中美技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下溢洪道設(shè)計(jì)對(duì)比分析

譚 玲

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

溢洪道是一種常見的泄水建筑物，在國(guó)內(nèi)外水電工程中的應(yīng)用極為廣泛，是保證大壩安全非常重要的建筑物之一[1]。隨著中國(guó)電力建設(shè)企業(yè)對(duì)國(guó)際水電市場(chǎng)的開拓，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)企業(yè)承接了越來越多的國(guó)外水電工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與建設(shè)，而大部分區(qū)域必須按要求采用美標(biāo)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)與復(fù)核，這就要求國(guó)內(nèi)工程師在精通國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也要熟悉國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外在長(zhǎng)期理論和試驗(yàn)研究的經(jīng)驗(yàn)累積下，得到了溢洪道設(shè)計(jì)中一些水力特性的計(jì)算方法、經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，但因溢洪道涉及的邊界條件復(fù)雜多變，大中型水利水電工程最終必須要靠水工模型試驗(yàn)來驗(yàn)證其布置及水力設(shè)計(jì)的合理性[2]。

本文以國(guó)外某水電站設(shè)計(jì)實(shí)例為依托，分別采用中、美技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)溢洪道設(shè)計(jì)中重要的水力計(jì)算如泄流能力、挑流鼻坎射程、沖坑最大水墊深度等進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合水工模型試驗(yàn)結(jié)果與中美技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1 控制標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于溢洪道水力設(shè)計(jì)規(guī)范，中國(guó)規(guī)范主要有電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5166—2002[3]和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 253—2018[4]，以上規(guī)范對(duì)溢洪道實(shí)用堰水力計(jì)算公式及參數(shù)要求基本一致。國(guó)際上用于溢洪道設(shè)計(jì)的規(guī)范主要有美國(guó)墾務(wù)局《Design of small dams》[6]、美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)《Corps of Engineers Hydraulic Design Criteria》(以下簡(jiǎn)稱“HDC”)[7]、《Hydraulic design of spillway》EM-1110-2-1603(以下簡(jiǎn)稱“EM1603標(biāo)準(zhǔn)”)[8]，以上規(guī)范對(duì)溢洪道實(shí)用堰設(shè)計(jì)要求基本一致。本文選取中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5166—2002溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范[3]和美標(biāo)《Corps of Engineers Hydraulic Design Criteria》[7]及《Hydraulic design of spillway》[8]作為主要理論計(jì)算依據(jù)，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

2 工程概況

國(guó)外某水電站以發(fā)電為主，總裝機(jī)容量700 MW，正常蓄水位230.00 m，死水位223.00 m。，該水電站擋水建筑物是碾壓混凝土重力壩與粘土心墻堆石壩混合壩，溢洪道布置在重力壩段河床部位，采用4孔閘門設(shè)計(jì)，單孔尺寸為15 m×20 m(寬×高)，閘墩厚4.5 m，溢流堰采用WES堰型，堰頂高程為210.50 m，上游面鉛直，為高堰，見圖1，圖2。

溢洪道消能方式為挑流消能，泄洪水流從溢洪道泄槽末端的挑流鼻坎射出。溢洪道下游設(shè)有消力池，尺寸70 m×90 m(寬×長(zhǎng))，底部高程110.00 m，布置位置按規(guī)范要求及水工模型試驗(yàn)結(jié)果盡可能遠(yuǎn)離壩址，消力池中心樁號(hào)為H.0+220.000，距壩址下游約140 m。

3 溢洪道水力計(jì)算與水工模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 泄流能力計(jì)算

3.1.1計(jì)算公式

中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5166—2002溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范[3]中關(guān)于開敞式實(shí)用堰的泄流計(jì)算公式按式(1)計(jì)算：

(1)

其中，Q為流量，m3/s；B為溢流堰總凈寬，m；H0為計(jì)入行近流速的堰上水頭，對(duì)于高堰H0=H，m；H為堰上水頭，m；g為重力加速度，m/s2；m為流量系數(shù)；C為上游面坡度影響修正系數(shù)，當(dāng)上游面為鉛直時(shí)C=1.0；ε為收縮系數(shù)，對(duì)高堰取0.90～0.97，低堰取0.80～0.90；σm為淹沒系數(shù)，不淹沒時(shí)取1。

美標(biāo)EM1603標(biāo)準(zhǔn)中堰流計(jì)算公式按式(2)計(jì)算：

(2)

其中，Q為溢洪堰流量，ft3/s；Le為溢流堰凈寬，ft；He為堰頂總水頭，ft；C為包括引水渠，堰頂形狀，邊墩和橋墩的總流量系數(shù)。

Le=L-2(nKp+Ka)He

(3)

其中，L為堰頂凈寬，ft；n為閘墩數(shù)量；Kp為閘墩收縮系數(shù)；Ka為邊墩收縮系數(shù)。

3.1.2中美技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4孔閘門全部開啟時(shí)，按中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范計(jì)算的溢洪道泄流能力對(duì)比結(jié)果見表1。美標(biāo)中流量系數(shù)C受很多因素影響，包括行近水深、實(shí)際堰頂形狀與理論水舌形狀之關(guān)系、上游面坡度、下游護(hù)坦產(chǎn)生的干擾、下游淹沒度等[6]，而中國(guó)規(guī)范中流量系數(shù)m未考慮上述因素的影響[1]。美標(biāo)中，流量系數(shù)C參照美標(biāo)HDC中圖111-3中得出，對(duì)比《Design of small dams》中得到的流量系數(shù)值偏高一些，本文以HDC中得到的C值進(jìn)行計(jì)算。

