光明水電站取水樞紐設(shè)計(jì)

余華

（嵐皋縣水利工作隊(duì) 陜西 嵐皋 725400）

1 工程概況

光明水電站工程位于嵐皋縣境內(nèi)的嵐河中游，為徑流式電站，主要任務(wù)是發(fā)電，工程由取水樞紐（溢流壩、進(jìn)水閘、沖沙閘）、無(wú)壓引水隧洞、壓力前池、壓力管道、電站廠(chǎng)房和變電站等主要建筑物組成。設(shè)計(jì)水頭為18m，裝機(jī)容量4000kW，設(shè)計(jì)引水流量27.16m3/s，多年平均發(fā)電量1652萬(wàn) kW·h。

該水電站取水樞紐位于花里鎮(zhèn)下游2.5km處，距嵐皋縣城上游22.5km，有嵐鎮(zhèn)公路（S207省道）從此通過(guò)，交通便利。取水樞紐段河床寬40m～60m，呈U型，向上游稍寬，下游則河流坡降較大，兩岸對(duì)稱(chēng)性良好，河床左側(cè)基巖出露良好，右側(cè)覆蓋層較厚，基巖為輝石閃長(zhǎng)巖，屬硬質(zhì)巖。工程地質(zhì)條件、壩址地基抗?jié)B條件、邊坡穩(wěn)定條件良好。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1 工程等級(jí)及建筑物級(jí)別

光明水電站為無(wú)壓引水徑流式電站，以發(fā)電為主，電站裝機(jī)容量4000kW。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-94)及《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）規(guī)范確定，本工程為Ⅴ等小(2)型，主要建筑物及次要建筑物級(jí)別為5級(jí)。確定取水樞紐永久性水工建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，相應(yīng)洪峰流量1430m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，相應(yīng)洪峰流量1750m3/s。

2.2 主要設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范

(1)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-94)；

(2)《水利水電工程等級(jí)劃分及標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)；

(3)《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范 (試行)》(GBJ71-84)；

(4)《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》；

(5)《漿砌石重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL－91)；

(6)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2001)；

(7)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5057-1996);

(8)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(SD/T5077-1997)；

(9)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SD/T5073-1997)。

3 工程布置

光明水電站取水樞紐由溢流壩、沖砂閘和進(jìn)水閘等部分組成。

溢流壩為漿砌石重力壩，壩頂高程469.80m，溢流寬度60.5m；壩面曲線(xiàn)采用復(fù)合圓弧組成，壩底寬7m，最大壩高7m。

沖砂閘布置在溢流壩左壩肩，軸線(xiàn)與壩軸線(xiàn)垂直，閘底板高程為466.60m，孔口尺寸為4.0m×3.0m（寬×高）。

進(jìn)水閘緊靠沖砂閘布置，其軸線(xiàn)與沖砂閘軸線(xiàn)垂直，設(shè)計(jì)引流量27.16m3/s，分兩孔進(jìn)水。單孔尺寸為4.0m×2.5m（寬×高），閘底板高程為467.60m，閘后通過(guò)斜坡段、消力護(hù)坦、漸變段與引水隧洞連接。

4 建筑物設(shè)計(jì)及水力計(jì)算

4.1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

砼容重：2.4t/m3，砌體容重：2.3t/m3，巖石天然容重：2.50g/cm3，砌體與巖基摩擦系數(shù)0.60。

4.2 泄流能力計(jì)算

4.2.1 泄流量計(jì)算

本工程屬于低壩，溢流壩面采用復(fù)合圓弧組成。泄流量包括三部分：溢流壩泄流量、沖砂閘泄流量、左岸壩段泄流量。

（1）溢流壩泄流量Q1按下式計(jì)算

式中，H0——水頭（m）；

ε1——側(cè) 收 縮 系數(shù)，ε1＝1-2（Ka+（n-1）Kp）H0/nb，Ka＝0.1，n＝1，b＝60.5m；

B——溢流堰長(zhǎng)度（m），B＝60.5m；

σs、m——分別為淹沒(méi)系數(shù)和流量系數(shù)，根據(jù)溢流壩上、下游水位變化查有關(guān)水力學(xué)計(jì)算圖表確定。

（2）沖砂孔泄流量Q2按下式計(jì)算

式中，μ2——流量系數(shù)，μ2＝0.75；

A2——孔口面積（m2），A2＝12；

Hz——計(jì)算水頭（m），按進(jìn)出口水位確定。

（3）左岸壩段泄流量Q3按下式計(jì)算

式中，H0——水頭（m）；

B——溢流堰長(zhǎng)度（m）；

σc——淹沒(méi)系數(shù)，σc＝1；

m——流量系數(shù)，按寬頂堰偏安全取m＝0.32。

經(jīng)計(jì)算得：H0＝5.41m時(shí)，總泄洪流量為1436m3/s；H0＝6.50m時(shí)，總泄洪流量為1775m3/s；

4.2.2 壩上游靜水位計(jì)算

式 中 ，Δ壩——壩 頂 高 程 ，Δ壩＝469.80m；

H——壩上靜水位，用公式H0＝H+Q2/（2gA2）試算，A為壩上游過(guò)水面積。

經(jīng)計(jì)算最確定壩上游二十年設(shè)計(jì)洪水為473.86m；百年校核洪水位為474.57m。

4.3 進(jìn)水閘水力計(jì)算

4.3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

溢流壩壩頂高程為469.80m，進(jìn)水閘底板高程為467.60m，二十年設(shè)計(jì)洪水位為473.86m，一百年校核洪水位為474.57m，進(jìn)水口設(shè)計(jì)引水流量為27.16m3/s（包括加大3%），隧洞斷面為4.2m×6.042m（寬×高），洞內(nèi)正常水深為4.8m。

