火電廠取水配套工程滾水壩的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黃家林，付學(xué)鋒

（江西省電力設(shè)計(jì)院，江西 南昌330096）

滾水壩，即溢流壩，在水利工程中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，主要作用是抬高上游水位，以滿足上游區(qū)域灌溉及取水等要求?；鹆Πl(fā)電廠在江河取水時(shí)，當(dāng)水深及天然來水量不能滿足要求時(shí)，則可以在取水口下游設(shè)置滾水壩，形成一定的調(diào)節(jié)庫容及抬高水位以滿足取水要求。

1 取水工程概述

某火力發(fā)電廠規(guī)劃容量為2×660MW＋2×660 MW，本期新建2×660MW國產(chǎn)超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。電廠本期最大取水量約2100m3／h（5.0×104m3／d）左右，電廠取水自袁河潭田滾水壩上游約200m處。河道枯水期天然來水流量 Q＝0.07m3／s（252m3／h），無法滿足電廠取水水量的要求。經(jīng)水資源論證及取水專題比較，電廠取水需依靠上游山口巖水庫調(diào)節(jié)放水及修建滾水壩，在取水河段形成13×104m3以上調(diào)節(jié)庫容。

山口巖水利樞紐工程是一座以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、灌溉等綜合利用的大（Ⅱ）型水利樞紐工程，為多年調(diào)節(jié)水庫。水庫調(diào)節(jié)庫容為0.604×108m3，可滿足水庫下游工農(nóng)業(yè)、生態(tài)用水水量的要求。在非主灌溉期的11月～次年3月，山口巖水庫的下泄水量為滿足河道內(nèi)生態(tài)用水和電廠取水而放水，此二項(xiàng)用水的日平均流量為1.38 m3／s，相應(yīng)的山口巖水庫日下泄最小水量為12×104m3。

潭田滾水壩位于山口巖水利樞紐下游約3.5km處，壩頂高程為142.0m，該滾水壩建于20世紀(jì)60年代，由于年久失修，滾水壩多處倒塌，因未建排沙閘，壩前泥沙已淤積同滾水壩頂面平，河道兩側(cè)岸堤頂面高程為145.2m。若不清淤直接將下游的潭田滾水壩加高3m，則蓄水后水面標(biāo)高為145.0m，無法滿足岸堤的防洪要求。本工程取水河段兩側(cè)岸堤新修不久，翻修及加高的工程量大、投資高，因此考慮河道清淤，降低河床標(biāo)高，同時(shí)新建一座3m高滾水壩的方案。清淤后，滾水壩前水深3m，庫內(nèi)蓄水庫容約13.2×104m3，能滿足本工程取水要求。

2 滾水壩設(shè)計(jì)

新建滾水壩為混凝土壩，壩長83.3m，設(shè)計(jì)清淤后的壩址前河床高程為140.5m，滾水壩壩頂高程為143.5m，壩底高程為139.0m。非閘孔溢流壩段斷面采用實(shí)用堰，為獲得較大的流量系數(shù)，選擇曲線形實(shí)用堰。壩體上游壩坡采用1∶0，即堰體上游擋水面為鉛直，堰體下游曲面采用冪函數(shù)曲線，與下游河床的銜接采用反弧段銜接。

新建滾水壩共需設(shè)置5個(gè)泄洪排沙閘門，閘孔凈寬3 m，閘門高3m，中墩及邊墩寬度1.2m，墩頭采用半圓形。壩頂以上149.0m高程處設(shè)置閘門操作平臺及走道板，走道板與左岸相接。上游山口巖水電站泄洪時(shí)，泄洪排沙閘門開啟，用于排沙及確保滾水壩上游河道岸堤在設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下仍能發(fā)揮防洪作用。

滾水壩下游設(shè)置9.0m長防沖護(hù)坦，護(hù)坦后端設(shè)置0.5m高的消力墻。護(hù)坦及消力墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水流經(jīng)護(hù)坦消能后，仍留有一定的剩余能量，流速分布不均勻，脈動仍較劇烈，具有一定的沖刷能力，在護(hù)坦后設(shè)置了10m長海漫防沖加固。

滾水壩設(shè)計(jì)斷面見圖1。

圖1 滾水壩斷面

3 計(jì)算依據(jù)及內(nèi)容

取水河段兩岸的河堤高度是按照20年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，新建滾水壩后，仍然要保證當(dāng)20年一遇洪水發(fā)生時(shí)，壩前水位不應(yīng)超過該河堤設(shè)計(jì)洪水位，本文水力計(jì)算以此為水位控制的依據(jù)。

