底欄柵壩廊道水力計(jì)算方法淺析

舒革非，韓沛東，李金龍

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院規(guī)劃設(shè)計(jì)分院，四川 德陽(yáng)，618000)

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底欄柵壩廊道水力計(jì)算方法淺析

舒革非，韓沛東，李金龍

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院規(guī)劃設(shè)計(jì)分院，四川 德陽(yáng)，618000)

底欄柵壩是一種最簡(jiǎn)單而又最經(jīng)濟(jì)的取水樞紐，在我國(guó)運(yùn)用較廣，根據(jù)若果朗水利工程底欄柵壩取水樞紐的設(shè)計(jì)研究，特別分析對(duì)比了底欄柵壩廊道無(wú)壓狀態(tài)時(shí)的水力計(jì)算與實(shí)際工程的布置，對(duì)于合理選擇底欄柵壩水力計(jì)算的方法具有參考意義。

底欄柵壩 廊道 無(wú)壓 水力計(jì)算

1 工程概況

阿壩縣若果朗水利工程位于阿柯河流域，由一座取水樞紐、一條輸水干渠、四條支渠及渠系建筑物等組成，干渠全長(zhǎng)20.819km，灌溉面積0.334萬(wàn)hm2，干渠渠首設(shè)計(jì)流量2.05m3/s。該工程規(guī)模為Ⅲ等(中型)水利工程。

2 基本地質(zhì)條件

阿柯河庫(kù)區(qū)河流總體流向N31°E，河床高程3411.00m～3420.00m，河床平均比降4.2‰，枯水期河水面寬一般20.0m～40.0m，谷底寬90.0m～160.0m，河谷兩岸呈不對(duì)稱“U”型谷。右岸基巖裸露，岸坡坡角一般40～50°，左岸多發(fā)育Ⅱ、Ⅲ級(jí)階地，階面向河谷微傾，傾角4°～7°，沿河谷呈帶狀分布。

庫(kù)區(qū)河床廣泛分布第四系全新統(tǒng)現(xiàn)代河流沖積(Q42al)、近代河流沖積(Q41al)、上更新統(tǒng)河流沖積(Q3al)，庫(kù)周山體基巖為三疊系中統(tǒng)扎尕山群(T2zg)地層。

3 取水建筑物布置

阿柯河工程河段汛期洪量大、流量集中，庫(kù)區(qū)泥沙以懸移質(zhì)為主，由地勘成果可知，取水樞紐河段河床覆蓋層相對(duì)較深，根據(jù)樞紐區(qū)的水文及工程地質(zhì)等條件，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦采用底欄柵壩攔河取水。

底格欄柵壩垂直于河床布置，采用溢流壩型式，基礎(chǔ)置于碾壓后的漂卵礫石夾砂層上。壩軸線長(zhǎng)60.0m，溢流壩頂高程為3414.20m，欄柵壩段布置在溢流壩右側(cè)，頂高程為3413.90m，欄柵段長(zhǎng)6.0m，頂寬2.7m，其內(nèi)布置進(jìn)水廊道，進(jìn)水廊道采用矩形橫斷面，寬1.5m，長(zhǎng)6.0m，縱坡1∶15，廊道末端接縱坡為1∶400的引水暗渠，引水暗渠末端設(shè)置節(jié)制閘一座，沉沙池緊接節(jié)制閘布置，沉砂池末端設(shè)置干渠進(jìn)水閘和沖沙閘；底欄柵壩上游側(cè)河床設(shè)長(zhǎng)15.0m鋪蓋，下游側(cè)設(shè)長(zhǎng)13.0m消力池和長(zhǎng)35.0mM10漿砌卵石海漫，海漫末端設(shè)防沖槽。取水樞紐布置詳見(jiàn)圖1和圖2。

4 廊道水力計(jì)算

底欄柵壩由欄柵處進(jìn)水，經(jīng)無(wú)壓廊道進(jìn)入沉沙池，最后進(jìn)入干渠，渠首水位受廊道內(nèi)水頭損失的影響；進(jìn)入廊道的水流由于脈動(dòng)、擾動(dòng)和摻混，水流運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，其特性與廊道底坡、過(guò)水?dāng)嗝娴男螤詈统叽绱笮∮嘘P(guān)，廊道內(nèi)水面曲線的計(jì)算，有近似等流速法和差分法兩種常用的方法，下面分別用這兩種方法進(jìn)行計(jì)算并比較。

