水电工程泄水建筑物消能防冲设计导则-条文说明.pdf

61- 中 华 人 民 共 和 国 能 源 行 业 标 准中 华 人 民 共 和 国 能 源 行 业 标 准 水电工程泄水建筑物消能防冲设计导则 NB/T 103922020 条 文 说 明 62 制 定 说 明 水电工程泄水建筑物消能防冲设计导则NB/T103922020，经国家能源局 2020 年 10 月 23 日以第 5 号公告批准发布 本导则制定过程中，编制组进行了广泛的调查研究，总结了水电工程泄水建筑物消 能防冲设计方面的实践经验， 吸收了近年来水电工程泄水建筑物消能防冲研究方面所取 得的科技成果，并向有关设计和科研单位征求了意见 为便于广大设计、施工、科研、学校等单位有关人员在使用本导则时能正确理解和 执行条文规定， 水电工程泄水建筑物消能防冲设计导则编制组按章、节、条顺序编制 了本导则的条文说明，对条文规定的目的、依据以及执行中需注意的有关事项进行了说 明但是，本条文说明不具备与导则正文同等的法律效力，仅供使用者作为理解和把握 导则规定的参考 63 目 次 1 总则 . 65 3 基本规定 . 66 4 消能防冲型式及布置 . 68 4.1 一般规定 . 68 4.2 消能型式选择 . 68 4.3 下游防护 . 80 5 底流消能防冲设计 . 81 5.1 一般规定 . 81 5.2 体型设计 . 82 5.3 水力设计 . 86 5.4 结构设计 . 87 6 挑流消能防冲设计 . 89 6.1 一般规定 . 89 6.2 体型设计 . 90 6.3 水力设计 . 93 6.4 结构设计 . 93 7 面流和戽流消能防冲设计 . 97 7.1 一般规定 . 97 7.2 体型及水力设计 . 97 8 洞内消能防冲设计 . 104 8.1 一般规定 . 104 8.2 体型设计 . 106 8.3 水力设计 . 111 9 下游防护设计 . 114 9.1 一般规定 . 114 9.2 防护型式及结构设计 . 114 9.3 泄洪雾化区防护 . 116 64 10 水工模型试验和水力学数值计算 . 124 10.1 一般规定 . 124 10.2 水工模型试验 . 124 10.3 水力学数值计算 . 124 11 安全监测设计 . 125 11.1 一般规定 . 125 11.2 结构安全监测 . 125 11.3 水力学原型观测 . 126 附录 A 底流消能水力计算 . 128 附录 B 宽尾墩体型参数 . 129 附录 E 面流消能水力计算 . 130 附录 G 河道冲刷计算 . 131 65 1 总 则 1.0.1 消能防冲是水电工程泄水建筑物设计中必须妥善解决的关键技术问题， 涉及面广， 型式多样，技术复杂。

近三十年来，伴随我国水电事业的飞速、全面发展，泄水建筑物 消能防冲技术不论是在工程设计、建设、运用领域，还是在科研和试验研究方面均取得 了丰富的成果，积累了宝贵的经验系统总结这些成果和经验，对深刻认识泄水建筑物 消能防冲技术的发展规律和准确把握其未来发展方向，指导今后水电工程的设计，是十 分有益和必要的 1.0.21.0.3 本导则侧重于解决山区、 丘陵区的大、 中型水电工程， 特别是具有大泄量、 高水头特点的泄水建筑物的消能防冲问题 66 3 基本规定 3.0.4 从不同设计洪水工况下的水力学要求、与其他枢纽建筑物的运行协调、检修条件 及水力学数值计算等方面规定消能防冲建筑物水力设计的以下基本要求： 1 消能防冲建筑物的水力设计首先做好体型设计，确保在各种设计运用条件下均 能形成所需要的水流流态， 其次还需要有较好的水力学指标， 为结构安全创造有利条件， 并保证消能效果和功能要求 2 消能防冲建筑物的出流流态、 流速、 水面波动等水力学要素满足发电、 通航及下 游河道冲刷等要求 3 工程上一般在其尾部设置高于下游枯期水位的尾坎或二道坝满足运行期对消力 池、水垫塘的检修需要由于尾坎或二道坝可能对消能工的水力特性产生影响，故需要 在水力设计阶段统筹考虑。

