水工建筑物的消能设计问题分析

摘要：我们国家的经济在飞快的发展，水工建筑也得到了大力的发展。水工建筑物的消能设计是水利工程建设的关键，它决定了水工建筑的安全性和稳性，甚至决定了整个水利工程的安全运行。文章结合某渠首引水工程实例，对水工建筑的消能设计进行深入研究。

关键词：水工建筑物；消能设计；问题分析

中图分类号：TS958 文献标识码： A

1、工程概况

某水电站是金沙江中游河段水电规划“一库八级”开发的第六级电站，工程是以发电为主，兼顾灌溉、供水及防洪的一等大（1）型水电水利工程。枢纽由碾压混凝土重力坝、泄洪冲沙建筑物、右岸坝后式厂房、左右两岸灌溉取水口等建筑物组成。最大坝高116米，坝顶高程1303米，坝顶长768米。 水库正常蓄水位1298米，总库容5.07亿立方米，调节库容1.13亿立方米，具有日调节性能。电站装机容量1800MW，安装5台360 MW的混流式水轮发电机组，年发电量73.96亿度，发电效益显著。

本工程泄洪、冲沙建筑物由主河床的5孔溢流表孔、对称布置的4孔中孔及厂房坝段右侧的冲沙底孔组成，分别承担不同的功能。泄洪中孔与表孔联合运行承担枢纽泄洪任务，表孔为枢纽泄洪的主要通道；冲沙底孔不承担泄洪任务，与右泄洪中孔联合运行保证电站进水口门前清。

2. 水电站消能设计

在进行枢纽布置时，如何妥善布置泄洪建筑物并做好下游消能防冲设计往往是关键问题之一。当然，如果河道短小，水量不大，或坝的高度较低，落差很小，或是坝前水库很大，通过调节作用下泄流量很小，则泄洪建筑物的布置及设计就比较简单。但是我国大部分地区位于温带，水量丰沛，特别是年内的分布很不均匀。大部分径流都在汛期下泄，不少河道洪水暴涨暴落，峰尖量大。有的河道洪水过程线较乎缓但绝对流量很大。在这种水文条件下，如果再加上河道狭窄，下游地质条件较差和坝体较高时，泄洪消能就成为一个困难问题。布置泄洪建筑物常会与其它建筑物发生矛盾。但一般讲来，不妥善解决好泄洪汛能问题，坝体的安全就不能保证，所以应把泄洪建筑物的要求放在首位，同时照顾其它处筑物的要求。重力坝的断面较大，有利于通过坝体泄水，所以一般总是尽量利用坝顶或通过坝体泄永孔宣泄洪水，以收到经济之效。在泄洪问题比较重要的工程中，我们应将泄洪坝段布置在最合适的部位，一般是在原河道主流部位，以使泄放的洪水大体上沿原河道主流方向平顺地与下游衔接。

如河道很窄，泄洪水流基本上已古满河床全宽时，我们要妥善控制泄流的边界，既不使水流直接冲刷撞击两岸岸坡，也不使主流和岸坡间留下大的空间，以致主流的流量太集中形成强烈的回流，两岸岸坡和坝的下游面。如果河道较宽，泄流段只占了主河道的一部分，在两侧还布置有发电厂等建筑时，要研究泄洪时下游的流态，防止在两侧造成淤积、冲刷或剧烈波动等不利后果。倘若山于布置或施工上的要求，须将泄洪段设置在河床的非主流段时，过坝下泄的水流流态将和原来的河势有很大区别，必须详细研究流态长期改变后将产生的一系列后果，并采取必要的措施，例如用扭曲坎等异形挑坎将主流挑至主河道并使射流沿水流方向拉开。通航建筑物的布置除需满足通过能力的要求外，还要满足上下游船舶能顺利进航道的要求，对水深、流速、流向、淤积条件和引航道长度等方面有较严格的要求，往往需经过反复布置和试验后才能确定。这是一项很细致的工作，需要有关的设计、运行部门共同协作努力才能解决好。有些河流有流放木材的要求，为此要设置木材过坝的设施，通常采用的措施有：

