曹永志

（湖南華緯水電工程公司 常德市 415000）

1 應(yīng)用的重要意義

在開(kāi)展水庫(kù)工程建設(shè)中，過(guò)去一般應(yīng)用混凝土光滑陡槽消能法，據(jù)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，這種消能方法消耗的能量少，有時(shí)，上流水面帶來(lái)的水能沒(méi)有被迅速消除，會(huì)給大壩或周?chē)慕ㄖ飵?lái)極大的沖擊，造成極大的危險(xiǎn)性。過(guò)去，需要耗費(fèi)很多資金建造消力池才能解決消能的問(wèn)題。隨著科學(xué)研究的發(fā)展，提出了階梯式消能方式，這是一種新型的消能方法，應(yīng)用這種方法，它能突破傳統(tǒng)消能技術(shù)消能慢、耗費(fèi)資金多的問(wèn)題，這項(xiàng)技術(shù)給水庫(kù)建設(shè)帶來(lái)重大的突破。

2 應(yīng)用的理論依據(jù)

傳統(tǒng)的光滑陡槽消能法存在的問(wèn)題在于水流通過(guò)光滑陡槽時(shí)，它的前半段水流通過(guò)的地段摩擦力小，能量不能被迅速消除，僅依靠后半段的消能結(jié)構(gòu)解決能量消耗。這種消能方法消能的效率不高。階梯式消能方式是應(yīng)用一種全新的結(jié)構(gòu)來(lái)消能，該工程的總體結(jié)構(gòu)看起來(lái)如階梯，其中每一個(gè)階段都有凹角，這些凹角具有泄洪的作用，當(dāng)奔流的水奔過(guò)一道道階梯以后，它具有的能量已在階梯中逐漸消減，而最后的能量已經(jīng)不會(huì)構(gòu)成太大的危害。

如何科學(xué)設(shè)置階梯才能做好水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作，目前沒(méi)有一種統(tǒng)一的階梯設(shè)置方法，只能說(shuō)這種技術(shù)應(yīng)用的原理為利用階段式的結(jié)構(gòu)，形成水的摻氣點(diǎn)，摻氣點(diǎn)所形成的情況由階梯的形成角度、寬度和階梯的高度來(lái)決定。當(dāng)平滑水流形成摻氣以后，它會(huì)消減一部分的能力。摻氣的水流一步一步地跨越階梯，在形成摻氣的時(shí)候，能量即一步一步地消減。當(dāng)它流過(guò)階梯以后，雖然水流依然存在能量，可是該能量已經(jīng)大幅度的消減，此時(shí)它進(jìn)入消力池中，經(jīng)由消力池進(jìn)一步消去能量，洪水已經(jīng)不再構(gòu)成極大的威脅。

從表面上看，建立階梯式消能工所耗費(fèi)的成本似乎比光滑陡槽高，實(shí)際上假設(shè)階梯式消能工要消耗掉與光滑陡槽同樣的能量，洪水所需流過(guò)的速度比光滑陡槽短，這就意味著與光滑陡槽技術(shù)相比，階梯式消能工技術(shù)更節(jié)省成本。而且，洪水進(jìn)入階段式消能工消耗能量時(shí)，它消耗的能量更多，這就意味著這種技術(shù)能降低洪水沖擊的風(fēng)險(xiǎn)。從綜合的角度上看，階梯式消能工是一種非常先進(jìn)的消能工技術(shù)，如果能夠合理地應(yīng)用該技術(shù)，將更有效地解決水庫(kù)除險(xiǎn)加固的問(wèn)題。

3 案例分析

在怎樣的情形下，應(yīng)當(dāng)應(yīng)用階梯式消能工技術(shù)，目前尚無(wú)一個(gè)定論，在開(kāi)展水庫(kù)建設(shè)的時(shí)候，要根據(jù)水庫(kù)的實(shí)際情況，以及結(jié)合經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、有效的原則將這一技術(shù)應(yīng)用到水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中。

