一种中小型水库溢洪道挑流消能防冲方法与流程

本发明涉及溢洪道挑流消能技术，具体来说涉及一种中小型水库溢洪道挑流消能防冲方法。

背景技术

水利枢纽中的溢洪道泄水时，由于势能转换成动能，能引起下游河床的冲刷，危及溢洪道和其他建筑物的安全。防控该安全问题的主要手段是消能，辅助措施为防冲。目前普遍采取的消能方式有：底流消能、挑流消能、面流消能。

上述几种消能方式存在以下问题：

(1)底流消能

底流消能历史悠久，因其流态稳定，消能效果好，下游冲刷较轻，且无水雾干扰，加以对水跃特性有长期研究，故应用广泛。它能适应于各种水头、流量和地质条件。底流消能存在的问题是：消力池工程量大，且为水下工程，造价高，影响工期；当泄流落差很大时，必须注意防止高速水流对过流表面造成的空蚀破坏；当闸门运行不当时，消力池内可能出现三元流，挟有石砾的回流可能磨损消力池。

(2)挑流消能

挑流消能适用于地质条件较好、尾水较深时。其优点是：挑流鼻坎的体型变化具有很大的灵活性，对下泄单宽流量的适应性也最强。可以利用不同的坎型改变水舌形状和分散度，调整水舌入水点，改善消能效果。这个水力特点是其他消能方式难以攀比的。挑流消能不受尾水变幅的影响，仅是水垫深浅而己，只要冲刷坑远离坝址，大坝即可保证安全。此外，挑坎结构简单，便于施工和检修，可较多地节省消能工的投资。存在问题是，水流挑射范围形成强雾化区，对电站、航运、交通、生态均有影响；冲坑下游形成的堆丘会抬高尾水，减少出力。此外，若鼻坎体型不当，会产生空蚀破坏。

(3)面流消能

面流消能借设置于溢流坝末端的垂直陡鼻坎，将下泄高速射流导向下游水面沿程扩散，使水面产生波浪起伏，底部形成水滚，两者相互作用而使泄流的能量得以消散。因其主流在坝下一定距离内集中于水面，从而可减轻河床的冲刷。面流消能可用于下游尾水大于跃后水深且水位变幅不大，河床和两岸在一定范围内有较高的抗冲能力，或有排冰要求的工程。

面流消能的主要优点是可减少下游河床的保护工程，且利于漂浮物流送。其存在的问题是流态的多变性和不稳定性，要求下游具有较大而稳定的水深；面流波浪对下游岸坡冲刷较剧，坝趾及下游导墙易生淘刷。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种中小型水库溢洪道挑流消能防冲方法，其既能消能、又能防冲，又便于快速施工。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种中小型水库溢洪道挑流消能防冲方法，包括：

沿溢洪道挑流水舌的流向，分别开挖挑流鼻坎、水垫池及挡水墙，其中，挑流鼻坎位于挑流水舌上游，水垫池位于挑流水舌的冲刷坑处，挡水墙位于挑流水舌下游。

进一步，还包括在挑流鼻坎和水垫池之间的挑流水舌底部设置底板。

进一步，开挖挑流鼻坎、水垫池及挡水墙的方法为：

对溢洪道泄槽末端挑流鼻坎至挡水墙范围内进行施工现场布置；

测量放挑流鼻坎、水垫池及挡水墙的控制点；

机械开挖挑流鼻坎、底板、水垫池及挡水墙的基础至建基面；

对挑流鼻坎及底板进行基础锚杆施工；

挑流鼻坎钢筋砼浇筑；

水垫池钢筋砼浇筑；

挑流鼻坎至水垫池之间的底板钢筋砼浇筑；

挡水墙钢筋砼浇筑。

进一步，挑流鼻坎的反弧半径为反弧最低点最大水深的6-12倍，挑流鼻坎的挑角为15°～35°。

进一步，计算获得挑距和挑流水舌的冲刷坑最大水垫深度，其中，挑距用于确定水垫池位置，挑流水舌下游水位至水垫池池底高程不小于冲刷坑最大水垫深度，水垫池池宽与挑流鼻坎的宽度相等，水垫池池长与冲刷坑长度相等。

