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水库除险加固工程放水涵洞出口消力池的改造设计
摘要：水库除险加固工程中，放水涵洞的加固与改造是较为关键和重要的环节。

本文提到的放水涵洞出口消力池，是一例底流式消能工，通过分析计算认为，有效结合利用原消力池，在此基础上进行改造，将原消力池延长至满足消能要求的尺寸，从而新设消能结构，是解决该消力池消能问题的行之有效的思路。

准确把握上游库水位与下游渠道底板高程，认真选定消力池计算特征流量，是确定消力池尺寸的关键。

该结构利用原消力池水垫与新设消力池的二级消力，综合演化为加固后的一级消力池，并且提高了下游灌溉高程，为农业灌溉创造了有利条件。

改造后的消力池消能率较高，接近底流消能状态下较为理想的稳定水跃。

关键词：水库；放水涵洞；水跃；消力池；改造设计
一、工程概况
某中型水库除险加固工程，为引水注入式平原水库，主要供给下游灌区灌溉用水，总库容2300万m3，正常蓄水位1350.76m，放水涵洞一孔，长30.2m，矩形断面，宽 1.2m×高 1.5m，涵洞进口底板高程1345.043m，设计放水流量5.6m3/s，加大放水流量7.0 m3/s。

在闸门开启时无压流状态下最大流量为4.582 m3/s，对应的水库水位为1346.543m；在水库正常蓄水位1350.76m，在闸孔出流状态下达到设计与加大流量时，闸门开度分别为0.73m、0.9 m。

运行几十年来，放水涵洞洞身质量仍保持较好，进出口砼结构局部老化、破损。

放水涵洞的加固措施为：保留涵洞洞身，加高加固进出口砼边墙，改造消力池。

二、设计思路与消能措施设计
该水库为除险加固项目，针对水库大坝安全鉴定阶段发现的水库病险问题采取加固措施。

大坝安全鉴定意见之一是对水库放水涵洞进行维修，并更换闸门及启闭系统。

鉴于水库运行40多年，放水涵洞有多处损坏，初设报告提出采用砼结构重建放水涵洞进口段、出口消力池，修补洞身钢筋混凝土，更换工作闸门和启闭设备，重建闸房等。

因此，在技施设计阶段，对初设报告提出采用砼结构重建放水涵洞进口段、出口消力池，修补洞身钢筋混凝土，更换工作闸门和启闭设备，重建闸房等方案进行细化设计。

水库放水涵洞现状出口消力池位于出口交通桥下，长7.0m，宽 3.0m，深
0.5m 。

交通桥与消力池砼结构质量尚好，但通过复核计算，现状消力池尺寸不满足要求，不能够起到有效消能作用，影响建筑物的正常运用。

本文的设计思路主要是根据放水涵洞的维修加固与设计，做到既能充分利用原有建筑物，又能通过加固设计使其满足安全运用要求。

通过分析，拆除原消力池势必要拆除池上交通桥，造成投资和工程上的浪费，况且对涵洞段坝后稳定不利，如果能在利用原消力池的基础上进行加固改造，则是较为理想的设计选择。

通过其后的计算，若发现无法利用原消力池则拆除重建，若能利用则充分加以改造利用，实践证明该设计思路正确。

三、水力计算
水库正常蓄水位1350.76 m ，放水涵洞设计流量5.6m 3/s ，加大流量7.0m 3/s ，涵洞宽1.2m ×高1.5m 。

我们知道，消力池的最佳消能工况不一定是在通过最大流量时发生，因此，本次设计选用了放水涵洞敞泄时的最大流量和水库正常蓄水位下放水涵洞的设计流量与加大流量作为特征流量进行计算。

通过放水涵洞出口消能计算，确定不同水位时的闸后发生的水跃高度，按照《水力计算手册》计算如下： 收缩断面水深（连续性方程）：2c
22
0h g 2ϕq hc E += 共轭水深：）（1812
"-+=Frc hc hc 式中弗汝德数()
c gh Frc c h /q = 消能池出口水面落差：⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛"-=∆2222211b 2c t h h g Q Z σϕ 式中：h t -下游水深
几何关系（应产生稍为淹没的水跃）"C h Z S ht σ=∆++
式中：σ=1.05，φ´=0.95
根据以上公式计算得：
① 当库水位达到1346.543m ，流量Q=4.58m 3/s 下，闸门敞泄时2.1"=hc ，
hc 〃＜下游水深1.72m ，这时发生淹没式水跃。

