论文部分内容阅读
摘要：结合景谷县黄家寨水库溢洪道泄槽段、消能段修复工程实例，介绍井流消能的理论及消力井在地形地质条件受限的山区小水库溢洪道除险加固中的应用，为推广消力井应用积累经验。
关键词：水库；除险加固；消力井；应用
一、工程概况
黄家寨水库位于景谷县半坡乡半坡村，属澜沧江水系，澜沧江一级支流芒傣河上游。坝址地理位置为东经100°13′32″，北纬23°13′50″。水库距离半坡乡政府10km，距离景谷县城103km。现状有简易乡村道路通过，但道路狭窄、坑凹不平，通行条件差，交通不便。黄家寨水库始建于1997年，1999年投入运行。水库控制径流面积2.55km2，总库容99.59万m3（2011年除险加固复核值），兴利库容为75.03万m3。是一座以农业灌溉为主，兼顾下游防洪安全的综合利用型水库，设计灌溉面积3200目，规模为小（二）型水库工程，坝高37m，工程等别为V等。目前的水库枢纽工程包括拦河坝、输水涵管和溢洪道。
景谷县雨季主要集中在每年的6～8月，雨量大，且比较集中，黄家寨水库溢洪道校核洪水位时200年一遇（P=0.5%）下泄流量为17.85m3/s，设计洪水位时20年一遇（P=5%）下泄流量为10.42m3/s。
二、主要病害情况
黄家寨水库于2011年除险加固，目前大坝、输水涵管完好，主要病害为溢洪道泄槽段和消能段。
（一）溢洪道现状
溢洪道位于拦河坝左坝肩，为正槽开敞式无闸控制溢洪道，控制段宽3m，堰頂高程1734.90m，目前已衬砌118.326m。
（二）溢洪道地质条件
溢洪道大部分置于三叠系上统（Tb3）灰绿色安山质角砾集块熔岩上，岩体块状结构，强风化，节理裂隙发育，破碎，强度中等坚硬，中等～弱透水，地下水位低于溢洪道底板。溢洪道底板基础置于基岩强风化层上，大部分基础基本稳定，出口处无消能设施，透水性强，局部抗冲刷力弱，冲刷破坏严重，工程地质条件较差。
（三）主要病害情况
目前溢洪道泄槽段损毁，尾部无消能设施，溢洪道泄洪直接冲向泄槽山体陡坡，造成溢洪道下游山体冲刷损毁较为严重，由于雨季溢洪道过流量大，破坏力强，以前对山体陡坡段进行过跌坎消能简单处理，但是都被洪水冲毁，目前溢洪道泄槽形成了一条陡峭的冲沟，如果不进行处理，任由洪水冲刷，将危及溢洪道已建段的安全，甚至有可能危及大坝的安全。
三、工程措施
针对黄家寨水库溢洪道病害情况，主要采取的措施是新建溢洪道泄槽段和消能段。溢洪道泄槽段基本与原河道正交，若采用底流消能，则溢洪道消力池过长，占用了原河道；地质条件不适宜进行挑流消能，最终确定消能方式为消力井。通过溢洪道的水力计算，确定溢洪道泄槽宽度、边墙高度、消力井长度及消力井深度。
（一）泄槽段水面曲线计算
水面曲线计算采用软件《水利水电工程PC-1500程序集（D-7）》进行计算。根据计算结果，泄流时的水面曲线并考虑掺气水深，从而确定边墙高度。
（1）设计参数
根据溢洪道结构布置及能量方程，采用分段求和法进行计算，计算流量分别采用校核水位（P=0.5%）时相应的下泄流量为17.85m3/s，设计水位（P=5%）时的下泄流量为10.42m3/s，糙率n=0.015。
（2）掺气水深
经过计算，得出校核水位下泄槽水面线及设计边墙高度见下表。
（3）计算成果
计算成果见表5-1、表5-2，泄槽边墙高度分别按通过校核流量及设计流量并计入掺气影响，安全超高取0.5～1.5m计，根据计算结果，合理选取边墙高度。
（二）消能计算
消力井是一种特殊的局部水流现象，消力井性能优越适应性强，结构简单，经济，具有井内外双重消能作用，消能效果显著的特点，是低水头，低弗劳德数泄水建筑物的一种良好的消能形式。消力井是指泄水建筑物下游斜坡处的末端连接一个矩形有底或者无底的消能建筑物，它具有一般泄水建筑物下游反弧段的作用。按消力井水流入射角α和出射角θ相对大小，井流可分为典型井流和非典型井流。
当θ>α时，水流在井顶形成光滑的反弧曲面，井内旋滚比较充分，此时的形态为典型的井流，消力井出口水深大于进口水深；当θ<α时，水流在井顶表面形成扭曲面，此时井流作用不完全，称为非典型井流，消能效果低于典型井流。
