云河灌區(qū)取水樞紐工程設(shè)計(jì)探討

郭 廓

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

1 設(shè)計(jì)基本資料

1.1 流域概況

云河灌區(qū)位于湖北省境內(nèi)，屬于漢江水系，全長(zhǎng)180km，現(xiàn)有堤防高程42.00m，堤頂寬6m，內(nèi)邊坡1∶3。本樞紐位于云河上。樞紐上游的50km及下游為平原河段，河槽比降小。穩(wěn)定河槽寬度為200m。洪水期河床寬度300m左右。樞紐右岸有一座小山，附近兩岸地勢(shì)平坦。樞紐以上控制流域面積7531km2，水源豐富。河道常年水位在35.50～36.50m之間。年來(lái)水量可滿足云河灌區(qū)灌溉農(nóng)田3000hm2及樞紐下游的已建電站的發(fā)電要求。灌區(qū)3000hm2農(nóng)田分布在左岸，樞紐下游以東0.5km為縣城。

灌區(qū)進(jìn)水閘以5%的洪水作為停止引水標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)水閘引水時(shí)(相應(yīng)灌溉頻率P=75%時(shí)，相應(yīng)沖沙流量1090m3/s)相應(yīng)河道流量Q=600m3/s。此流量還供下游發(fā)電之用。

河道伏水站月平均含沙量為1.46kg/m3，最大月平均含沙量為7月3.30kg/m3，年平均輸沙量為104萬(wàn)t。推移質(zhì)平均粒徑dcp=3.70mm，最大粒徑dmax=50.00mm。泥沙重度γs=25.97kN/m3。

1.2 樞紐附近地質(zhì)情況

由地質(zhì)剖面圖可知：在樞紐軸線位置320m河槽范圍以內(nèi)，由東向西約有長(zhǎng)230m的覆蓋層(為砂卵石層)，最厚達(dá)11m，最薄5m，平均約8m；下面為砂壤土，最大深度約40m，最小5m，平均厚約20m；再往下為粉砂泥質(zhì)巖，緊接的90m范圍河槽部分，最深覆蓋層約5m，最淺1m，平均約3m左右；下面是玄武巖，風(fēng)化層厚2～3m。

沿河一帶由于河道常年有水，故地下水位相對(duì)較穩(wěn)定，一般在35.50m左右。

1.3 灌溉渠道設(shè)計(jì)成果

渠道渠底高程36.00m；最大引水流量Q=50m3/s；灌溉期正常擋水位38.00m，相應(yīng)下游水位37.82m；渠道縱坡i=1/7000；渠道邊坡m=2；渠道底寬B=14m；渠道頂部高程39.50m；渠道頂部寬度6m；渠道水位44.00m。

2 攔河壩設(shè)計(jì)

2.1 攔河壩設(shè)計(jì)

2.1.1 壩頂高程確定

建壩主要目的是壅高水位，對(duì)洪水不起調(diào)節(jié)作用，故壩頂不設(shè)閘門(mén)，為自由泄流壩，也不需專(zhuān)人管理。溢流壩的設(shè)計(jì)水位等于渠首水位加0.1～0.3m過(guò)閘水頭損失。

溢流壩設(shè)計(jì)水位：H=38.00+0.3=38.30m。

2.1.2 校核洪水流量設(shè)計(jì)

溢流壩的校核流量:

Q校=Q洪-aQ1=4240-0.8×1090=3368m3/s

式中Q1——通過(guò)其他建筑物的下泄流量,m3/s；

a——流量利用系數(shù)，a=0.75～0.9。

2.1.3 壩頂高程確定

該壩采用WES型實(shí)用堰。設(shè)計(jì)流量Q設(shè)=600m3/s，上游水位38.30m，相應(yīng)下游水位36.00m，河床高程33.00m，堰上游面垂直，下游直線段坡度ma=cotα=0.7，即α=55°。

假定P1/Hd>1.33，則md=0.502，行近流速水頭略，則

Hod≈Hd

設(shè)堰為自由出流。側(cè)收縮系數(shù)：

其中：n=1，b′=200，Ka=0.1,代人上式得

則

試算法求得Hod=1.23m。

堰頂高程為：H=38.3-1.23=37.07m。

因?yàn)镻1/Hd=4.07/1.23=3.31>1.33，為高堰，則md=0.502，行近流速水頭可以略去；又因下游水位低于堰頂高程，即hs<0，所以為自由出流σs=1。

2.2 堰剖面設(shè)計(jì)

計(jì)算堰頂O點(diǎn)上游三圓弧半徑及其水平坐標(biāo)值(見(jiàn)圖1)。

圖1 堰頂O點(diǎn)上游圓弧曲線(單位：m)