4 水力条件复杂或采用新型消能工的消能防冲建筑物体型参数或影响因素较多， 难以得到简洁和普遍认可的水力要素计算公式 而水力学数值计算基于计算机技术和大 型通用流体计算软件，正好可以弥补上述水力设计手段的不足，近二十多年来已在工程 设计和科学研究方面得到广泛运用 3.0.5 消能防冲建筑物的结构设计包括材料、温度控制、分缝、止水、防渗、排水、基 础锚固和基础处理等 首先需根据水力设计成果，准确把握各种运行工况下建筑物的水力特性，按分区设 计的原则，有针对性地确定结构体型参数和相应的防护措施 大量水电工程消能防冲建筑物的失事破坏情况和试验研究成果显示， 结构分缝不仅 是满足消能工底板或边墙混凝土施工要求的构造措施， 同时也是减小结构动水荷载响应、 确保结构安全稳定的有效防护手段消能防冲建筑物的结构分缝强调整体性，一般采用 较大的间距，减少垂直水流向结构缝的数量，并针对温度控制和接缝处理提出设计措施 要求 基础锚固是确保消能防冲建筑物结构安全的重要措施， 设计时不能忽视对锚杆结构 的强度验算对基础锚杆的杆体截面积和锚固段长度设计，现行水电工程泄水建筑物有 关标准未给出明确的要求，以致在实际工程中可能出现锚杆杆体截面积、锚固段长度和 基岩条件不匹配的问题。

故需要根据现行国家标准岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技 术规范GB 500862015 的有关规定对“锚杆杆体截面积”和“锚固段长度”进行验 67 算 大、中型水电工程的消能防冲建筑物基础通常置于岩基上，从增强抗冲刷能力、降 低渗透压力和保证锚固效果方面考虑，一般工程均根据其岩体质量和结构面发育情况， 针对性地进行基础处理 3.0.6 大中型水电工程泄洪流速多大于 25m/s，属高速水流，抗冲磨、防空蚀设计 是其消能防冲建筑物结构设计的重要内容，需综合考虑工程泥沙特性、水力特性、建筑 物结构、混凝土原材料和温度控制及防裂要求、施工工艺等因素分析确定 结合相关研究成果和近年来类似工程的失事破坏及修复情况， 消能防冲建筑物采用 良好的体型及掺气减蚀措施、采用良好的施工工艺，严格控制过流面的不平整度是防止 过流面冲蚀破坏的首要措施 工程经验表明，抗冲磨、防空蚀混凝土采用过高的强度等级将会不必要地增加施工 温控难度和开裂风险 经对实际运行情况良好且不承担冲沙任务的泄水建筑物统计分析： 水流流速在 25m/s 以下的工程，其抗冲磨、防空蚀混凝土强度等级一般采用 C30；水流 流速介于 25m/s35m/s 之间的，混凝土强度等级多采用 C30C40；水流流速介于 35m/s50m/s 的，混凝土强度等级多采用 C40C50。

因此，针对大中型水电工程，本 导则提出“抗冲磨、防空蚀混凝土的强度等级不应低于 C30，且不宜高于 C50” 近年来，由于表层抗冲磨混凝土厚度过薄和接合面处理措施不可靠或施工不到位， 导致消能工底板混凝土冲蚀、破坏的工程不在少数为此，本导则提出消能防冲建筑物 底板尽量整体一次浇筑，当底板表层设置抗冲磨混凝土时，其厚度一般不少于 1.0m 68 4 消能防冲型式及布置 4.1 一般规定 4.1.2 鉴于消能防冲问题的重要性和复杂性，对水力条件复杂的大中型水电工程、采用 联合消能或新型消能工的工程， 水工模型试验仍然是验证消能防冲布置是否合理的必要 和有效手段 4.2 消能型式选择 4.2.24.2.4 界定水电工程常用的出口消能型式及适用条件 国内典型溢流重力坝消能防冲特征参数见表 4-1， 统计了国内 50 座具有溢流表孔的 重力坝工程消能防冲布置型式 在 27 座坝高超过 100m 的溢流重力坝中， 采用挑流消能 的 17 座， 其余 10 座溢流重力坝则采用 “宽尾墩+底流消力池” 或 “宽尾墩+戽式消力池” 的联合消能型式坝高 100m 以下的溢流重力坝中，采用面流、底流消能的与采用挑流 消能的工程数量基本持平， 特别是 70m 以下的低坝工程多采用面流消能。

