关于水利工程中消力池设置的几点看法

摘要：在基岩山区复杂地形地质条件下，怎样能使水利工程中消力池设计施工科学经济合理，做到投资少效果好，这是工程技术人员在设计施工中应解决的问题。消力池是水工建筑物经常采用的消能设施之一，其长期稳定和安全运行对确保大坝正常发电和汛期安全行洪至关重要，特别是消力池底板的安全稳定尤为关键。本文主要针对我国水利水电工程消力池底板设计进行简单的分析。

关键词：底流消力池；底板失稳；空蚀；护坦

中图分类号：TV文献标识码： A

引起消力池破坏的问题很多，其中最主要的是消力池的底板失稳破坏、空蚀破坏和护坦冲磨破坏。以下就从这三个方面结合实例详细探析。

1消力池底板设计

根据我国的形势和有关数据分析，当前采用底流消能的水利工程正在不断的减少。目前，世界上最高的高坝是前苏联的苏扬舒申斯克，采用的底流消能设计，坝高达242米，其次就是巴克拉坝和德沃歇克坝，分别位于印度和美国，坝高分别为226米和219米。目前，我国的高坝主要是宽尾墩底消力池，配备相应的消能工，如现有的安康水电站，索风营水电站以及向家坝水电站，坝高分别为128米、116米、187米。

消力池底板的设计形式多种多样，其中，最为常见的一种是平底消力池，并且还有不同形式的消能工作为辅助，另外还包括斜坡池、三级池、二级池等，通常这三种消力池呈现上宽下窄的形态，主要作为扩散式消力池来使用，其中，相对于平底池而言，斜坡池的优越性更好些。一般而言，在设计底流式消力池时，一定要保持其应有的淹没度，同时，为了保证底板的稳定性，还要对底板动水压力的脉动情况进行分析。

另外就是戽式面流消能，其消能率较高，消力池的长度比较短，这种消能方式的应用，在国内应用比较普遍，如在1941年建起的大苦力水电站，其坝高达163米，修建于美国，也是属于最早的，之后建立起来的佐久间水电站，由于日本修建，坝高高达115米。而对于我国而言，最早修建起来的是汉江石泉水电站，是我国第一个戽式面流消工程，于1973建成，坝高约65米，在以后的发展中，就陆续地出现了一些中小型的水电站，如麻石水电站、岩滩水电站等。

此外是挑流消能。在水利工程中，挑流消能是所有消能方式中最为常用的一种方式，具体有以下几种形式：高低坎+挑流、窄缝+挑流、碰撞式挑流、宽尾墩+挑流等。比如我国在20世纪80年代建立起来的一些水电站高坝就是采用的以下形式，如隔河岩、龙羊峡、东江、李家峡等，在后来的不断研究和发展中，设计和研究人员在原有的基础上，又进行相应的改进，采用对挑流结合水垫塘的形式，形成了现有新的消能形式。

2空蚀破坏问题和解决办法

当高速水流直接冲击消力池底板时容易诱发空化空蚀破坏。另外，高速含沙水流对消力池的磨蚀发展到一定程度后也会出现空化空蚀破坏。对于跌坎式或采用趾墩的底流消力池 ，在跌坎区或趾墩尾部会产生立轴漩涡和横轴漩涡，其与主流会产生剪切空化，若剪切空化触及固壁，则会产生空蚀破坏。因此，在消力池设计或运行时，若发现有空化空蚀问题，则有必要通过减压试验对消力池的空化特性进行研究，找出导致空蚀破坏的原因，从而对消力池体型进行优化，避免或减少空蚀破坏问题发生。对于已经空蚀破坏了的底板、护坦或趾墩等，可以采用抗蚀材料进行修补。

陆水蒲圻水利枢纽溢流坝采用趾墩消力池进行泄洪消能。在泄洪期间，当堰顶水头超过6.5 nl后，观测人员在导墙及闸墩上能感觉到消力池中巨大的类似锤击的声响，汛后抽水检查发现，趾墩和消力墩本身均未受损，但紧接每个趾墩下游的消力池护坦表面均出现一对近于对称的蚀损坑，大部分蚀损坑内钢筋露出，甚至断裂。通过原型观测及减压试验发现趾墩过流时形成的马蹄形立轴漩涡是导致护坦空蚀破坏的原因。于是对消力池进行体型优化，经研究决定将消力池池首的趾墩改为差动坎，这样既保持了漩涡的消能作用，同时又能避免水流界壁空蚀。

