某電站取水頭部底格欄柵壩水力學(xué)計(jì)算

孫培學(xué)，俞凱加

(1.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，合肥 230088； 2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，杭州 310002)

0 引 言

某電站工程首部樞紐工程區(qū)兩岸植被茂密，左岸山體較陡，地形坡度約50°～60°，右岸山體地勢(shì)略緩，地形坡度約20°～30°，河水面寬10～20 m。壩址區(qū)出露基巖巖性為更新統(tǒng)多巴組(Tob)凝灰?guī)r。河床覆蓋層主要為沖積砂礫卵石層，含較多漂石，厚度一般10～15 m。兩岸岸坡及坡腳均分布有崩坡積碎、塊石土，厚度一般2～8 m，右岸地勢(shì)較緩地帶分布有坡殘積粉砂質(zhì)黏土，厚度一般10～20 m。由于河道狹長(zhǎng)、河流湍急，河水常年夾雜大量大顆粒推移質(zhì)。

擬建電站的引水流量21.9 m3/s，底格欄柵壩壩址處具備修建集引水、擋水、泄洪功能的條件，該取水方式具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗材少、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。底格欄柵壩取水口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是進(jìn)流水利計(jì)算和取水廊道的水利計(jì)算，同時(shí)為保證泄洪安全，溢流壩泄流能力復(fù)核計(jì)算也很重要，現(xiàn)分述如下。

1 首部樞紐設(shè)計(jì)

首部樞紐建筑物布置從右至左依次為右岸擋水重力壩、底欄柵進(jìn)水口及溢流壩，全長(zhǎng)共142.95 m，最大壩高10.5 m。水流經(jīng)底欄柵進(jìn)入廊道，經(jīng)引水暗渠后，引入沉沙池。

底欄柵壩布置于主河床上，壩長(zhǎng)38 m，底寬8.0 m，壩高4.0 m，建基面高程667.50 m，壩頂高程672.00 m。壩頂采用曲線型梯形堰，壩面傾向下游，傾斜坡比為1∶10。采用雙排取水廊道，第一排廊道中心線離上游壩面2.5 m，第二排廊道中心線離上游壩面5.5 m，取水廊道水平寬度均為2.0 m，廊道高1.0～3.0 m，底坡5.26%。底欄柵壩下游接長(zhǎng)24 m的護(hù)坦，護(hù)坦頂面高程667.35～667.23 m。護(hù)坦末端設(shè)深4.0 m的消能防沖齒槽。

底欄柵壩左岸布置溢流壩段，全長(zhǎng)68.0 m，共分6個(gè)壩塊，底寬與底欄柵壩相同，壩頂高程673.00 m，較底欄柵壩壩頂高1.0 m。溢流壩采用WES實(shí)用堰，下游坡比1∶1。右岸擋水重力壩壩長(zhǎng)15.20 m，壩頂寬3.0 m，最大壩高10.5 m。壩上游設(shè)混凝土水平鋪蓋和帷幕灌漿進(jìn)行防滲，鋪蓋長(zhǎng)度10.0～11.0 m，鋪蓋前緣設(shè)置深2.0 m齒槽，末端設(shè)1.0 m深齒槽。溢流壩下游接長(zhǎng)15 m的混凝土護(hù)坦，護(hù)坦頂面高程668.00～667.85 m。見圖1。

圖1 首部樞紐布置圖

2 引水水力計(jì)算

主要包括底格欄柵的進(jìn)流計(jì)算和進(jìn)水廊道的水力學(xué)計(jì)算兩部分。

2.1 底格欄柵進(jìn)流計(jì)算

底格欄柵的進(jìn)流計(jì)算采用E.A.扎馬林計(jì)算方法，該方法假定流經(jīng)底欄柵表面水流的內(nèi)部壓力按靜水壓力分布考慮，進(jìn)入廊道水流的鉛直方向流速ν僅與該點(diǎn)壓力有關(guān)[1]，即：

(1)

