黃河上游某水電站工程導(dǎo)流水力學(xué)計算分析

權(quán) 鋒，靳海娟

（1.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.渭南市瑞泉中學(xué)，陜西 渭南 714000）

1 工程概況

本工程位于黃河上游干流上，工程開發(fā)主要任務(wù)是發(fā)電，并兼顧下游灌溉供水。工程規(guī)模屬三等中型工程，主要建筑物為Ⅲ級，樞紐建筑物主要由廠房、泄洪閘、左岸混凝土防滲墻及右砂礫石壩組成，廠房、泄洪閘、左岸防滲墻布置在左岸灘地?；炷翂巫畲髩胃?4.5 m。廠內(nèi)安裝4 臺貫流式水輪發(fā)電機組，泄洪閘為3 孔，閘室后設(shè)消力池、混凝土護坦、鋼筋籠海漫。右砂礫石壩由砂礫石填筑，上下游預(yù)制混凝土塊和鋼筋籠護坡，基礎(chǔ)和壩身采用混凝土防滲墻防滲，最大壩高為27.5 m。

2 自然條件

2.1 地形地質(zhì)條件

本工程峽谷段兩岸呈不對稱的“U”型，左岸高陡，右岸相對平緩。兩岸發(fā)育河流Ⅰ～Ⅲ級階地，其中左岸為Ⅰ、Ⅱ級沖、洪積侵蝕堆積階地，臺面高出河水面8 m～12 m，階面寬500 m～600 m；右岸一帶的Ⅰ、Ⅱ級沖洪積侵蝕堆積階地地形開闊平坦，臺面高程和寬度與左岸基本一致，Ⅲ級階地高出河水面25 m，Ⅲ級階地地基由第三系紅層組成，岸坡較陡。

2.2 水文條件

根據(jù)《黃河上游河段防洪初步規(guī)劃報告》，壩址分期設(shè)計洪水成果見表1，壩址水位～流量關(guān)系曲線見表2。

表1 壩址分期設(shè)計洪水成果表 流量：m3/s

表2 壩址水位～流量關(guān)系曲線

3 導(dǎo)流方式及標準

（1）導(dǎo)流方式

本工程采用圍堰分期攔斷河床的導(dǎo)流方式進行導(dǎo)流，一期采用縱向圍堰擋水，擴挖后的主河床過流，泄洪閘、廠房全年施工；二期采用圍堰攔斷主河床，泄洪閘過流，右砂副壩進行施工。

（2）導(dǎo)流標準

本樞紐工程屬中型三等工程，泄洪閘、電站廠房、砂礫石壩等主要建筑物級別為3 級，次要建筑物級別為4 級。一期導(dǎo)流采用10 年一遇設(shè)計洪水標準，相應(yīng)流量為3730 m3/s。二期導(dǎo)流采用枯期圍堰，設(shè)計采用枯水期20 年一遇洪水標準，相應(yīng)枯水期導(dǎo)流流量為1780 m3/s，二期圍堰與右岸副壩結(jié)合布置。

4 一期導(dǎo)流水力學(xué)計算

通過水力學(xué)計算確定一期導(dǎo)流全年縱向圍堰的堰頂高程，一期過流建筑物為擴挖后的主河床，本次計算可簡化為明渠，初擬明渠底寬為80 m。一期施工導(dǎo)流平面布置見圖1，一期施工導(dǎo)流典型橫剖面見圖2。

圖1 一期施工導(dǎo)流平面布置圖

圖2 一期施工導(dǎo)流典型橫剖面圖

4.1 計算正常水深h0

正常水深比公式：

式中：Q 為流量，取 3730 m3/s；n 為糙率，取 0.025；m 為邊坡系數(shù)，取 1.5；i=0.00265；B 為原河床過流寬度，取 140 m；b 為束窄后河床寬度，取80 m。

把數(shù)據(jù)帶入公式中經(jīng)過迭代，正常水深h0為6.42 m。

4.2 計算臨界水深hk

臨界水深比公式：

把數(shù)據(jù)帶入公式中經(jīng)過以下迭代，臨界水深hk為5.83 m，由于h0＞hk所以為緩流。

4.3 流態(tài)判定

其中，L 為明渠長度，根據(jù)一期導(dǎo)流平面布置圖，量取為360 m；H 為堰前水深假設(shè)為8.47 m；由于L/H=42.50＞20，所以為明渠流。

4.4 明渠水面線計算

根據(jù)一期施工導(dǎo)流平面布置圖可知，導(dǎo)流明渠長度為360 m，根據(jù)水位流量關(guān)系曲線可知，下游水深為6.50 m，明渠流為A1型壅水曲線，導(dǎo)流明渠水面線計算成果見表3。

表3 導(dǎo)流明渠水面線計算成果表

4.5 明渠進口壅水計算

由于明渠長度L=360 m，本次水面線計算從由下游推往上游，由上表可查得在明渠進口處的收縮水深為he＝6.42 m，he/H0＝0.75＜0.8 為自由出流。

式中：Q 為流量，取3730 m3/s；m 為流量系數(shù)，本次計算取0.385；Bk為臨界水深下的平均過水寬度；Bk＝Ak/hk取 88.74 m；b為束窄后河床寬度，取80 m；hk為臨界水深；Ak為臨界水深下的過水斷面面積。