3.1 工程級別與建筑物級別

根據(jù)《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》（DL5180－2003）并結(jié)合本滾水壩為火電廠取水配套工程，需提高一個(gè)等級，故本滾水壩的工程等級確定為四等，工程規(guī)模為小（1）型工程，滾水壩主體建筑物為4級建筑物，相應(yīng)結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅲ級；消力池及海漫為5級次要建筑物，相應(yīng)結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅲ級〔1〕。水閘樞紐工程等別為Ⅲ級，工程規(guī)模為中型〔2〕。

3.2 洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

按照《水利水電等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL－525－2000），結(jié)合《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201－94）的要求，滾水壩主體工程設(shè)計(jì)洪水P＝2% （50年一遇），校核洪水P＝0.5%（200年一遇）?？紤]到滾水壩為火電廠取水配套工程，根據(jù)《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50660－2011）相關(guān)規(guī)定，本滾水壩主體構(gòu)筑物設(shè)計(jì)洪水與取水構(gòu)筑物一致，取P＝1% （100年一遇），校核洪水P＝0.1%（1000年一遇）。下游消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇洪水設(shè)計(jì)。水閘對應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為20～30年，校核洪水重現(xiàn)期20～100年〔3〕。為便于計(jì)算，本工程水閘的設(shè)計(jì)及校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用與滾水壩壩體同。

3.3 基本水位資料

表1 特征水位

4 計(jì)算過程

滾水壩的計(jì)算包括水力計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算兩部分，由于該工程滾水壩壩高低，地基較好，結(jié)構(gòu)計(jì)算較簡單，本文中略去結(jié)構(gòu)計(jì)算的內(nèi)容，著重介紹水力計(jì)算的內(nèi)容。

4.1 消能工的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)工況：當(dāng)滾水壩上游山口巖水庫開閘泄洪時(shí)，滾水壩開閘泄洪排沙，此時(shí)洪水分別通過閘孔和壩頂宣泄。根據(jù)水流在流速較大時(shí)不易擴(kuò)散的特點(diǎn)，近似地認(rèn)為通過閘孔的水流和通過壩頂?shù)乃骺梢苑謩e單獨(dú)進(jìn)行水力計(jì)算〔4〕。

4.2 消能工的水力計(jì)算

4.2.1 通過閘孔和壩頂?shù)牧髁坑?jì)算公式

通過閘孔的水流流量計(jì)算公式為：

式中：ε′為垂直向收縮系數(shù)；φ為閘孔流速系數(shù)；e為閘門的開度，m；H0為閘前總水頭，m；g為重力加速度，m2／s；B為閘孔寬度。

式中：H為閘前水頭，m；α0為動能校正系數(shù)，取1.05；v0為行進(jìn)流速，m。

若閘門的開度e大于設(shè)計(jì)洪水位，則通過閘孔的水流為側(cè)向收縮的自由出流，這種水流有和寬頂堰相同的特點(diǎn)，相當(dāng)于無坎款頂堰，其流量計(jì)算公式為：

式中：m為無坎寬頂堰流量系數(shù)（考慮了側(cè)向收縮的影響）。通過滾水壩壩頂水流流量計(jì)算公式為：

式中：σ為淹沒系數(shù)；ε為側(cè)向收縮系數(shù)；m為實(shí)用堰流量系數(shù)。

式中：n為孔數(shù)；ζ0為閘墩系數(shù)；ζk為邊墩系數(shù)；b為每孔寬，m。

式中：h為壩頂水頭，m。

4.2.2 確定閘（壩）前水位

由于閘（壩）前水位H未知，無法分別直接求出通過閘孔和壩頂?shù)牧髁縌。但通過閘孔和壩頂?shù)目偭髁恳阎?，可假設(shè)一個(gè)閘（壩）前水位，分別求出閘孔和壩頂?shù)倪^流量，若求出的兩者流量之和與已知的總流量相等，則假設(shè)的閘（壩）前水位為實(shí)際閘（壩）前水位。

假設(shè)閘（壩）前水位H＝4.2m。河床標(biāo)高為140.5m，下游水面標(biāo)高為142.54m。

（1）計(jì)算通過閘孔的流量Q1。

已知：閘門開度e＝4.5m，閘門凈寬b＝3.0m，B＝n×3＝5×3＝15m，閘墩厚1.2m，Q5%＝252m3／s，河寬L＝79.3m，α0＝1.05，g＝9.8m2／s。