改良評(píng)估量表由一般情況、感覺與體位、神志、疾病情況4個(gè)方面組成，每個(gè)方面又包含有數(shù)個(gè)具體項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目后面有對(duì)應(yīng)分值；量表具有明確的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)分范圍為0到45分，分值越高患者發(fā)生壓瘡的危險(xiǎn)性越高。

(2)

當(dāng)欄柵頂水流全部進(jìn)入底格欄柵的廊道，h2=0，式(2)變?yōu)椋?/p>

(3)

單寬流量為：

(4)

當(dāng)天然來(lái)水量小于或等于引用流量21.9 m3/s時(shí)，應(yīng)將天然來(lái)水全部引入欄柵廊道內(nèi)。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 單寬流量計(jì)算表

本工程采用雙排廊道取水，第一排廊道取設(shè)計(jì)引用流量的65%，第二排廊道取設(shè)計(jì)引用流量的35%，即：

對(duì)靠近上游的廊道，計(jì)算長(zhǎng)度為：

對(duì)靠近下游的廊道，計(jì)算長(zhǎng)度為：

設(shè)計(jì)底欄柵過(guò)流寬度為38.00 m，滿足引水要求。

表2 底格欄柵進(jìn)流計(jì)算結(jié)果表

2.2 取水廊道水力計(jì)算

進(jìn)水廊道為無(wú)壓流，采用差分法計(jì)算。分段水頭損失計(jì)算公式：

(5)

(6)

為防止廊道內(nèi)發(fā)生淤積，廊道首端流速要求不小于1.2 m/s，末端不小于2.5～3.0 m/s。本工程計(jì)算時(shí)，首段流速取1.2 m/s，末端流速取2.5 m/s。各分段流速可按下式計(jì)算：

v=a(x-c)+v0

(7)

式中：c為欄柵邊距，m，本工程取0.1 m；v0為廊道首端流速，m/s，本工程取1.2 m/s；a為比例系數(shù)，經(jīng)計(jì)算a=0.034 3。

以靠近上游的廊道為例，進(jìn)水流量為14.24 m3/s，廊道水平長(zhǎng)度38.0 m，底寬2.0 m，計(jì)算分段19段，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 底格欄柵廊道計(jì)算結(jié)果表

續(xù)表3

3 泄洪能力復(fù)核

工程首部建筑物設(shè)計(jì)洪水20年一遇，相應(yīng)洪水流量1 513 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，相應(yīng)洪水流量1 731 m3/s。泄洪時(shí)，左岸的溢流壩段和底欄柵壩段參與泄洪。溢流壩段的泄流計(jì)算暫按Ⅲ型折線實(shí)用堰計(jì)算，底欄柵壩段的泄流計(jì)算按寬頂堰流計(jì)算。

溢流壩段泄洪能力按下述公式計(jì)算：

(8)

(9)

(10)

相關(guān)系數(shù)的計(jì)取參考《溢流堰設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253-2018)[2]。

底欄柵壩段泄洪能力按下述公式計(jì)算：

當(dāng)hs/H≥0.8時(shí)，為淹沒出流：

(11)

當(dāng)hs/H<0.8時(shí)，為自由出流：

(12)

相關(guān)系數(shù)的計(jì)取參考《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253-2018)[2]和《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》[3]，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 泄流能力計(jì)算成果表

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 底格欄柵取水結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗材少，施工方便，取水量較大，在推移質(zhì)含量大、河床較窄的山溪河流取水工程中使用較多。

2) 本工程采用雙進(jìn)水廊道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度38.00 m、寬2.0 m，滿足工程引水21.9 m3/s規(guī)模要求。

3) 溢洪道和底格欄柵同時(shí)參與泄洪，其中溢流壩段泄流寬68.0 m，底格欄柵壩泄洪寬38.0 m，滿足樞紐建筑物20年一遇設(shè)計(jì)、50年一遇校核標(biāo)準(zhǔn)下的泄洪要求。