4.1 近似等流速法計(jì)算

圖1 取水樞紐平面布置

圖2 取水樞縱剖面

將廊道的非均勻變流量沿長(zhǎng)度方向分為幾段，假定各段上流量為一常數(shù)，根據(jù)流量、廊道寬度，就能計(jì)算出每段的水深、水頭損失及底部各點(diǎn)高程，連接各點(diǎn)高程，則得廊道底部縱坡。一般廊道底部縱坡在廊道開(kāi)始處比較陡，出口處緩，形成一弧形的縱坡。但為了方便施工，將弧形改為折線。根據(jù)已知的廊道寬度和長(zhǎng)度。即可用明渠流謝才公式計(jì)算分段水頭損失△h。現(xiàn)將廊道分為5段，每段長(zhǎng)度△x=1.0m。

△h=i△x=Vcp2△x/Ccp2Rcp

C=R/n

計(jì)算成果見(jiàn)表1。由計(jì)算可知，當(dāng)采用近似等流速法計(jì)算時(shí)的總水頭損失為0.06m。

表1 廊道內(nèi)水頭損失計(jì)算成果

4.2 差分法計(jì)算

廊道內(nèi)水流情況與側(cè)槽溢洪道的側(cè)槽水流形態(tài)基本相似，所以可以應(yīng)用計(jì)算側(cè)槽內(nèi)水面曲線的方法來(lái)計(jì)算廊道內(nèi)的水面曲線。計(jì)算側(cè)槽內(nèi)水面曲線的方法很多，現(xiàn)用海因茲所提出的差分方法進(jìn)行計(jì)算。

差分法的表達(dá)式為[2]：

Q2=Q1+q△s

式中： △s——計(jì)算流段長(zhǎng)度，m；

△t——計(jì)算流段△s兩端面的水位差，m；

ν1、ν2——分別為計(jì)算流段上下游斷面平均流速，m/s；

R1、R2——分別為計(jì)算流段上下游斷面平均水力半徑，m；

Q1、Q2——分別為計(jì)算流段上下游斷面所通過(guò)的流量，m3/s；

q——入流的單寬流量，m3/(s·m)。

緩坡廊道中水面曲線是從出口面水深h1向上游推算的，因此，必須首先確定廊道出口斷面水深，但它受水流銜接方式的影響，廊道出口斷面水深計(jì)算見(jiàn)表2。廊道水面線推求最終結(jié)果見(jiàn)表3，由計(jì)算可知，當(dāng)采用差分法計(jì)算時(shí)的總水頭損失為0.25m。

表2 廊道出口斷面水深計(jì)算表

表3 廊道水面曲線計(jì)算表

4.3 計(jì)算成果對(duì)比分析

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在取水流量、欄柵尺寸與廊道尺寸完全相同的情況下，用近似等流速法計(jì)算出來(lái)的水頭損失為0.06m，用差分法計(jì)算出來(lái)的水頭損失為0.25m，近似等流速法所計(jì)算的水頭損失僅為差分法所計(jì)算的水頭損的24%，這是因?yàn)榻频攘魉俜ㄓ?jì)算的水頭損失值僅考慮了加大糙率的摩擦損失，而忽略了廊道內(nèi)沿程的沖擊旋射和紊流引起的水頭損失，故與實(shí)際工程出入較大。由于底欄柵進(jìn)流量的大小與廊道的流態(tài)密切相關(guān)，為保證渠首的進(jìn)流量及水位，本工程推薦采用差分法進(jìn)行廊道內(nèi)水面曲線的推求。

5 結(jié)語(yǔ)

底欄柵壩廊道水力計(jì)算，是確定整個(gè)取水樞紐進(jìn)流量及水頭損失的重要環(huán)節(jié)，本文通過(guò)實(shí)際工程的布置及水力計(jì)算的對(duì)比分析，結(jié)合工程實(shí)際情況，選擇更為合理的底欄柵壩廊道水力計(jì)算方法，以保證取水樞紐取水的可靠性，對(duì)于今后設(shè)計(jì)底欄柵壩具有參考意義。

〔1〕宋祖詔，張思俊，詹美禮.取水輸水建筑物叢書(shū)取水工程[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

〔2〕SL253-2000，溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

舒革非(1969.2-)，男，四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院規(guī)劃設(shè)計(jì)分院工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作；韓沛東(1989.12-)，男，四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院規(guī)劃設(shè)計(jì)分院助理工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作；

李金龍(1988.06-)，男，四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院規(guī)劃設(shè)計(jì)分院助理工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作?！?/p>

TV222.2∶TV131.4

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2095-1809(2017)04-0037-03