与水垫塘中的净水压强相比较低，能够明确底板完好。同工况下，反拱形底板的安全性较好，是平底板的2~3倍。通过试验表面，对于反拱水垫塘底板，其最大动水冲击压力控制值的选择，可以取值30×9.81kPa[2]。

3水利水电枢纽工程泄洪消能设计

3.1工程案例分析

某水利水电枢纽工程拦河坝，属于碾压混凝土双曲拱坝，坝高最大值为141m。混凝土拱坝设计，按照500a一遇的标准，夏季入库洪峰流量5340m3/s，秋季入库洪峰流量为2770m3/s。按照50a一遇的标准，设计效能防冲物，入库洪峰流量是3260m3/s。

3.2泄洪建筑物设计

此工程泄洪建筑物设计，主要分为以下内容：（1）泄洪中心线与泄洪轴线的选择。基于下游地形实际情况，将向拱坝中心线右岸偏转6.5°，即NW342.232°，作为泄洪中心线。通过水工模型试验验证，水舌入水宽度能够基本落在主河床内，不冲刷岸坡。对于泄洪轴线的选择，其半径取值直接影响着泄水流的落点，通常半径取值越小，则下泄水流向心集中的现象便越严重，给下游河床造成严重的冲刷。基于大坝下游地形情况，将表孔堰顶，作为泄洪轴线，半径取值为300m，经过水工试验验证，所选择的泄洪轴线，能够确保入水布满河床，不会对两岸岸坡造成冲击。（2）表、中孔布置。结合下游地形与地质特点，按照控制水舌入水宽度的原则，在平面上，采取相间布置的方式，将中孔设置在表孔的左右中墩下部，和泄洪中心线对称，溢流前缘宽度在58m左右。表孔堰顶高程为408m，孔口的宽度为12m。考虑到消能的需求，表孔出口设置挑角或者俯角鼻坎，促使表孔水舌可以在纵向上分层入水，减轻下泄水流带来的冲刷。除此之外，表孔在堰顶设置了弧形闸门，没有设置检修闸门，在枯水期水位下降到＜408m时，开展工作闸门检修作业。孔出口设置了弧形工作闸门，规格为5×7m，即宽×高。经过泄流能力计算，夏季防汛期水位为403m，中孔泄流量为1673m3/s，能够达到下游防洪调度的要求。在设计泄洪建筑物时，需要结合枢纽工程防洪调度，做好调洪演算，结果如表1所示。

3.3坝下消能设计

结合有利的消能区水力条件，此高坝坝下消能防护设计中，使用的是护岸不护底的天然水垫塘消能。经过水工试验验证，消能工洪水工况下，中孔控制下泄流量为700m3/s时，中孔最大冲坑深4m，冲坑上端和坝脚之间的距离为114m，上游坡比是1：3.75，两侧坡比是1：7.7，中孔挑距比较远。考虑到冲坑的影响，对于水垫塘消能区域两岸岸坡坡脚，采取混凝土铁坡防护的措施。

3.4水工模型试验结论

通过试验能够证明，坝身泄洪建筑物布局具有合理性，表、中孔体型布置能够满足基本要求，坝下水垫塘消能设计具 有可行性。经过冲刷试验表明，在下泄100a一遇的洪水时，各泄流工况下，冲坑不会对大坝和两岸山体的安全造成影响。

4结束语

水利水电工程中，需要合理设计泄洪消能，以确保工程建设的质量。采取泄洪消能措施，能够提升水利水电工程建设的质量，满足水利水电建设的要求。

参考文献

[1]沙世琨.水利枢纽孔板泄洪消能的研究[J].中国水运（下半月），2015（02）：163~164.

[2]谢省宗，吴一红，陈文学.我国高坝泄洪消能新技术的研究和创新[J].水利学报，2016（03）：324~336.

作者:吕常亮 单位:长沙市水利水电勘测设计院