將v0、α0、g、H 的值代入式（2）中，得 H0＝4.231m；b／B0＝3／4＝0.75，查表（本文中的查表項(xiàng)均見引文〔4〕中，下文同）中得 m＝0.37。

將 m、B、g、H0的值代入式（3）中得 Q1＝213.81m3／s。

（2）計(jì)算通過壩頂?shù)牧髁縌2＋Q3。

通過壩頂?shù)牧髁糠謨刹糠?，一部分為頂部設(shè)有閘門檢修平臺及走道板的壩段，即左岸壩段，流量為Q2。一部分為沒有設(shè)檢修走道的壩段，即右岸壩段，流量為Q3。

計(jì)算 Q2，已知n＝5，b＝5.2m，B＝b×n＝26.0m，a＝3.0m，α0＝1.05，h＝H－a＝4.2－3.0＝1.2m，v0＝0.757 m／s，下游水位為2.04m，a1＝3.0m，hs＝2.04－a1＝－0.96m。

將h、α0、v0、g的值代入式（4－6）中，得 H0＝1.231m；由hs／H0＝0.845，走道板支墩采用半圓形，查表得ζ0＝0.45；ζk＝0.7。

將n、b、H0、ζ0、ζk的值代入式（5）中得ε＝0.976；Hd（定型水頭）＝1.53m（取最大靜水頭的0.85倍，最大靜水頭為水面與堤壩平的水頭，此時(shí)行進(jìn)流速為1.01m2／s，靜水頭為145.3－140.5－3＝1.8m）。

由 H0／Hd＝1.231／1.53＝0.804，a／Hd＝3／1.53＝1.961，查表得 m＝0.486。

由a1／H0＝3.0／1.231＝2.438，hs／H0＝－1.04／1.231＝－0.845，查表得σ＝1。

將σ、ε、m、B、g、H0的值代入式（5）中得 Q2＝74.57 m3／s。

計(jì)算Q3，已知n＝1，B＝b＝28.3m其余已知條件 m、σ、g和H0與計(jì)算Q2時(shí)一致。

將n、b、H0、ζ0、ζk的值代入式（4）中得ε＝0.994；

將σ、ε、m、B、g、H0的值代入式（5）中得 Q3＝82.63 m3／s。

（3）判定假定的壩前水位是否正確。

Q＝Q1＋Q2＋Q3＝213.81＋74.57＋82.63＝371.01 m3／s＞Q5%，說明假設(shè)的 H偏大，重新假設(shè) H值，重復(fù)步驟a、b、c的計(jì)算，直到 Q≈Q5%為止。假定 H＝3.73m，重新試算。

經(jīng)計(jì)算 Q2＝34.48m3／s，Q3＝37.85m3／s。得：Q＝Q1＋Q2＋Q3＝179.78＋34.48＋37.95＝252.21m3／s≈Q5%＝252m3／s，說明假設(shè)的H值為正解。即壩前水位H＝3.73m。

4.2.3 判斷壩后水流的水躍形式

根據(jù)壩前斷面和壩后收縮斷面的能量方程，可推出下列公式〔4〕：

式中：T0為壩前總水頭，m；φ為泄水建筑物流速系數(shù)；hc0為收縮斷面水深，m；q為單寬流量，m3／s。

已知：a＝3m，h＝H－a＝3.73－a＝0.73m，α＝1.05，g＝9.8m2／s，q＝1.341m3／s（因?yàn)?Q3壩段流速較大，故選此段作為控制段），v0＝0.852m／s，下游水位為142.54m。

將h、a、α、v0、g的值代入式（8）得 T0＝3.77m；此壩段為側(cè)向收縮的自由出流，查表得φ＝0.95。

將 T0、φ、g、q的值代入式（7）中得hc0＝0.168m。

共軛水深及費(fèi)勞德數(shù)的計(jì)算公式如下〔4〕：

式中：hco2為與hco對應(yīng)的第二共軛水深，m；Fr1為與hco對應(yīng)的弗勞德數(shù)；vco為與hco對應(yīng)的流速，m／s；vco＝ q／hco＝1.341／0.168＝7.982m／s。