② 当大坝达到正常蓄水位时，闸门局部开启，宣泄设计流量时635.1"=hc ，hc 〃
＞下游水深1.35m ，这时发生远驱式水跃，必须修建消力池。

③ 大坝达到正常蓄水位时，闸门局部开启，宣泄加大流量时81.1"=hc ，hc 〃＞下游水深1.51m ，这时发生远驱式水跃，必须修建消力池。

消力池采用底流消能的形式，断面采用矩形，计算公式采用下式计算：
（1）消力池深度确定
z h h c ∆--=t '
's σ
通过计算，消力池池深0.358m ，设计取0.5m 。

（2）消力池长度计算： j L L β=k
()1r 5.91-=F L j （Fr 1＜9.0）
式中 L k —消力池长度（m ）；
β—水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8；
L j —水跃长度（m ）；
经计算，消力池长8.6m ，设计取14m 。

（3）消力池边墙高度计算：
下游最大共轭水深81.1"=hc ，根据工程经验，消力池边墙超高取1.3m ，因此，自消力池底板起算的消力池边墙高度为3.2m 。

由于原交通桥下消力池长仅7m ，不能满足出口消能要求，故可将原消力池延长至桥后7m 远处，则除险加固后消力池总长14m ，消力池底板高程取为与原消力池坎顶高程一致。

这样，原消力池内0.5m 水深相当于水垫消能，同时相应抬高下游出口水位0.5m ，对满足下游农业灌溉高程创造了有利条件。

四、水跃形成分析
在水库正常运行工况下，放水涵洞为闸孔出流无压涵洞，在闸后一定距离内会产生一对共轭水深，这对共轭水深由于在涵洞内发生，且形成无压流，对涵洞不会产生多大影响；水流出了涵洞有一个短的陡坡，之后在原消力池内发生一
次水跃，将第二次产生一对共轭水深，当原消力池内水位与池末端坎顶同高，即原消力池内水是满的，这时，原消力池内水位与桥后延长消力池底板同高，此时可近似的认为原消力池内水体形成了水垫，与桥后延长消力池底板形成了整体消能池的底板；当水流继续的流入整体消能池时，前述第二次产生的一对共轭水深将会随之消失，继而在桥后延长消力池内将第三次产生一对共轭水深，这最后的一对共轭水深决定了整体消能池出口的尺寸，也就是桥后延长消力池的尺寸。

当水库放水涵洞在正常运行工况持续放水时，在建筑物段会同时存在两对共轭水深，也就是说会同时产生两处水跃。

我们知道，水跃会对建筑物带来危害，在分析了水跃的形成机理，从而采取行之有效的相应措施，促使水跃在消能池内形成稳定水跃，从而达到消能和控制水跃的目的。

五、运行效果
水库除险加固工程于2007年竣工，放水涵洞运行几年来，出口消力池水流较平稳，消能效果较好，下图为库水位1348.5m 时放水涵洞出流情况下的照片。

消力池下游视图 消力池俯视图
如果以前述计算数据确定消能率，那么根据《水力计算手册》，水跃消能量△E=（h c 〃- h c ）^3/(4h c *h c 〃)，计算得在设计流量和加大流量情况下消能率分
别为43.8%、40.7%，接近底流消能状态下较为理想的稳定水跃。

不论从理论上还是实践中都证明该消力池的加固设计是比较成功的。

六、附图
七、结语
该项设计为一例底流式消力池的加固设计，在准确把握了上游水库蓄水位和下游出口底高程之后，就把水流的总能头确定了下来，消力池的目的就在于把水流的总能头（势能）转化为水流的动能和消减为其他形式的能量（如撞击建筑结构摩擦产生的热能等），并且不能够对消能建筑物产生危害。

本文通过对水库除险加固工程中放水涵洞出口消力池的设计，有以下几点收获：(1)巧妙地将原工程结构与新设工程结构结合起来，既充分利用了原工程的稳定结构部分与合理部分，又使得新设工程有效满足了消能结构功能；（2）通过有效利用原消力池内水垫的消能作用，将新设消力池延长，解决了原消力池消能长度不足的问题，相当于二级消力演化为一级消力；（3）利用原消力池坎顶高程作为新设消力池底板高程，新设消力池深0.5m，相应抬高下游农业灌溉高程0.5m，为下游农业灌溉创造了有利条件。

参考文献：
[1] 李炜.《水力计算手册》（第二版），武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室，2006年6月.
[2] 刘韩生，花立峰，纪志强，卢泰山.《跌水与陡坡》，西北水利科学研究所，2003年12月.
[3]《水闸设计规范》（SL265-2001），中国水利水电出版社，2001年2月.。