消力井起着溢流坝反弧鼻坎的作用，水流通过消力井时，井内水流起着水垫作用，使水流在井的顶部形成反弧曲面，井顶水流出井时自动形成挑射角，这种挑射角的大小除了与消力井的固体边界（如消力井进口底坡、消力井长度、深度）有关外，还与消力井进口弗劳德数，下游水位变化有着密切的关系，随着这些要素的变化而改变。
溢洪道消力井消能防冲洪水标准按20年一遇设计，下泄流量为10.42m3/s。
（1）消力井长度L
消力井长度的大小对井内流态影响较大，消力井过短，会出现非典型井流，井流作用不完全，易超过射流安全角，形成淹没混合流，消能效果虽然提高，但挑距将显著减小。消力井过长，会出现消力井进口水流直冲井底，不能形成井流流态，而出现类似消力池式消能，随着井长增加，水流射角将逐渐减小，水流挑距也随之减小。井长可用下式计算：
（2）消力井的深度D
井深不足不能产生典型井流，井深D满足产生典型井流时，井深再增大，对井流的水力特性已无影响，井长L和入射角α与井深有着密切的关系，其关系如下：
经计算消力井深D=2.0m，为防止产生空蚀，考虑1m水垫深度，取消力井深D=3m。
（三）工程措施
由于泄槽段底坡i=0.75，拟采用C25钢筋混凝土浇筑，消力井采用C25钢筋混凝土浇筑，尾水段采用块石抛填。
四、结语
在我省小型水库除险加固工程中，经常遇到征占地协调困难，地方配套资金难以落实等情况，井流消能的主要优点是：结构简单，占地面积小，对地质条件适应能力强，节约资金，消能效果显著，工期较短。黄家寨水库溢洪道消力井消能具有很强的代表性，在我省小型水库除险加固工程中有很好的推广意义，希望在以后的工程设计中更多的采用这一高效能、低造价的消能型式。
参考文献：
[1] 溢洪道设计规范SL253-2000；2000年7月13日发布，2000年8月1日实施.
[2]刘焕芳，苏萍，李强；深筒式消力井水力特性试验研究[J]；水科学进展；2002年05期.
[3]王昌亨；消力井水力计算，山东水利科技，1995年第3期.
[4]费宗如；井流消能在水库溢洪道改造中的应用探索；城市道桥与防洪；2006年1月第1期.
（作者单位：云南创研勘测设计研究院有限公司普洱分公司）
关键词：水库；除险加固；消力井；应用
一、工程概况
黄家寨水库位于景谷县半坡乡半坡村，属澜沧江水系，澜沧江一级支流芒傣河上游。坝址地理位置为东经100°13′32″，北纬23°13′50″。水库距离半坡乡政府10km，距离景谷县城103km。现状有简易乡村道路通过，但道路狭窄、坑凹不平，通行条件差，交通不便。黄家寨水库始建于1997年，1999年投入运行。水库控制径流面积2.55km2，总库容99.59万m3（2011年除险加固复核值），兴利库容为75.03万m3。是一座以农业灌溉为主，兼顾下游防洪安全的综合利用型水库，设计灌溉面积3200目，规模为小（二）型水库工程，坝高37m，工程等别为V等。目前的水库枢纽工程包括拦河坝、输水涵管和溢洪道。
景谷县雨季主要集中在每年的6～8月，雨量大，且比较集中，黄家寨水库溢洪道校核洪水位时200年一遇（P=0.5%）下泄流量为17.85m3/s，设计洪水位时20年一遇（P=5%）下泄流量为10.42m3/s。
二、主要病害情况
黄家寨水库于2011年除险加固，目前大坝、输水涵管完好，主要病害为溢洪道泄槽段和消能段。
（一）溢洪道现状
溢洪道位于拦河坝左坝肩，为正槽开敞式无闸控制溢洪道，控制段宽3m，堰頂高程1734.90m，目前已衬砌118.326m。
（二）溢洪道地质条件
溢洪道大部分置于三叠系上统（Tb3）灰绿色安山质角砾集块熔岩上，岩体块状结构，强风化，节理裂隙发育，破碎，强度中等坚硬，中等～弱透水，地下水位低于溢洪道底板。溢洪道底板基础置于基岩强风化层上，大部分基础基本稳定，出口处无消能设施，透水性强，局部抗冲刷力弱，冲刷破坏严重，工程地质条件较差。
（三）主要病害情况
目前溢洪道泄槽段损毁，尾部无消能设施，溢洪道泄洪直接冲向泄槽山体陡坡，造成溢洪道下游山体冲刷损毁较为严重，由于雨季溢洪道过流量大，破坏力强，以前对山体陡坡段进行过跌坎消能简单处理，但是都被洪水冲毁，目前溢洪道泄槽形成了一条陡峭的冲沟，如果不进行处理，任由洪水冲刷，将危及溢洪道已建段的安全，甚至有可能危及大坝的安全。
