[科普中国]-消力戽消能

消力戽消能的工作原理是利用戽坎在水下的特点，使水流分别在戽内和戽后旋滚，形成“三滚一浪”，进而达到消能目的。优点是工程量比消力池小，冲刷坑比挑流消能小，不存在雾化问题。

简介坝址岩性主要为浅变质中厚层石英砂岩，层间夹千枚状粉砂岩、细砂岩和页岩。坝址地质构造复杂，坝址正处于由NE向SW倾伏背斜的轴部，背斜轴走向N40°E，与河流近于直交；河床中虽不存在较大的顺河向断层，但在背斜轴部附近的两翼，存在7条较大逆断层；特别是坝脚下游约10m处有1条横跨河床的F6逆断层，宽约11m(含影响带)，带内充填千枚岩及破碎岩、碎块岩，风化较深。当施工围堰越过F6断层边缘后，基坑抽水困难。这就限制了溢流堰下游消能工的长度，给大坝泄洪消能设计带来一大难题。

坝上水电站坝虽不高，但有3个明显的特点。一是单宽流量大，最大可达100.24m3/(s·m)在类似工程中较为少见；二是佛氏数低，约为1.7，是典型的弱水跃；三是枢纽布置紧凑，下游冲淤和运行条件的恶劣，直接关系到坝后式水电站的运行。

1.单项消能工及其参数选择

原布置试验后，为了论证各种消能工在坝上水电站特定的水力边界条件下产生的作用，以设计工况2900m3/s为控制，进行了3个对比试验。下面所述冲深以消力池尾坎高程212.0m为基点。

(1) 消力池与消力戽。试验中发现，在保留宽尾墩的情况下，如将消力池长由10m缩至5m，最大冲深8.30m，比原布置加深了1.45m；如在反弧后直接用R=7.0m挑角45°的消力戽取代消力池，最大冲深7.22m ，优于单纯缩短消力池的做法。

(2) 宽尾墩的作用。将消力戽取代消力池后，试验中发现，一是改变原宽尾墩的上下位置对坝上的消能影响甚微；二是如将宽尾墩尾部由1m加宽至2m，最大冲深10.41m，冲坑加深较大，明显不利；三是取消宽尾墩，最大冲深6.78m ，不但没有加深，反而略有有减小。可见，宽尾墩在坝上水电站特定的水力边界条件下作用不大，为此取消宽尾墩。

(3) 消力戽反弧半径的选定。取消宽尾墩后，消力戽反弧半径先后采用R=7.0m、R=8.0m、R=9.0m 进行比较试验。

由于在大流量情况下，消力戽中的消能水体不足，小半径条件下常常造成较大冲刷，而R=9.0m方案冲坑反坡适中，综合考虑，选取反弧半径R=9.0m。

2.联合消能工选择

在论证了取消宽尾墩，并选取反弧半径R=9.0m的消力戽后，接下来是如何选择联合消能工的问题。在我国东北地区，T形墩被用于中低坝，收到较好的消能效果，但佛氏数低到1.7 左右则较少见。为此，进行了较详细的水工模型对比试验分析论证1。

T形墩位置、体型选择(1) 位置选择。以9个墩高1m、墩长4m的T形墩进行比较。消力池方案，在闸墩尾部布设最大冲深比在尾坎处布设减少0. 58m；消力戽方案在闸墩尾部布设较合理。综合考虑，选取在闸墩尾部布设T 形墩。

(2) 体型选择。将T形墩长度由4m缩至3m时，冲深相差无几，由3m缩至2m时，冲深增加了0.77m；将T 形墩高度由1m 增至2m ，将T 形墩的排列由“一字形”改为“箭头形”，对消能影响不大。综合考虑，选定T形墩长度3m、高度1m ，沿溢流坝宽度方向“一字形”排列，布设9个。

联合消能工选择以T形墩+ 消力池、T形墩+消力戽两种联合消能工进行模型试验比较分析。冲深数据分别以消力池尾坎顶高程212.0m、消力戽鼻坎顶高程211.65m为基点。