R1=0.5Hd=0.5×1.23=0.625m；

x1=-0.175Hd=-0.175×1.23=-0.215m；

R2=0.2Hd=0.2×1.23=0.246m；

x2=-0.276Hd=-0.276×1.23=-0.339m；

R3=0.04Hd=0.04×1.23=0.049m；

x3=-0.282Hd=-0.282×1.23=-0.347m。

依據(jù)O點(diǎn)下游的曲線方程(見(jiàn)表1)，計(jì)算堰頂O點(diǎn)下游曲線。

表1 堰頂O點(diǎn)下游曲線 單位：m

即

坡度ma=0.7的下游直線段CD與曲線OC段相切于C點(diǎn)。C點(diǎn)坐標(biāo)xc，yc求解如下。

對(duì)堰面曲線求一階導(dǎo)數(shù):

直線CD的坡度為

yC=0.419×2.051.85=1.581

壩下游反弧半徑r按下式計(jì)算：

r=(0.25～0.5)(Hd+Zmax)

其中：上下游水位差Zmax=38.3-36=2.3m，則

r=(0.25～0.5)(1.23+2.3)=0.88～1.765m

(取r=1.2m)

反弧曲線的上端與直線CD相切于D點(diǎn)，下端與河床相切于E點(diǎn)。D點(diǎn)、E點(diǎn)及反弧曲線圓心O′點(diǎn)的坐標(biāo)，用分析法確定。

2.2.1 反弧曲線圓心O′點(diǎn)

P2為下游堰高，P2=P1=4.07m

2.2.2E點(diǎn)坐標(biāo)

2.2.3D點(diǎn)坐標(biāo)

依據(jù)D點(diǎn)坐標(biāo)，繪制堰剖面曲線曲線(見(jiàn)圖2)。

圖2 堰剖面曲線(單位：m)

2.3 消力池的水力計(jì)算

2.3.1 選型

在建筑物下游采取一定工程措施，控制水躍發(fā)生位置，通過(guò)水躍產(chǎn)生的表面漩滾和強(qiáng)烈的紊動(dòng)以達(dá)到消能目的。

措施：降低護(hù)坦高程，使下游形成消能池。

2.3.2 降低護(hù)坦高程形成的消力池水力計(jì)算

2.3.2.1 不同流量時(shí)堰上水頭計(jì)算

計(jì)算過(guò)程與壩頂高程的計(jì)算過(guò)程相同，采用試算法，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 壩上水頭與流量關(guān)系

2.3.2.2 消力池流量的選取

因?yàn)镻1/Hd>1.33，故不計(jì)行近流速，取φ=0.9。

當(dāng)Q=400m3/s，q=2m3/(s·m)，Hd=0.93m，EO=0.93+37.07-33=5m時(shí)：

查《渠首工程》附表，得

同理，計(jì)算Q為200m3/s、100m3/s、80m3/s時(shí)，相應(yīng)的h″c-ht(見(jiàn)表3)。

表3 h″c-ht計(jì)算結(jié)果

由表3可知，當(dāng)Q=100m3/s時(shí)，h″c-ht最大，故消能池的設(shè)計(jì)流量：Q=100m3/s，q=0.5m3/(s·m)。

2.3.2.3 消力池深度的計(jì)算

首先按近似公式估池深的數(shù)值，即

d=σh″c-ht=1.05×1.15-0.9=0.31m

設(shè)d=0.31m，于是

計(jì)算Δz(取消能池流速系數(shù)φ′=0.95):

d=σh″c1-(ht+Δz)=1.05×1.17-

(0.9+0.009)=0.32m

故所求池深d=0.31m(見(jiàn)圖3)。

圖3 消力池示意圖

2.3.2.4 消能池長(zhǎng)度Lk的計(jì)算

池長(zhǎng)的設(shè)計(jì)流量為最大流量，即qd=qmax=3m3/(s·m)。

ξc=0.32

hc1=0.32×0.972=0.311m

水躍長(zhǎng)度：

Lj=10.8hc1(Fr1-1)0.93=

故消能池的長(zhǎng)度為

Lk=(0.7～0.8)Lj=(0.7～0.8)×6.64

=4.65～5.31m

取Lk=5m。

2.3.3 海漫長(zhǎng)度Lp確定

式中q——設(shè)計(jì)流量時(shí)的單寬流量，m3/s；

ΔH——上下游水位差，m；

k——系數(shù)，河床土壤為礫石取k=8。

取Lp=17m(見(jiàn)圖4)。

圖4 海漫示意圖

3 結(jié) 語(yǔ)

云河灌區(qū)取水樞紐是在河道上建設(shè)無(wú)閘、開(kāi)敞式、攔河滾水大壩，壅高河道水位，引河道水流進(jìn)入灌渠，用以灌溉3000hm2農(nóng)田。本文以實(shí)際調(diào)查河道水文情況、地質(zhì)資料和水文條件狀況為基礎(chǔ)，立足于安全、經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行設(shè)計(jì)，可供類(lèi)似工程參考。