跌坎底流消能在仁和水库表孔泄洪隧洞消能防冲中的应用

跌坎底流消能在仁和水库表孔泄洪隧洞消能防冲中的应用

吕宏      邱钢

(楚雄欣源水利电力勘察设计有限责任公司 邮编：675000)

摘要：跌坎底流消能具有消能效率高、消力池长度短，结构简单，施工方便等优点，特别是在高水头、大流量、临底流速和脉动压力较高的水利水电工程泄水建筑物中具有广泛的应用前景。仁和水库表孔泄洪隧洞出口成功的应用了进行跌坎底流消能工消能，取得了良好的效果，对下游高速公路桥墩起到了有效的保护作用。

关键词：跌坎底流消能、泄水建筑物、消能 

1工程概况

仁和水库位于武定县猫街镇境内，水库总库容1228.81万m3，工程规模属中型。仁和水库的工程建设任务为解决狮山灌区部分农村生活供水、灌溉供水，并作为城市和农村生活供水后备水源。水库设计年供水量975.10万m3，其中，农村人畜生活供水量60.6万m3，农业灌溉供水量914.5万m3，设计供水人口1.05万人、牲畜2.28万头，设计灌溉面积1.73万亩。

仁和水库枢纽工程主要建筑物由拦河坝、输水隧洞和导流表孔泄洪隧洞组成。拦河坝为粘土心墙风化料坝，坝顶宽10m，长272m，最大坝高85.3m。输水隧洞布置于大坝左岸山体内，为有压隧洞，全长424.4m。导流表孔泄洪隧洞布置于大坝右岸，导流隧洞与表孔泄洪隧洞进口分开，竖向立面采用“龙抬头”形式结合；表孔泄洪隧洞全长337m，控制段为无闸控制实用堰，堰宽10m，洞身为4m×3.4m城门洞型断面，出口消能采用跌坎型底流消能。

2泄水建筑物布置

仁和水库坝址位于仓房村委会仁和村上游1.6km处仓房河支流大厂河上，属金沙江水系勐果河支流仓房河。仓房河在水库坝址下游60m处分两支，左支为五柞甸河，右支为大厂河。永武高速公路位于汇口左岸坡上，并在汇口上游90m和下游207m处采用排架支承横跨五柞甸河和仓房河。表孔泄洪隧洞出口距离永武高速公路40m，低于高速公路路面高程14m，受地形条件限制，仁和水库泄水建筑物通过左右岸、开敞式溢洪道和泄洪洞多方案技术经济综合比较后采用对地表植被破坏较小，施工干扰少、投资省的表孔泄洪隧洞泄洪方案。为了保证水库下泄水流和五柞甸河支流区间来水能顺利归河而不影响永武高速公路，表孔泄洪隧洞出口消能设施布置在永武高速公路之外，消能设施不侵占河床；同时水库下泄水流从高速公路桥墩间穿过，不直接冲刷永武高速公路桥墩。

仁和水库表孔泄洪隧洞为3级建筑物，设计洪水标准为50年一遇（P=2%），设计洪水位2182.91m，下泄流量92.43m3/s；校核洪水标准为1000年一遇（P=0.1%），校核洪水位2184.13m，最大下泄流量155.95m3/s；消能设计洪水标准30年一遇（P=3.33%），下泄流量80.74m3/s。

表孔泄洪隧洞布置于大坝右岸，控制段为无闸控制实用堰，堰宽10m，堰顶高程2180.00m。表孔泄洪隧洞由进口引渠段、控制段、渐变段、斜井段、反弧段、平洞段、扩散段和跌坎型底流消能工段组成，总长337m。泄洪隧洞洞身段长232m，为顶拱120°城门洞形无压隧洞。其中：渐变段和斜井段设计坡比1:1，渐变段长30m，底宽由10米渐变到4米，直墙高2.21m～2.29m。斜井段长30.668m，反弧段长13.942m，反弧半径20m；平洞段长137.759m，设计底坡1:100，为底宽4m，直墙高2.25m城门洞型断面。扩散段长29.631m，其中表0+279.369m～表0+299.000m断面为城门洞型，底宽由4m渐变为7.98m，直墙高由2.25m渐变为4.98m。表0+299.000m～表0+309.000m为矩形断面，底宽由7.98m渐变为10m，边墙高7.28m渐变为7m。跌坎型底流消能工长28m，进口跌坎高度为3m，入池角度为18.435°，池身高度10m，池底宽度10m，出口坎高4.5m。

3存在问题

水利水电工程泄水建筑物常用的消能方式有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能。其中，底流消能是利用水跃产生的表面漩滚和强烈的紊动进行消能，从而降低流速。它具有入池流态稳定，消能效率高，尾水波动小的特点。因此，仁和水库表孔泄洪隧洞出口采用常规的下挖式底流消力池进行消能。水工模型试验发现，表孔泄洪隧洞由于水头较高，水流进入消力池的流速较大，消力池消能水体不足，发生远驱式水跃，消能效果差，造成下游河道流态波动较大，对消力池右侧河道内永武高速桥墩冲击较强。受地形和永武高速桥墩的限制，增加消力池的长度空间上不具备条件。加高消力池尾坎增加消能水体有限，消能效果的改善较小，并形成较大的二次跌落，水流对永武高速桥墩影响仍然较大。常规的底流消能不能满足仁和水库表孔泄洪隧洞出口消能防冲要求，因此，需要一种消能效率高、消力工长度短，结构简单，临底流速底，出池水流平稳的消能方式。