T形墩+消力池联合消能方式不理想，设计工况下冲坑反坡大于设计规范要求，池长10.8m不够，若要加长消力池，势必要跨过F6断层，施工困难，投资大。

T形墩+消力戽联合消能工，池长10.8m ，小于传统设计的池长，但其消能效果明显。设计工况下：

①最大及最不利点冲坑反坡满足设计规范要求，最大冲刷比T形墩+ 消力池方案减少了约56%；

②冲坑形态为底部较平的锅底形状，从中孔河床距鼻坎24m处出现最不利点冲深3.52m，上游以1∶6.85反坡延伸至鼻坎，40m处出现最大冲深4.14m，然后以平缓后坡延伸至80m处，堆砂高程高出河面约2.4m，左导墙末端外8m处冲深2.75m，右导墙末端处约有8m×8m的范围被淘刷深3.88m，然后以平缓坡度向左右岸山坡延伸；

③上游库水位为230.37m，相应下游水位为223.31m，其相应的流量系数0.4564，泄流能力较原方案大19%左右；

④在设计流量及以下各级流量水流流态均为淹没戽流，戽内消能充分，鼻坎处测得最大流速23.01m/s，河床流速4.5～6.5m/s，面流速大，而底流速小，左右岸回流范围及强度较原方案缩小了，最大回流速2.5m/s，约减少了25%～32%。在校核工况下，消力戽流态为临界戽流，在距鼻坎64m 处最大冲深加大为6.70m，坡比1∶9.55 (满足设计规范要求)，其余冲坑形态、淘刷范围、流量系数、流速及回流情况均与设计工况差不多，仅数据增大。所以，最终决定采用T形墩+消力戽联合消能工为坝上水电站泄水建筑物消能方式。

T形墩+消力戽联合消能工的布置设计1.堰面曲线

泄水建筑物溢流堰净宽36m不变，仍布设3扇12m×10m 弧形钢闸门。溢流堰上游曲线采用椭圆曲线X2/2.52+(1.5-Y)2/1.52=1，下游曲线采用Y=0.077X1.85的WES曲线，接一坡度为1.16∶1的直线段，下接一半径R=4.87m、角度为49.26°的反弧段。

2.牛腿及闸墩

牛腿及闸墩根据溢流堰水面曲线及弧形钢闸门尺寸、启闭设备布置。弧门牛腿支铰中心高程226.40m ，高于该处水面线高程225.88m；闸墩总长20.9m(由于取消了宽尾墩，比原方案缩短了2.8m)，墩厚2.0m，顶高程237.0m。

3.T形墩+消力戽

反弧段后接一长为4.34 m 的平段，其上布置9个高1m、长3m的T形墩，最后接一半径R = 9.0m、角度为45°的消力戽，闸墩尾至消力戽末长度10.8m，戽末鼻坎顶高程211.65m ，闸墩末端消力戽净宽40m。

4.左右岸导流墙

为了减弱左右岸回流影响，减轻水流对下游河床及坝脚的淘刷，左右岸导墙(顶高程为223.31 m)向外扩散。左导墙扩散角为16.59°，长度为10.8m ，右导墙扩散角为7.84°，长度为15.52m。由于在模型试验中发现右导墙末端处约有8m×8m的范围被淘刷至207.66m(深3.88m) ，此处又正处于横跨河床的F6 断层处，所以设计上考虑在消力戽末端开始，从河床以下右导墙扩大为1.5m ，基础应挖至206.5m ，然后用毛石混凝土回填。

按T形墩+消力戽方案布置后，坝上水电站溢流坝及消能工总宽度不变，底部总长29.7m ，比原方案缩短2.0m。

总结坝上水电站由于特殊的地形地质及大流量、弱水跃、坝后式电站枢纽布置紧凑等问题，使大坝泄洪消能设计复杂，经分析计算及水工模型试验，设置了T形墩+消力戽联合消能工。工程于2000年1月试运行以来，泄洪多次，其中“2000/08/25”洪水时，3孔弧形闸门全开，最大下泄流量1700m3/s，上游最高水位228.0m，下游最高水位217.0m，T 形墩处水花溅起约20m。5年多的运行泄洪消能验证，溢流堰未发现气蚀现象，戽内消能充分，下游河床及两岸均未发现明显冲刷，回流消失或极小，泄洪不影响电站正常运行，达到了较好的消能效果。也证明了T形墩+消力戽联合消能工对低弗氏数的中低坝的消能效果是比较理想的2。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学