溢流壩水力設計中定型水頭Hd的確定方法

寇榮賢

（周至縣水務局 陜西 周至 710400）

1 引言

周至縣水力資源十分豐富，理論蘊藏量達34萬kW，可開發(fā)量10.4萬kW。多年來，由于地理條件優(yōu)越，水電建設發(fā)展較快，現(xiàn)已建成大小水電站35座，總裝機5.4萬kW。這些電站對周至的經(jīng)濟發(fā)展起到了舉足輕重的作用。水電工程建設普遍利用溢流壩抬高水位，攔截引水，溢流泄洪，因此，溢流壩成為水電工程的主要工程之一。由于以前水電工程建設不規(guī)范，工程設計不盡合理，不同程度地出現(xiàn)了一些“四無”電站，存在嚴重的安全隱患，個別電站甚至出現(xiàn)潰壩事件，給下游群眾的生命財產(chǎn)安全造成嚴重損失。所以，溢流壩的設計成為工程建設中確保水工建筑物安全、經(jīng)濟、合理的關鍵因素。溢流壩的設計實際就是溢流壩剖面設計，壩面曲線設計。而壩面曲線設計離不開溢流壩壩面泄流計算，不同的壩頂水深，會產(chǎn)生不同的下泄流量，如何選定壩頂水深作為定型水頭Hd，從而確定壩面曲線，成為溢流壩設計安全、經(jīng)濟、合理的關鍵。本文就對定型水頭Hd的確定方法予以探討。

2 Hd確定的必要性

目前，水電工程的溢流壩設計主要采用WES實用曲線。WES實用堰型流量系數(shù)大，堰面負壓小，便于設計施工，具有較大的優(yōu)越性。但在實際工作中，由于河道洪水流量變化無常，堰頂水頭變幅較大，要準確確定溢流壩堰面曲線比較困難。定型水頭Hd的確定，不是偏大，就是偏小，往往設計的溢流壩不是偏肥，就是偏瘦，造成投資過大或存在不安全因素。如何選定定型水頭Hd，對溢流壩的造價及安全有著很大的影響。為了更加準確的進行溢流壩水力計算，更加合理的進行溢流壩剖面設計，使工程更加安全，經(jīng)濟，需對Hd的確定方法進行探討。

3 Hd確定的方法

定型水頭Hd的大小，對溢流壩的造價及安全有很大影響。根據(jù)一般教課書和資料，對于低堰，Hd=（0.65～0.75）Hmax。在使用過程中，當H＞Hd時，加大了堰的泄流能力，堰的剖面也比較經(jīng)濟，堰面產(chǎn)生較小負壓是允許的，不致發(fā)生破壞性氣蝕和振動。如何選定Hd的配比系數(shù)，是溢流壩水力設計的關鍵。

利用堰頂負壓值來控制定型水頭Hd的大小。根據(jù)不同的規(guī)程規(guī)范，進行負壓值比較。

（1）按照重力壩設計規(guī)范，堰頂負壓不得低于-3m～-6m，對于不同的H/Hd值，可能出現(xiàn)的最大負壓值如表1，將表中數(shù)據(jù)點繪在圖中，得H/Hd—hp/Hd關系曲線，如圖1。

（2）按照美國陸軍工程兵團水力設計準則，建議在最大水頭Hmax下，堰頂最小負壓不低于-6.1m，以保證無空穴運行。因此，對于低壩，負壓以不低于-6m為宜。對于水力設計準則中不同的H/Hd值，可能出現(xiàn)的最大負壓值如表2，將表中數(shù)據(jù)點繪在圖中，得H/Hd—hp/Hd關系曲線，如圖1。

（3）根據(jù)圖中曲線比較可以看出，在H/Hd相同的情況下，重力壩設計規(guī)范的負壓低于水力設計準則提供的負壓值，所以按重力壩設計規(guī)范偏于安全。在計算之初，最高水位和負壓均為未知，所以定型水頭Hd要經(jīng)過試算確定。在得到比較經(jīng)濟的壩型，同時達到最大泄流量的情況下，應選用較小的定型水頭，以使負壓在允許的最低負壓值附近。另外，校核洪水是很少遇到的，而且歷時很短。因此，由此方法確定的壩型是更加安全可靠、經(jīng)濟合理的。