將α、vco、g、hco的值代入式（10）中得Fr1＝6.375。

將Fr1、hco的值代入式（9）中得hco2＝1.433m＜2.04m（下游水深），故可判斷發(fā)生淹沒水躍，可不設(shè)置消力池或消力墻。但因?yàn)檠蜎]較大，且Fr1＞4.5，壩頂下泄的部分水流容易潛入水下成為流速較高的潛流，對下游產(chǎn)生沖刷，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，下游設(shè)置防沖護(hù)坦，護(hù)坦后端設(shè)置0.5m高的消能墻。

4.2.4 判斷閘后水流的水躍形式

已知：a＋h＝H ＝3.73m，α＝1.05，g＝9.8m2／s，q＝Q1／B＝179.78／15＝11.98m3／s，v0＝0.852m／s，下游水位為2.04m。

將h、a、α、v0、g的值代入式（8）得 T0＝3.77m；此壩段為無坎款頂堰自由出流，查表得φ＝1。

將T0、φ、g、q的值代入式（7）中得hc0＝2.60m；vco＝q／hco＝11.98／2.60＝4.61m／s。

將α、vco、g、hco的值代入式（10）中得Fr1＝0.936＜1，屬于緩流，下游無需設(shè)置消能防沖設(shè)施。

4.2.5 護(hù)坦長度的計(jì)算

護(hù)坦的長度取決于水躍的長度。水躍的長度計(jì)算公式為〔4〕：

式中：lj為水躍長度，m；l為護(hù)坦長度，m；hco為收縮斷面水深（第一共軛水深），m；hco2為第二共軛水深。

將hco2、hco代入式（4－11）中，得lj＝8.728m。l＝8.728m。設(shè)置護(hù)坦的長度應(yīng)大于8.728m，本工程取護(hù)坦長度9.0m。

4.2.6 下泄流量與躍后水深及水躍長度的關(guān)系

根據(jù)不同的下泄流量和下游水深，可以按上文中3.3.1－3.3.5小節(jié)計(jì)算出下游的躍后水深及水躍長度。將數(shù)據(jù)列入表2。

表2 下泄流量與躍后水深及水躍長度的關(guān)系

從表2中可以看出，躍后水深及水躍長度隨著下泄流量的增大而增大。因此可以認(rèn)為，當(dāng)發(fā)生低于或等于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)20年一遇的洪水時(shí)，水躍均發(fā)生在護(hù)坦內(nèi)，且均為淹沒水躍，不會對下游形成不利沖刷，采用20年一遇的洪水流量作為消能工的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是合理的。

4.2.7 海漫長度計(jì)算

水流經(jīng)過護(hù)坦發(fā)生淹沒水躍消能后，雖然消除了大部分的多余能量，但仍留有一定的剩余能量，特別是流速分布不均勻，脈動仍較劇烈，具有一定的沖刷能力，因此護(hù)坦后面扔需要設(shè)置海漫防沖加固，以使水流均勻擴(kuò)散。

海漫長度計(jì)算公式為〔2〕：

式中：Lp為海漫長度，m；qs為消力池末端單寬流量，m3／s；Ks為海漫長度計(jì)算系數(shù)，可取Ks值8；△H’為上下游水位差，m。

已知：Ks＝8，qs＝q＝1.341m3／s，△H’＝3.73－2.04＝1.69m。

將Ks、qs、△H’的值代入式（12）中得Lp＝9.243m，海漫長度取10.0m。

5 結(jié)語

本文通過對過壩流量、過閘流量的計(jì)算確定了壩前水位，滿足了20年一遇洪水時(shí)新壩建后的水位不超過未建新壩前的洪水水位，兩岸防洪堤不需要另外加高；通過對滾水壩下游的水躍形式的判斷，采取相應(yīng)的消能工設(shè)計(jì)。對于同一河道斷面出現(xiàn)多種過流形式的水流，其中某種形式的過流流量無法直接計(jì)算，應(yīng)假設(shè)一個(gè)壩前水位，然后采用試算的方式計(jì)算各過流形式的流量。希望本文中采用的水力學(xué)計(jì)算方法及滾水壩的設(shè)計(jì)能為今后類似工程提供參考。

〔1〕DL 5180－2003水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn).北京：中國出版社，2003.

〔2〕SL 265－2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：中國水利水電出版社，2001.

〔3〕GB 50201－94防洪標(biāo)準(zhǔn).北京：中國計(jì)劃出版社，1994.

〔4〕李家星，趙振興.水力學(xué).南京：河海大學(xué)出版社，2001.