进一步，水垫池上游采用斜坡方式与水垫池下游高程衔接，水垫池上游面采用锚杆与地基连接。

进一步，挡水墙墙顶至水垫池池底的高度差不小于冲刷坑最大水垫深度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在挑流水舌冲刷坑处预先开挖一水垫池，优选在池四周及底板采用钢筋混凝土护面以防止对两侧和底部基础造成冲刷，通过在池下游侧设挡水墙，以加大下游水垫深度和减少池深；水垫池可形成足够水垫深度，可有效防止对下游和两岸的冲刷，且可适用于地质条件较差的工程。

与底流消能相比，本发明工程量小、造价低；与常规挑流消能相比，可以在地质条件较差时使用，且下游有足够的水垫深度，有利于下游河床防冲，减少运行期维修费用；与面流消能相比，水流流态稳定，对下游岸坡冲刷较轻。

在溢洪道挑流消能过程中，本发明具有适用条件广，下游形成足够水垫深度、消能效果好，可有效防止对下游和两岸的冲刷，运行维护费用低(常规挑流消能造成下游较大冲坑，修复费用高)等优点，具有极大的推广前途。

附图说明

图1为本发明挑流水舌挑距及冲刷坑示意图；

图2为应用本发明中小型水库溢洪道挑流消能防冲方法所形成的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图2所示，一种中小型水库溢洪道挑流消能防冲方法，包括：

沿溢洪道挑流水舌的流向，分别开挖挑流鼻坎、水垫池及挡水墙，其中，挑流鼻坎位于挑流水舌上游，水垫池位于挑流水舌的冲刷坑处，挡水墙位于挑流水舌下游。还包括在挑流鼻坎和水垫池之间的挑流水舌底部设置底板。

其中，开挖挑流鼻坎、水垫池及挡水墙的方法为：

对溢洪道泄槽末端挑流鼻坎至挡水墙范围内进行施工现场布置；

测量放挑流鼻坎、水垫池及挡水墙的控制点；

机械开挖挑流鼻坎、底板、水垫池及挡水墙的基础至建基面；

对挑流鼻坎及底板进行基础锚杆施工；

挑流鼻坎钢筋砼浇筑；

水垫池钢筋砼浇筑；

挑流鼻坎至水垫池之间的底板钢筋砼浇筑；

挡水墙钢筋砼浇筑。

本实施例的中小型水库溢洪道挑流消能防冲方法优选适用于当中小型水库溢洪道下游地质条件为强风化岩石或较差时。考虑到小流量形成的贴壁流和跌流会对下部基础造成冲刷，挑流鼻坎至水垫池段底板和两侧均采用钢筋混凝土防护。

挑流鼻坎的基础应开挖坐落在弱风化岩石，并采用锚杆与地基连接。挑流鼻坎的反弧半径为反弧最低点最大水深的6-12倍。反弧半径取值大小就工程量而言，增减甚微，应可能地选用较大的反弧半径；挑角可采用15°～35°，挑角过小，会使挑距减少和增大下游水流表面流速，冲刷岸坡；挑角过大则水舌入水角相应加大，水流对河床冲刷能力加强；挑流鼻坎顶高程愈低，坎上流速愈大，挑距愈远，但为保证水流自由挑流，坎顶高程又不能定得太低，一般与下游最高水位齐平。

计算获得挑距和挑流水舌的冲刷坑最大水垫深度，其中，挑距用于确定水垫池位置，挑流水舌下游水位至水垫池池底高程不小于冲刷坑最大水垫深度，水垫池池宽与挑流鼻坎的宽度相等，水垫池池长与冲刷坑长度相等。

如图1所示，挑距计算公式：

式中：l--挑距，m

θ--鼻坎挑角，°

v1-鼻坎坎顶水面流速，m/s

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

冲刷坑最大水垫深度计算公式：

tk＝kq^0.5h⁰.²⁵

式中tk——水垫厚度，自水面算至坑底，m；

q——单宽流量，m³/(s·m)；

h——上下游水位差，m；

k——冲刷系数

水垫池上游采用斜坡方式与水垫池下游高程衔接，为增加稳定，水垫池上游面采用锚杆与地基连接。

考虑到加大下游水垫深度和减少池深，增强消能效果，挡水墙墙顶至水垫池池底的高度差不小于冲刷坑最大水垫深度。优选水垫池及底板混凝土标号至少采用c30以上，更有助于保证施工质量。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。