4 應用實例

根據(jù)介紹的溢流壩水力計算方法，現(xiàn)以建成的周至縣沙梁子水電站溢流壩的水力設計為例進行分析。

4.1 基本資料

根據(jù)沙梁子水電站所處的河流位置，經(jīng)過水文分析計算并考慮到工程要求，確定以下計算參數(shù)：設計洪水流量1930m3/s；校核洪水流量2850m3/s；設計堰頂高程810.0m；壩下游天然河床高程806.5m；設計壩長75m。

表1 H/Hd—hp/Hd關系曲線表

表2 H/Hd—hp/Hd關系曲線表

表3 不同堰頂水位下泄流量計算表 單位：m

4.2 溢流壩泄流計算

（1）Hd的確定

根據(jù)H/Hd—hp/Hd關系曲線圖，按照允許的最低負壓值要求，取 hp/Hd=-0.6，則Hd=hp/-0.6，Hd介于5～10之間，假定Hd=5.5m，然后進行試算。

（2）堰高P1的確定

根據(jù)已知資料，溢流堰頂高程810.0m，壩址處河床高程806.5m，上游堰高P1=810.0m-806.5m=3.5m。由于其運行后很快會被泥沙淤平，觀察已成低壩工程運行情況，其淤沙較壩頂?shù)图s0.3m左右，考慮下泄洪水時，一部分泥沙會被水流帶走，深度估計為0.2m。所以，確定上游堰高P1=0.5m，下游堰高P2=3.5m。

（3）泄流量計算

以堰頂水頭H=4m為例計算如下。

假定流量Q=1440m3/s行近流速=4.267m/s總水頭

流量系數(shù)m隨著堰上水頭變化而變化，當堰上水頭等于Hd時，流量系數(shù)md由P1/Hd的比值查圖確定。已知P1/Hd=0.5/5.5=0.091，查圖得 md=0.42。由 Ho/Hd=4.93/5.5=0.896，查圖得m/md=0.986，求得m=0.42×0.986=0.414。

淹沒系數(shù)бs,由假定的Q=1440m3/s流量，按天然河床求得壩下游水位高程813.14m，得hs=813.14-810.00=3.14m，根據(jù)hs/Ho=3.14/4.93和P2/Ho=3.5/4.93，查圖得бs=0.976。

側(cè)收縮系數(shù)ε1，按經(jīng)驗公式計算：

式中，n——閘孔數(shù)目，n=1；

Ka——邊墩影響系數(shù)，查表得Ka=0.1；

Kp——閘墩影響系數(shù)，無閘墩，Kp=0；

B——閘孔寬度，b=75m。所以，Q=ε1бsmnb′Ho3/2=0.986×0.976×0.414×1×75××4.933/2

=1448m3/s（符合要求）

按照上述計算方法，求出不同水位的下泄流量，結(jié)果見表3。

同理，分別假定Hd=5.0m，6.0m，6.5m，7.0m進行試算。經(jīng)比較，Hd=5.5m是求得的滿足設計校核洪水下泄流量，滿足允許最低負壓值要求的最小定型水頭。按照所求的最小定型水頭進行溢流壩剖面設計。

4.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)溢流堰泄流計算結(jié)果分析，校核洪水時的堰上總水頭Ho=7.877m，那么Hd/Hmax=5.5/7.877=0.7,符合 Hd=（0.65～0.75）Hmax的要求。

由 Hmax/Hd=7.877/5.5=1.432，查圖 1得hp/Hd=-0.62，那么 hp=-0.62×5.5=-3.41m，符合重力壩允許負壓值在-3m～-6m之間的要求。所以，所求的定型水頭Hd=5.5m是合理的，以此參數(shù)進行溢流壩的壩面曲線設計是安全、經(jīng)濟的。

5 結(jié)語

通過對溢流壩設計中定型水頭Hd確定方法的探討，可以看出，合理的定型水頭Hd對水電站的經(jīng)濟性和安全性起著積極的決定性作用。周至縣沙梁子水電站溢流壩通過以上方法進行設計，不僅為業(yè)主節(jié)約了一定的資金，而且經(jīng)過多年的運行，證明安全可靠，進一步驗證了按此方法確定的定型水頭Hd是合理、可行的。因此，按照該方法進行溢流壩設計值得其它同類工程參考借鑒。陜西水利