在采用挑流消 能的工程中，BPX 水电站坝高最低，仅有 41m 总的来看，挑流消能在中、高溢流重力坝中应用较多，适用水头范围广而低坝采 用面流、底流消能较多此外，宽尾墩技术在高坝特别是单宽流量较大的工程中也得到 了普遍应用，并与挑坎、底流消力池、戽式消力池等联合运用，丰富了大泄量、高水头 泄水建筑物的消能防冲布置型式 国内典型拱坝泄洪消能防冲特征参数见表 4-2， 统计了国内 16 座高拱坝的消能防冲 布置型式除黑河 LS 拱坝坝高为 80m 外，其余 15 座工程的坝高都超过 100m，坝高 294.5m 的澜沧江 XW 拱坝和坝高 305m 的雅砻江 JP拱坝均达到了 300m 量级 高拱坝溢流表孔适宜的消能防冲型式较为单一， 基本上均采用挑流、 跌流+水垫塘消 能型式由于拱坝工程河谷一般较为狭窄，当泄量较大时，采用溢流表孔与坝身孔口挑 流对冲的联合消能布置型式能有效解决大泄量、高水头、窄河谷条件下拱坝的消能防冲 布置难题，但对其产生的雾化影响需要有充分估计 国内典型坝身泄水孔消能防冲特征参数见表 4-3，统计了国内 22 座坝高在 100m 以 上的高重力坝或高拱坝的坝身泄水建筑物消能防冲布置情况，从中不难看出，坝身泄水 孔基本上均采用挑流消能。

69 据不完全统计，我国大中型河岸式溢洪道中超过 85%的工程采用挑流消能，仅有不 到 15%的工程采用底流消能 国内典型工程岸边泄水建筑物消能防冲特征参数 （表 4-4） 统计了国内泄量超过 1 000m3/s 的 31 个岸边溢洪道和泄洪洞工程，其中采用底流消能的 仅有 5 个，不足 17%通常情况下，在下游河床和基岩条件良好，不会因挑流冲坑影响 基础稳定，不会因雾化降雨引起岸坡大范围失稳或影响其他建筑物、下游交通和重要工 厂设施的正常运行，不致因挑流涌浪影响下游通航等情况下，岸边泄水建筑物出口消能 均优先采用挑流消能型式 大型水电工程采用挑流消能的溢洪道和泄洪冲沙洞的出口水流流速一般大于 30m/s， NZD 电站溢洪道、XW 电站左岸泄洪洞、JP电站泄洪洞等 300m 级高坝的岸边泄水建 筑物的出口水流流速甚至超过了 50m/s相比之下，岸边泄水建筑物采用底流消能的工 程中，仅金沙江 LY 水电站的溢洪道泄槽出口水流流速达到 40m/s 当岸边泄水建筑物采用挑流消能且具有大泄量、高水头特点时，可以选择合适的挑 坎体型分散水舌落水点 此外，当下游基岩具有较强的抗冲刷能力或有足够的水垫深度时，经论证不影响工 程运行安全的，可以不设置预挖式消力塘。

70 表 4-1 国内典型溢流重力坝消能防冲特征参数 序号 工程名称 所在河流 坝型 坝高 （m） 工程等级 最大泄量 （m3/s） 单宽流量 （m3/（s m） 消能方式 建成 年份 1 DHT 滦河 宽缝混凝土重力坝 52.8 大（2）型 60 750 145 折坡式消力塘 1986 2 PS 乌江 碾压混凝土重力坝 116.5 大（1）型 42 200 332 挑流消能 2009 3 SL 乌江 碾压混凝土重力坝 117.0 大（1）型 32 584 283 “X”型宽尾墩+台阶溢流面 +消力池 2011 4 YT 红水河 重力坝 110.0 大（1）型 32 164 308 宽尾墩+戽式消力池 1995 5 LT 红水河 碾压混凝土重力坝 192.0 大（1）型 28 190 268 挑流 2008 6 JH 澜沧江 碾压混凝土重力坝 108.0 大（1）型 24 860 262 宽尾墩+消力池底流消能 2009 7 SQ 汉江 重力坝 65.0 大（2）型 24 200 167 消力戽 1979 8 QLL 富春江 实体重力坝 47.7 大（2）型 24 200 100 面流消能 1967 9 DH 红水河 混凝土重力坝 74.5 大（2）型 23 200 150 面流消能 1983 10 XJ 郁江 宽缝重力坝 41。