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时间：2019年5月30日 15:14
摘 要：底流消能与挑流消能是中、高坝常用的消能方式。羊安水库结合地质条件及工程投资，最终采用底流消能。本文针对底流消能与挑流消能两种消能方式进行比较，最终选择底流消能方案，减少水流对河床的冲刷。
关键词：消能；底流消能；挑流消能；冲刷
DOI:10.19569/j.cnki.cn119313/tu.201830024
正文：
一、工程概况
羊安水库大坝为C15碾压混凝土重力坝，坝轴线长149.15m。大坝坝顶宽6.00m，坝顶高程828.00m，河床建基面高程为759.00m，最大坝高69.00m，最大底宽度64.90m。溢流坝段长12.00m溢流堰顶高程824.00m，共布置1个表孔，净宽10m，堰面采用WES曲线与下游坝坡为1:0.85的斜坡段相接。末端采用底流消能，消力池深3.2m，池长30m。
二、坝址地形地质条件
坝区位置河谷深切，两岸山体较为雄厚，两岸坡基岩基本裸露，自然边坡坡度40～60°，其边坡类型为层状斜向结构岩质边坡，层面与坡面走向夹角＞50°，边坡结构多属稳定型结构，除局部地段表层分布有少量危岩体外自然边坡整体稳定。
坝址河床高程768.5m，坝址河床出露地层岩性为泥盆系中统上帮寨组一段（D2b1）灰色中至厚层石英砂岩夹深灰色泥质粉砂岩及灰黑、灰绿色含粉砂质泥岩，为坚硬岩夹软质岩的互层状，弱风化岩体抗冲刷系数K=1.4，强风化岩体抗冲刷系数K=1.5。河床抗冲能力一般。
三、适宜消能方式分析
工程在设计及校核工况下下游水深分别为2.1m、2.7m，根据类似工程经验，本工程可选择挑流消能或底流消能方式。
四、消能方式比选
1、底流消能
本工程底流消能消力池洪水标准按20年一遇设计，最大下泄流量Q=63.6m3/s，相应的上、下游洪水位分别为826.1m、770.4m，下游河床高程为768.5m。
根据河床地形、地质条件，设计采用下挖式消力池，池宽与溢洪道同宽，B=10.0m。
消力池池深、池长采用下列公式计算：
式中： ─池深，m； ─水跃淹没度，可取1.05； ─池中发生临界水跃时跃后水深，m； ─消力池出口下游水深，m； ─消力池尾部出口水面跌落，m； ─流量，m3/s； ─消力池宽度，m； ─消力池出口流速系数，取0.95； ─自由水跃长度。
在下泄流量为63.6m3/s时，计算得：消力池深为4.3m，长32.5m，设计池底板高程764.2m。消力池两侧边墙计算高度为6.0m，消力池边墙墙顶高程770.2m。设计边墙及底板采用C30混凝土浇筑，厚1.0m，底流消能工程投资80万元。
2、挑流消能
挑流消能方案设计挑坎高程771.5m，高于校核洪水位下游水位（771.2m）0.3m，设计挑射角20°。
工程消能防冲标准按20年一遇洪水设计，下泄流量为63.6m3/s，相应上、下游水位826.1m、770.4m；工程设计标准按50年一遇洪水设计，下泄流量为83.3m3/s，相应上、下游水位826.5m、770.7；校核工况按300年一遇洪水设计，下泄流量120m3/s，相应上、下游水位827.1m、771.2m。对此三种工况下的下游消能防冲进行计算。
水舌挑流水舌外缘挑距计算公式：
式中：L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m；g—重力加速度，m/s2；v—坎顶水面流速，m/s；θ—挑射角度；h1—挑流鼻坎末端法向水深，m；h2—鼻坎坎顶至下游河床高程差，m；v1—鼻坎坎顶水面流速，m/s，可按鼻坎处平均流速v的1.1倍计。
流速公式计算：
式中：V—鼻坎末端断面平均水深，m/s；Z0—鼻坎末端断面水面以上水头，m；φ—流速系数；hf—沿程损失水头，m；hj—局部损失之和，可取hj/Z0=0.05；S—流程长度，m；q—单宽流量。
最大冲坑水垫厚度计算公式：
式中：T—水垫厚度，自水面算至坑底，m；Z—上、下游水位差，m；K—冲坑系数，取1.5~1.4。
经计算，消能工况下挑距34m，冲坑深度7.8m；设计洪水工况挑距39m，冲坑深度9.0m，校核洪水工况挑距49.0m，冲坑深度11m。各工况下L/t大于2.5，满足规范要求，冲坑不会危及大坝安全。工程挑流消能工程投资55万元。
3、消能方式选择
根据对底流消能及挑流消能计算，两种消能方式在工程技术上均可行。底流消力须对坝下游开挖，土建投资比挑流消能高约25万元。
工程下游河床基岩抗满足抗冲要求，挑流消能对坝体稳定无不利影响。但下游河床软硬岩互层分布，挑流消能对河床冲刷将加剧河床及两岸的水土流失，因挑流消能工程投资与底流消能投资差异并不明显，综合投资、环境影响等方面考虑，本工程选择底流消能方式。
五、结论
在工程投资差别不大的条件下，选择底流消能，能有效的减少洪水对下游河床的冲刷。
在对工程消能方式选择时，应从投资、安全、环保等多方面综合论证，才能选出合适的设计方案。
参考文献：
[1]SL253-2018，溢洪道设计规范[S].
[ 2 ]水力计算手册（第二版）北京:中国水利水电出版社，2011.8.