3.1 工程項(xiàng)目

湖南華緯水電工程公司2009年承擔(dān)了常德市2009年度石門(mén)縣雙紅水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的施工，10月11日開(kāi)工，2010年5月16日完工，筆者擔(dān)任該工程的技術(shù)負(fù)責(zé)人。雙紅水庫(kù)為石門(mén)縣重點(diǎn)中型水庫(kù)，樞紐工程由大壩溢洪道、輸水涵管等建筑物組成，工程等級(jí)為三級(jí)。該工程的施工技術(shù)運(yùn)用有很多方面，筆者在此僅僅談?wù)勏芄ぴ诖斯こ讨械倪\(yùn)用。

3.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

（1）消能工設(shè)計(jì)分析。經(jīng)過(guò)勘測(cè)，設(shè)計(jì)人員搜集了與水庫(kù)相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)。雙紅水庫(kù)的修建時(shí)間為1959年，它主要擔(dān)負(fù)著抗洪、蓄洪，及數(shù)個(gè)村莊農(nóng)業(yè)灌溉的任務(wù)。1979年，雙紅水庫(kù)擴(kuò)建。2004年9月，湖南省水利廳批準(zhǔn)了雙紅水庫(kù)《大壩安全鑒定書(shū)》。2007年3月水利部大壩安全管理中心復(fù)核確認(rèn)大壩為Ⅲ類(lèi)壩。2008年11月省水利廳對(duì)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行了批復(fù)。2009年11月，省水利廳審查通過(guò)了技施設(shè)計(jì)并下達(dá)實(shí)施雙紅水庫(kù)除險(xiǎn)加固計(jì)劃。現(xiàn)在水庫(kù)的壩頂高程設(shè)計(jì)為236.00 m，壩頂寬5 m、壩長(zhǎng)約1 000 m，校核洪水位128.57 m，總庫(kù)容為1 280 萬(wàn)m3，死水位111.69 m，死庫(kù)容22 萬(wàn)m3，主要建筑物為40年一遇洪水設(shè)計(jì)。

（2）消能工設(shè)計(jì)方案。雙紅水庫(kù)的堤壩需要有效的消能，否則新的險(xiǎn)情將會(huì)再度發(fā)生。如果采用傳統(tǒng)的消能方式，應(yīng)用光滑陡槽與消力池共同應(yīng)用的方法，洪水在經(jīng)過(guò)光滑陡槽上，會(huì)激起極大的水花，水花敲擊在消力池的墻壁上，會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的能力，為了消減這種能力，必須建造大容量的消力池，這會(huì)耗費(fèi)太多的成本。

為解決光滑陡槽消力效果不佳的問(wèn)題，設(shè)計(jì)單位作出變更，將光滑陡槽改為53 級(jí)的階梯陡槽，陡槽每級(jí)高為0.60 m，寬為1.38 m。

結(jié)合設(shè)計(jì)模型來(lái)判斷，如果應(yīng)用傳統(tǒng)的光滑陡槽加消力池技術(shù)，在陡槽末段測(cè)試水躍起躍首的流速應(yīng)為26.4 m/s，如果計(jì)消力池尾坎斷面，總計(jì)可消能88%，而其中主要的能量為消力池消耗，消力池耗能為80%，可見(jiàn)光滑陡槽不能有效地起到耗能的作用。改用階梯式消能工技術(shù)，最終消力池尾坎斷面總計(jì)耗能為87%，其結(jié)果與原設(shè)計(jì)方案相差無(wú)幾，而階梯式陡槽耗能率為62.6%，這意味著不需要建造很大的消力池即可完成后續(xù)的消能工作。

將該次水庫(kù)消能原設(shè)計(jì)模型與實(shí)際控制工況進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)附表。