2.1整个木筏和船舶同样过坝，或者专为过木修建筏闸。

2.2 设置水筏道，泄放少量水流将木材从筏道中放下，一般都是单

根漂木，也可整排漂放。大型的筏道可称为漂木道。

2.3 利用机械将木材传送过坝，如链式传送机等，或用机械将整个

木筏吊运过狐。

2.4 利用泄洪将木材通过溢洪道下泄，一般也是单漂。

2.5 改变流向或流送方式，例如在水库区将木材起岸，改由铁路或

公路运输。或就近设置木材加工厂，将加工成品由陆路运输。

三、消能设计不利原因

由于水闸类型的不同，所需要考虑的消能设计条件也不同。这就需要在进行消能设计时，对上下游水位、这闸流量、闸门启闭等情况进行综合考虑。由于消能设计比较复杂，设计条件恶劣是设计过程中经常遇到的问题。在实际设计过程中，很多设计人员在完成闸下消力池水力计算后，都会发现消力池计算深度表现异常，不是深度过大，就是无法取得预期的消能效果。经过研究分析，可以总结出消力池计算深度失误，导致消能率较低的主要原因为：

1、由于上游洪水流量和下游潮位的不断变化，容易导致过闸水流的水位、流量及流速发生不断的变化，在设计时，如果分析不周密，而是过于简单在设定一个上下游水位，就很容易造成消力池计算失误的问题。

2、当下游的水位较低时，如果只考虑到闸门开度、启闭顺序来设计消力池，而没能对下游水面曲线进行合理分析，也容易造成消力池消能率的降低。

3、没能结合实际工况，设置一些消力墩等辅助消能设置，导致出现了水跃现象。

四、消能设计控制措施

1、设计施工中防冲槽的改进

消力池主要有挖深式消力池、尾坎式消力池以及综合式消力池3种类型。消力池深度以及池底高程设计，应该根据上、下游水位，过闸流量，以及工程区的地质条件等因素来进行确定。有时计算的池深结果会出现零或负值的现象，从理论上讲可以不必设置消力池，但在实际工程中，仍然会设置0.5一l m深的消力池，这样能够有效稳定水跃的位置，调整消力池后的流速分布，达到充分消能的目的。当水平护坦上没有任何尾坎时的水跃，通常称之为自由水跃，这时需要较长的消力池，但这种结构无法适应各级泄流量，所以也很少应用实际工程当中。当消力池采用挖深式或其它形式时，消力池内会形成强迫水跃，比自由水跃自短，也相对稳定。

大多数水工建筑物消能工防冲槽设计施工中多为“梯形”。这种防冲槽施工简单，在水流平稳的情况下，不会出现水流问题，但在水流不稳的情况下，消能工下游护堤将有可能被冲坏，形成大的浪窝或浪坎，并逐渐上移至防冲槽下，危及防冲槽。笔者经多年实践将原来的“梯形”防冲槽改名为“四边形”防冲槽，并进行加深50cm处理。实际运行效果表明，后者明显好于前者

2、工程运行中的管理措施

工程运行时消能工处在一种复杂的水流状态下，而对消能工稳定威胁最大的也就是下端的冲刷坑，在运行中如果能做好以下几个方面，可预防或减少出现消能工损坏的可能性。一是尽可能地控制水流，使其平稳，避免出现过急水流或过大的横向环流；二是应经常检查闸室或建筑物水流通道，对通道中有剥蚀脱落的部位要及时修补，对通道中多余的堆积物（如石头或大的淤积物）应及时清除，以保证水流平稳；三是对下游已形成冲刷坑，并已危及消能工时，如不能及时采取有效的抢修措施，则可采用在护堤或海漫末端做潜坝奎高水位减少水头差，缓和冲刷破坏。

结论

综上所述，本工程处于平原地区，由于平原地区土质河道的抗冲能力较低。通过有效的消力池设计、海漫设计以及防冲槽设计，能够全面提升水工建筑物的消能防冲能力。从而最大限度的保障水闸下游水工建筑物的结构稳定性，保障人民的生命财产安全。

参考文献：

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