經(jīng)量測：在臨界水深hk為5.829 m 時過水面積Ak為517.29 m2，故 Bk＝Ak/hk=88.74 m。

把數(shù)據(jù)帶入公式中經(jīng)過迭代，堰前水深H0為8.47 m（此值與假設(shè)相同）。

4.6 確定堰頂高程

一期全面縱向圍堰下游段高程確定：明渠進口高程為1771.1 m，堰前水深為8.47 m，故堰前水位為：1771.1+8.47＝1779.57 m，超高取1.5 m，一期全年縱向圍堰上游段堰頂高程為1781.07 m，取為1781.10 m。

一期全面縱向圍堰下游段高程確定：當流量為3730 m3/s時，查壩址處水位流量關(guān)系曲線并經(jīng)計算，一期全年縱向圍堰下游段堰頂高程為1777.40 m。

5 水力學(xué)模型試驗成果

5.1 物理模型設(shè)計

按照弗勞德數(shù)相似準則設(shè)計本試驗的物理模型[1]。根據(jù)試驗場地及供水能力選擇模型比尺為30。模擬范圍包括一期縱向全年圍堰、鋼筋籠護坡及天然河道等。采用聚乙稀塑料板和有機玻璃制作河道導(dǎo)流系統(tǒng)，經(jīng)率定的模型糙率系數(shù)約為0.0075，根據(jù)模型糙率系數(shù)換算至原型的糙率系數(shù)為0.012，而原型混凝土糙率系數(shù)一般為0.010～0.015，說明本模型試驗?zāi)Ｐ团c原型導(dǎo)流系統(tǒng)糙率基本一致。采用溢流式平水槽控制模型水位。導(dǎo)流段河道的水位變化過程、輸水流量、河道水流流速分別采用電阻式壓力傳感器測定、測壓管、矩形量水堰、旋漿流速儀等測定[2,3]。試驗所量測的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進行采集和處理。

5.2 結(jié)果分析

（1）水面線確定水力學(xué)模型實驗成果見表4。

表4 一期導(dǎo)流全年圍堰沿程水面變化情況表 單位：m

試驗表明：當流量為3730 m3/s 時，全年縱向圍堰上游段（堰0+000.00 m～堰0+234.34 m）水位比堰頂高程低1.74 m～2.18 m，該段圍堰高度超高略大，可適當降低。下游縱、橫圍堰相交處（堰0+547.10 m）的水位達1777.70 m，僅比堰頂高程1777.40 m高0.30 m，因此下游段的圍堰頂高程應(yīng)適當加高。

（2）圍堰的防護

根據(jù)實驗，當流量為3730 m3/s 時，最大流速分別為5.5 m/s，一期全年縱向圍堰迎水面進行了鋼筋籠防護，并在圍堰堰角至河道5.0 m 范圍內(nèi)對河道進行了鋼筋籠防護，厚度均為1.0 m，試驗觀察可知，圍堰表面的鋼筋籠無滾落現(xiàn)象，圍堰得到了很好的保護。一期施工期導(dǎo)流模型實驗導(dǎo)流明渠流速分布見圖3。

圖3 一期施工期導(dǎo)流模型實驗導(dǎo)流明渠流速分布圖

6 對比分析

經(jīng)過對一期施工期導(dǎo)流明渠水力學(xué)計算及模型實驗對比分析，圍堰上游段高程計算值略高于實驗值，圍堰下游段高程計算值低于實驗值。圍堰上游段計算值與實驗值相差在14 cm～28 cm 之間；圍堰下游段高程低于實驗值，與實驗值相差在70 cm～80 cm 之間。

經(jīng)過對計算值與實驗值對比分析，圍堰上游段計算值高于實驗值的原因，在于理論計算時，應(yīng)取導(dǎo)流明渠進口高程的加權(quán)平均值，實際取值是根據(jù)地形線進行偏高的取值，而忽略了明渠進口（天然河床）高程的不平整性，從而造成較小差值。圍堰下游段計算高程低于實驗值的原因，在于下游段高程根據(jù)壩址處的水位流量關(guān)系曲線，經(jīng)過河道縱坡計算推算而來，天然河道水位流量關(guān)系曲線存在一定的誤差，造成了與實驗值的差值。在實驗后，根據(jù)實驗成果，對水力學(xué)計算及圖紙進行了一定的復(fù)核及修正，最終確保了圖紙的準確性。

7 結(jié)論

通過對黃河上游某水電站一期施工導(dǎo)流水力學(xué)計算成果及模型實驗成果的分析，找出了水力學(xué)計算成果與模型實驗成果的差別，分析了兩者存在差值原因，為水力學(xué)計算在明渠進口不規(guī)則時高程取值提供了解決方法，對類似水力學(xué)計算具有一定的參考價值，同時也為本工程施工期導(dǎo)流設(shè)計提供參考依據(jù)。