表1 4孔閘門全部開啟時(shí)溢流堰水位—泄流量關(guān)系

3.1.3理論計(jì)算與水工模型試驗(yàn)成果對(duì)比

水工模型試驗(yàn)與中、美技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)理論計(jì)算泄流能力對(duì)比如表2所示。

表2 計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比表

由表1可知，中美標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算理論值相差結(jié)果均值在6%～8%左右，相差不是很大。從表2可知，在相同庫(kù)水位下，溢洪道下泄流量水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值均比中國(guó)規(guī)范及美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)理論計(jì)算值高，說明溢洪道泄流能力滿足要求。其中，中美標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果與水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值結(jié)果相比，隨著庫(kù)水位及流量的增加，兩者的差值均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，而美標(biāo)計(jì)算結(jié)果與水工模型試驗(yàn)結(jié)果更為接近。

3.2 挑流消能計(jì)算

3.2.1挑距計(jì)算

中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5166—2002溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范[3]中關(guān)于挑距計(jì)算公式按式(4)計(jì)算：

(4)

其中，L為自挑坎坎頂算起的挑流水舌外緣與下游水面交點(diǎn)的水平距離，m；v1為坎頂水面流速，m/s；θ為挑坎挑角，(°)；h1為坎頂鉛直方向水深，m；h2為坎頂至下游水面高差，m。

美標(biāo)EM1603標(biāo)準(zhǔn)中堰流計(jì)算公式按式(5)計(jì)算：

XH=hesin2θ+2cosθ[he(hesin2θ+Y1)]1/2

(5)

其中，he為挑坎末端的流速水頭，m；θ為挑射角度，(°)；XH為水平挑距，m；Y1為挑坎末端至尾水面的高差，m。

洪水標(biāo)準(zhǔn)按美標(biāo)取最大可能洪水(PMF)工況進(jìn)行計(jì)算，PMF洪水位231.50 m，下游水位157.00 m，下游河床高程約149 m，挑射角度取35°，按中國(guó)規(guī)范計(jì)算得到的挑距為160.7 m，按美標(biāo)計(jì)算得到的挑距為120.0 m，而水工模型試驗(yàn)結(jié)果水舌落水范圍樁號(hào)為H.0+195 m～H.0+215 m，挑距約為108 m～118 m，按美標(biāo)規(guī)范計(jì)算的挑距結(jié)果與水工模型試驗(yàn)結(jié)果更為接近。由于溢流壩面上的能量損失，實(shí)際的挑距可能遠(yuǎn)小于計(jì)算值，因此需要通過溢流壩面上能量損失的原型觀測(cè)，對(duì)理論和實(shí)際射程作出比較[7]。根據(jù)水工模型試驗(yàn)成果，挑流水舌均落入消力池內(nèi)，不會(huì)影響大壩穩(wěn)定，布置位置合理。

3.2.2沖坑最大水墊深度計(jì)算

中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5166—2002溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范[3]中關(guān)于沖坑最大水墊深度計(jì)算公式按式(6)進(jìn)行估算：

t=Kq0.5H0.25

(6)

其中,t為自下游水面至坑底的最大水墊深度，m；q為坎頂單寬流量，m3/(s·m)；K為沖刷系數(shù)；H2為下游水深，m；H為上、下游水位差，m。

美標(biāo)EM1603中建議采用模型試驗(yàn)來驗(yàn)證河床沖刷程度，此次按《Design of small dams》[6]中經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行大致估算：

(7)

其中，ds為尾水位高程以下的最大沖刷深度，m；HT為從水庫(kù)水位到尾水位的落差，m；q為單寬流量，m3/(s·m)。

PMF工況下計(jì)算得到的沖坑最大水墊深度為53.4 m，按美標(biāo)計(jì)算得到的結(jié)果為62.4 m，結(jié)合實(shí)際地形地質(zhì)條件初步設(shè)計(jì)消力池底高程110.0 m。水工模型試驗(yàn)PMF工況下沖刷區(qū)最深沖刷深度為45.2 m，沖坑最深點(diǎn)高程為109.8 m，比設(shè)計(jì)底高程110 m低0.2 m，證明此設(shè)計(jì)方案較為合理。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比關(guān)于溢洪道設(shè)計(jì)中中美技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)理論計(jì)算結(jié)果及水工模型試驗(yàn)結(jié)果，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)中國(guó)規(guī)范用于指導(dǎo)溢洪道設(shè)計(jì)的規(guī)范較為統(tǒng)一，美標(biāo)用于指導(dǎo)相關(guān)設(shè)計(jì)的規(guī)范較多，兩者在公式、參數(shù)的選取上存在差異，以實(shí)際工程案例為依托，將中國(guó)規(guī)范與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的泄流能力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，美標(biāo)計(jì)算結(jié)果大于中國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果，兩者相差不大。而中美技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)理論計(jì)算結(jié)果均小于水工模型試驗(yàn)結(jié)果，說明均滿足泄流能力要求，其中，美標(biāo)計(jì)算結(jié)果與水工模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為接近。

2)挑流消能計(jì)算中挑距及沖坑最大水墊深度，中美技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值與水工模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定差距，尤其是挑距的中美計(jì)算成果差異較大。無論是中國(guó)規(guī)范還是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，理論計(jì)算結(jié)果只能作為設(shè)計(jì)參考的初步估算，大中型水電站泄洪建筑物如溢洪道等重要部位最終還應(yīng)以水工模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

3)綜上，中美技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于溢洪道設(shè)計(jì)的分析流程基本一致，除公式、參數(shù)的選擇上存在差異，均是以理論計(jì)算為依據(jù)，水工模型試驗(yàn)進(jìn)行校驗(yàn)復(fù)核。國(guó)內(nèi)工程師在國(guó)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作中，選擇符合合同要求的規(guī)范保證安全性，但同時(shí)也應(yīng)重視業(yè)主的要求，做出合理經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。