3护坦冲磨破坏问题和实例解决方案

卵石和蛮石随高速水流过坝入泄，进入消力池磨撞消力池壁、护坦，会引起消力池护坦的冲磨破坏。此外，消力池尾坎后河床 内的泥沙或卵石也有可能被紊动水流卷进消力池内，从而导致消力池护坦韵磨蚀破坏。如果泄洪闸操作运行不当，容易使进人消力池内的水流扩散不对称，间歇地左右摆动，蜿蜒前进，形成折冲水流。折冲水流的冲刷能力很强，会造成护坦局部冲刷破坏。对于消力池护坦冲磨破坏的问题，可以采取下列措施：①在溢流坝面上增加其他形式的消能工，改善入池水流水力条件，从而减少水流对消力池护坦的冲刷作用；②对被冲磨破坏的消力池护坦进行修补，可采用合适的耐冲磨材料。

萨扬舒申斯克水电站的消力池第一次通过小洪水之后，消力池底部锚固在岩基上3 m厚的钢筋混凝土护坦被冲坏了，消力池底坚硬岩基由于洪水急流而脱落。为了大量减少水流对萨扬舒申斯克水电站消力池破坏段的动能冲刷作用，在消力池设计水位以下的溢流面上采用分流坝进行分流。即在消力池水位以上的溢流坝面下部安设纵向隔墙，隔墙上端与溢流面的倾斜交角小于30°以便减少浮冰和硬杂物对隔墙上的动力冲刷作用。隔墙将溢流坝面分成3个溢水道，从而在消力池水位以上的溢流面结构实现水流流态的变化。这样，可减少工程改建的繁重的工作量，并保证减少它们所占的工程量，可以大大地减少水流对消力池护坦的动力冲刷作用。

4消力池底板设计参数分析

满足抗冲要求的底板厚度t：t=k1*sqrt(q*sqrt(ΔH))

其中：k1底板计算系数，ΔH上下游水位差(m)。

满足抗浮要求的底板厚度

t：t=k2*(U-W±Pm)/γb

其中：k2 底板安全系数；U 作用在底板面的扬压力(kPa)；W 作用在底板上的水重(kPa)；Pm 作用在底板上的脉动压力(kPa)，计算底板前半部时取"+"号，计算底板后半部时取"-"号；γb底板的饱和重度(kN/m^3)。

一般情况下，决定河床冲刷，底板稳定性的主要因素主浊底板的承受力，而这个参数值是呈动态性的，在一定条件下，它会随着消力池结构、水垫深度、水舌厚度、入射角以及入射流速的变化而不断的变化，为此，这就需要我们对动水压力值进行分析，在具体的计算时，通过以下公式来完成：

其中，q为单宽流量；θ为水流入水角度；h为下游水深（底板以上水深）；Η为上、下游水位差；β为碰撞水舌的夹角； 为射流入水流速系数；未碰撞水舌时为0.8―0.9；碰撞后为0.4加0.6。与此同时，相关科学研究院还对此进行了统计， 要求在水电站运行中，一定要控制水流冲击力，避免消力池底板发生破坏以及坝后冲刷所形成的破坏而带来不必要的麻烦，相关的文献中提出其压力脉动系统最好控制在10×9.8 kPa-15×9.8 kPa，以单位体积内的泄洪量为参照标准，但是在实际运行中，这个参数值的范围具有一定的保守性，因此，其还受其他诸多因素的影响，如掺气率、消能工体形等。

在实践中，在设计消力池底板时，主要采用深长锚杆来处理，这样做的主要目的就是可以将基岩与底板进行有效的结合，使得两者共同承担动水压力，在必要时，还可以加强固结灌浆。通常情况下，消力池底板的排水方式有2种，一种是明排，一种是暗排。其中，所谓的明排，就是在底板上设置一定的排水孔，如索风营水电站、东风水电站、红林水电站等，而所谓的暗排就是通过排水廊的设置，集中进行抽排，如五强溪水工程、二滩水电工程、安康水电站等。

参考文献

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