4.3.2 進(jìn)水口水力計(jì)算

擬取孔口凈寬為8m，分為兩孔。中墩寬1m，上、下游墩頭均采用圓弧形，進(jìn)口堰坎為直墻。

按淹沒(méi)寬頂堰計(jì)算，計(jì)算公式：

（1）閘前全水頭

閘前全水頭應(yīng)等于閘室前進(jìn)口水深減去由進(jìn)口至閘前間的水頭損失h總（由進(jìn)口損失、攔污柵損失及檢修門(mén)槽損失三部分組成）。根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算得水頭損失h總為0.198m；閘室前進(jìn)口水深為2.20m，由此可得閘前全水頭為2.002m。

（2）淹沒(méi)系數(shù)σs

根據(jù)進(jìn)口閘底板高程和隧洞進(jìn)口底板高程，需在閘后設(shè)陡坡與隧洞連接，因洞內(nèi)水深為4.8m，水位高于閘底板1.83m（hs＝1.83m）。由 hs＞0.8H0＝1.60m，故為淹沒(méi)出流。根據(jù)hs/H0＝0.914，查得σs＝0.8。

（3）流量系數(shù)m

按堰頂入口為直角的寬頂堰經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：m＝0.32+0.01（3-P1/H）/（0.46+0.75P1/H）

由：P1＝1.O，H＝2.2，則m＝0.352。

（4）側(cè)收縮系數(shù)ε

閘、邊墩頭部為圓弧形，堰頂入口邊緣為直角的寬頂堰。a0＝0.01，b＝4，B＝4.5，則ε=0.985。

將各已知值代入堰流計(jì)算公式得：

由上述計(jì)算結(jié)果可知，進(jìn)水口所擬尺寸滿(mǎn)足設(shè)計(jì)過(guò)流量要求。

4.3.3 閘孔出流水力計(jì)算

由前可知，閘孔出流是按淹沒(méi)出流設(shè)計(jì)考慮的，因此在水力計(jì)算時(shí)按最不利情況下（校核洪水位）進(jìn)行驗(yàn)算，看其計(jì)算結(jié)果是否滿(mǎn)足要求。

（1）閘門(mén)開(kāi)啟度

利用孔口出流流量公式進(jìn)行計(jì)算：

已知 Q＝27.3m3/s，H＝6.97m，得 V0＝0.487m/s，H0＝6.982m，取流速系數(shù) Φ＝0.95，垂直收縮系數(shù) ε2＝0.612。

u＝ε2·Φ·（1-ε2·e/H0）0.5，經(jīng)試算得e＝0.511m。

（2）收縮斷面水深

計(jì)算時(shí)根據(jù)閘前基準(zhǔn)斷面0－0和閘后收縮斷面C－C列能量方程。

0－0 斷面：E0＝2.97+6.97＝9.94m

C－C 斷面：EC＝hC+q2/（2g·Φ2·hC2），其中，q——單寬流量為3.018m3/s，Φ——流速系數(shù)Φ＝0.9。

假定 hC試算，使 E0＝EC，經(jīng)計(jì)算得hC＝0.241m。

（3）躍后水深h"C

其計(jì)算公式：hC"＝hC/2·（（1+8q2/（ghC3））1/2-1）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，躍后水深h"＝

C2.659m小于隧洞內(nèi)正常水深4.80m，滿(mǎn)足淹沒(méi)出流要求，故不需修消力池。

4.3.4 護(hù)坦長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)水力計(jì)算，雖可不修消力池，但閘后段必須按護(hù)坦的要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)襯砌，其襯砌長(zhǎng)度可按消力池長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。

取LK＝11m。

4.4 消能防沖設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)處理

4.4.1 消能防沖設(shè)計(jì)

因壩基全部坐落基巖上，且壩體嵌入河床以下較深，最深處達(dá)5m，故暫不設(shè)消能工。如果在運(yùn)行期間出現(xiàn)壩下游受洪水掏刷，再順壩軸方向在壩下游做鉛絲捆籠保護(hù)壩基。

4.4.2 基礎(chǔ)處理

（1）壩基開(kāi)挖要求達(dá)到新鮮基巖或微風(fēng)化層。河床左段開(kāi)挖深度2m～3m，右側(cè)部分開(kāi)挖深度9.5m，兩岸開(kāi)挖深度2m～3m。

（2）固結(jié)灌漿。固結(jié)孔布置排距為3m，呈梅型布置，孔深入基巖5m。

4.5 兩岸連接及上下游防護(hù)設(shè)計(jì)

在右壩肩設(shè)護(hù)坡，上、下游設(shè)翼墻；左岸上游設(shè)翼墻與進(jìn)水閘相接，下游翼墻與沖砂閘末端相連。翼墻結(jié)構(gòu)為M7.5水泥砂漿砌石。

5 結(jié)語(yǔ)

光明水電站取水樞紐設(shè)計(jì)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件等實(shí)際情況，對(duì)所設(shè)計(jì)的建設(shè)筑物均進(jìn)行了精確計(jì)算和理論分析。通過(guò)光明水電站三年多的運(yùn)行情況看，該設(shè)計(jì)合理，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿(mǎn)足該水電站的相關(guān)技術(shù)要求，在同類(lèi)小型水電站中具有一定的參考價(jià)值，其設(shè)計(jì)過(guò)程可供借鑒。陜西水利