附表 雙紅水庫(kù)消能原設(shè)計(jì)與實(shí)際控制工況進(jìn)行比較 %

（3）消能工施工結(jié)果。與原定的設(shè)計(jì)方案相比，階梯式消能工技術(shù)往上游縮短了20 m 的距離，提高了水庫(kù)除險(xiǎn)加固的效能；池底抬高了4 m，消力池僅僅只需要2 m，降低了施工的成本。該技術(shù)的應(yīng)用解決了這一水庫(kù)長(zhǎng)期存在的安全隱患。

4 應(yīng)用的要點(diǎn)分析

（1）結(jié)合施工需求應(yīng)用該技術(shù)。在水庫(kù)的除險(xiǎn)加固工程中，可以應(yīng)用多種除險(xiǎn)加固技術(shù)，比如消力池技術(shù)、消力坎技術(shù)、階梯式消能工技術(shù)、挑流方案技術(shù)，階梯式消能工技術(shù)只是其中的一種技術(shù)。每個(gè)水庫(kù)情況不同，適用的技術(shù)也不相同。以該次的水庫(kù)除險(xiǎn)加固案例而言，該水庫(kù)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常不穩(wěn)固，它急需開(kāi)展消能工程； 該水庫(kù)從上游至下游均存在位移現(xiàn)象，如果應(yīng)用光滑陡槽技術(shù)，洪水在穿越陡槽的過(guò)程中不能有效地消能，它的消能工作主要在消力池完成，這種工程結(jié)構(gòu)可能還是會(huì)給水庫(kù)帶來(lái)隱患，為有效解決水庫(kù)消能問(wèn)題，本次工程優(yōu)先選擇應(yīng)用階梯式消能工技術(shù)，該水庫(kù)的實(shí)際情況允許應(yīng)用階梯式消能工技術(shù)。

（2）結(jié)合施工參數(shù)應(yīng)用該技術(shù)。應(yīng)用階梯式消能工技術(shù)，要做好庫(kù)水位、下泄流量、流量的計(jì)算工作，結(jié)合消能的需求做好階梯式消能工設(shè)計(jì)。從該次案例中雙紅水庫(kù)的階梯式消能工技術(shù)的應(yīng)用可以看到，要重視數(shù)據(jù)收集的工作。為了有效地做好施工參數(shù)設(shè)計(jì)，首先收集了1959年的水庫(kù)修建原始資料，從中取得需要的數(shù)據(jù)；收集了1979～2009年水庫(kù)建設(shè)的資料，還收集了水庫(kù)位移變化的資料，以此得到消能工程開(kāi)展的依據(jù)。

（3）結(jié)合施工成本應(yīng)用該技術(shù)。在應(yīng)用階梯式消能技術(shù)時(shí)，不能武斷地說(shuō)應(yīng)用階梯式消能技術(shù)一定比其它的消能工技術(shù)更節(jié)省成本。這是由于在應(yīng)用消能工技術(shù)時(shí)，涉及到土方開(kāi)挖、混凝土回填、各種混凝土及鋼筋應(yīng)用、各類(lèi)后期工程清理的問(wèn)題等。應(yīng)結(jié)合施工的實(shí)際情況，綜合比較施工的需求與施工的成本，找到一個(gè)最優(yōu)的施工方案。

[1] 金裕祥,包中進(jìn),葉潔慧,等.階梯式消能工在南山水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用[J].浙江水利科技，2008，（03）.

[2] 陸芳春,包中進(jìn),徐崗.階梯式溢流面水力特性規(guī)律研究[J].浙江水利科技，2008，（02）.

[3] 陸芳春,史斌,包中進(jìn).階梯式溢流面消能特性研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2006，（01）.

[4] 黃智敏,朱紅華,何小惠,等.緩坡度陡槽溢洪道階梯消能研究與應(yīng)用[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2005，（03）.

[5] 李蜀.云龍水庫(kù)溢洪道階梯消力池的設(shè)計(jì)[J].水利水電技術(shù)，2004，（12）.