三、工程措施
针对黄家寨水库溢洪道病害情况，主要采取的措施是新建溢洪道泄槽段和消能段。溢洪道泄槽段基本与原河道正交，若采用底流消能，则溢洪道消力池过长，占用了原河道；地质条件不适宜进行挑流消能，最终确定消能方式为消力井。通过溢洪道的水力计算，确定溢洪道泄槽宽度、边墙高度、消力井长度及消力井深度。
（一）泄槽段水面曲线计算
水面曲线计算采用软件《水利水电工程PC-1500程序集（D-7）》进行计算。根据计算结果，泄流时的水面曲线并考虑掺气水深，从而确定边墙高度。
（1）设计参数
根据溢洪道结构布置及能量方程，采用分段求和法进行计算，计算流量分别采用校核水位（P=0.5%）时相应的下泄流量为17.85m3/s，设计水位（P=5%）时的下泄流量为10.42m3/s，糙率n=0.015。
（2）掺气水深
经过计算，得出校核水位下泄槽水面线及设计边墙高度见下表。
（3）计算成果
计算成果见表5-1、表5-2，泄槽边墙高度分别按通过校核流量及设计流量并计入掺气影响，安全超高取0.5～1.5m计，根据计算结果，合理选取边墙高度。
（二）消能计算
消力井是一种特殊的局部水流现象，消力井性能优越适应性强，结构简单，经济，具有井内外双重消能作用，消能效果显著的特点，是低水头，低弗劳德数泄水建筑物的一种良好的消能形式。消力井是指泄水建筑物下游斜坡处的末端连接一个矩形有底或者无底的消能建筑物，它具有一般泄水建筑物下游反弧段的作用。按消力井水流入射角α和出射角θ相对大小，井流可分为典型井流和非典型井流。
当θ>α时，水流在井顶形成光滑的反弧曲面，井内旋滚比较充分，此时的形态为典型的井流，消力井出口水深大于进口水深；当θ<α时，水流在井顶表面形成扭曲面，此时井流作用不完全，称为非典型井流，消能效果低于典型井流。
消力井起着溢流坝反弧鼻坎的作用，水流通过消力井时，井内水流起着水垫作用，使水流在井的顶部形成反弧曲面，井顶水流出井时自动形成挑射角，这种挑射角的大小除了与消力井的固体边界（如消力井进口底坡、消力井长度、深度）有关外，还与消力井进口弗劳德数，下游水位变化有着密切的关系，随着这些要素的变化而改变。
溢洪道消力井消能防冲洪水标准按20年一遇设计，下泄流量为10.42m3/s。
（1）消力井长度L
消力井长度的大小对井内流态影响较大，消力井过短，会出现非典型井流，井流作用不完全，易超过射流安全角，形成淹没混合流，消能效果虽然提高，但挑距将显著减小。消力井过长，会出现消力井进口水流直冲井底，不能形成井流流态，而出现类似消力池式消能，随着井长增加，水流射角将逐渐减小，水流挑距也随之减小。井长可用下式计算：
（2）消力井的深度D
井深不足不能产生典型井流，井深D满足产生典型井流时，井深再增大，对井流的水力特性已无影响，井长L和入射角α与井深有着密切的关系，其关系如下：
经计算消力井深D=2.0m，为防止产生空蚀，考虑1m水垫深度，取消力井深D=3m。
（三）工程措施
由于泄槽段底坡i=0.75，拟采用C25钢筋混凝土浇筑，消力井采用C25钢筋混凝土浇筑，尾水段采用块石抛填。
四、结语
在我省小型水库除险加固工程中，经常遇到征占地协调困难，地方配套资金难以落实等情况，井流消能的主要优点是：结构简单，占地面积小，对地质条件适应能力强，节约资金，消能效果显著，工期较短。黄家寨水库溢洪道消力井消能具有很强的代表性，在我省小型水库除险加固工程中有很好的推广意义，希望在以后的工程设计中更多的采用这一高效能、低造价的消能型式。
参考文献：
[1] 溢洪道设计规范SL253-2000；2000年7月13日发布，2000年8月1日实施.
[2]刘焕芳，苏萍，李强；深筒式消力井水力特性试验研究[J]；水科学进展；2002年05期.
[3]王昌亨；消力井水力计算，山东水利科技，1995年第3期.
[4]费宗如；井流消能在水库溢洪道改造中的应用探索；城市道桥与防洪；2006年1月第1期.
（作者单位：云南创研勘测设计研究院有限公司普洱分公司）