4应对措施

4.1跌坎底流消能的消能原理

跌坎底流消能是建立在常规底流消能基础上的一种新型消能方式，它是在底流消能反弧段末端、消力池首端设置一定高度的跌坎而形成的底流消能形式。

跌坎底流消能这种消能工类似于躺着的挑流消能的水垫塘，只不过是挑流消能的水流是从空中砸入水垫塘内的水体里，而这种新型消能工的水流则经泄槽射入到消力池内水体中。在消力池中保持一定的水体，利用与下游消力池底板具有一定高差的射流进入消能水体中，水流出坎以后，形成了淹没射流，主流向四周扩散，在射流四周形成强烈的剪切和紊流旋涡，消能效果很好，消力池内水面比较平稳，出池水面波动很小，并且由于跌坎的存在，相应的增加了消能水体和射流的射程，使流速的分布得到改变，降低了消力池中的临底流速。这种消能方式不仅解决了消能水体不足的问题，又消除下泄水流中的大部分能量；既不会使消力池底板脉动压力大、临底流速大，以免消力池底板不稳定和底板磨损，又不会产生面流，以免下游水流波动大，加剧下游两岸冲刷。

跌坎底流消的消能原理完全符合仁和水库表孔泄洪隧洞出口消能防冲的功能要求，因此，将仁和水库表孔泄洪隧洞出口消能方式由常规的下挖式底流消能调整为跌坎底流消能工消能。

4.2跌坎底流消能的体型及消能效果

仁和水库表孔泄洪隧洞出口消力池平面位置不变，将消力池底板降低，形成跌坎底流消能工。由于跌坎底流消能的流态比较复杂，水流进入消力池的入射角和跌坎深度是影响消力池水力学指标的主要因素，因此，根据不同入池能量合理的设计入射俯角和跌坎高度是跌坎底流消能工的关键。通过反复的水工模型试验，最终确定仁和水库表孔泄洪隧洞出口跌坎底流消能工（表0+309.000m～表0+337.000m）长28m，进口跌坎高度3m，入池角度为18.435°，池底高程2097.542m，池身高度10m，池底宽度10m，出口坎高4.5m。

跌坎底流消能不同频率消能效果表

从试验的数据分析，跌坎底流消能工池底板高程在底流消能消力池底板高程的基础上降低3m，高程为2097.542m，跌坎底流消能工内水流旋滚充分，剪切消能明显，消能效果较好，跌坎底流消能工内水流临底流速低，出池流速小，下游河道流速、流态较好。跌坎底流消工有效的解决仁和水库表孔泄洪隧洞出口的消能防冲问题。

直到2018年《溢洪道设计规范》修订时，规范补充了跌坎底流消能工型式及设计内容。3.5.9规定“池底流速较大的消力池宜采用跌坎底流消能或扩散跌坎底流消能。跌坎底流消能应根据水工模型试验确定跌坎高度、池底高程及池底宽度。”。4.5.8规定“底流消力池跃前断面平均流速大于30m/s时，宜采用跌坎底流消能。跌坎底流消能的跌坎高度可根据控制池底临底流速、脉动压力大小及水流流态确定。跌坎高度、消力池长度均应经水工模型试验验证”。

5结论

武定县仁和水库于2014年8月7日开工建设，2020年7月17日通过云南省水利厅下闸蓄水验收正式投入运行。仁和水库表孔泄洪隧洞出口采用跌坎底流消能工取得了良好的消能效果，对下游高速公路桥墩起到了有效的保护作用。跌坎底流消能方式在楚雄州水利水电工程泄水建筑物建设中尚属首次使用，工程建设的过程中《溢洪道设计规范》修订时，才补充了跌坎底流消能工型式及设计内容，因此，具有一定的参考价值。与传统的底流消能相比，跌坎底流消能具有消能效率高、消力池长度短，结构简单，施工方便等优点，特别是在高水头、大流量、临底流速和脉动压力较高的水利水电工程泄水建筑物中具有广泛的应用前景。

参考文献：［1］王海军，赵伟，杨红宣，徐一民《武定县仁和水库表孔泄洪洞水工模型试验研究报告》；

 ［2］王海军，赵伟，杨红宣，张强《跌坎型底流消能工水力特性的试验研究》；

           ［3］张功育，汤健、王海军、陈海滨，唐涛《跌坎式底流消能工的消能机理分析与研究》；

           ［4］李应科，吕宏，谭毅源《武定县仁和水库兴建对永武高速公路的影响分析及应对措施》；

［5］中华人民共和国水利行业标准《溢洪道设计规范》（SL253-2018）。

作者简介：吕宏，男，1980年10月生，云南曲靖人，高级工程师，从事水利水电工程设计与研究工作