淺談水力計算在臨設場地布置方案中的應用

周南龍（廣東水電二局股份有限公司，廣州　511340）

淺談水力計算在臨設場地布置方案中的應用

周南龍
（廣東水電二局股份有限公司，廣州511340）

摘要：在山區水電站臨時設施建設中，受地形條件限制沒有較為寬闊平坦的場地用來布置臨時生產生活設施，為此只能布置在相對寬闊的河灘地，故需通過水力計算以確定場地填筑高程，同時預留足夠的河道過流寬度以滿足防洪要求。

關鍵詞：水力計算;場地布置方案;應用

1　概述

金水河四級水電站項目位于山區，項目部生活區擬建于河灘地上，實測河道水面高程為317.0m，河灘地高程為317.7m，通過查閱洪水資料及現場實地勘察，該處河灘地在汛期將被淹沒。故在此布置臨時生活區必須考慮汛期的防洪安全問題，需要通過水力計算以確定場地填筑高程，同時預留足夠的河道過流寬度以滿足防洪要求。在本項目場地布置方案中，圍堰堰頂高程水力計算及過流計算得到了充分的應用。

2　方案設計思路

本方案先確定建筑物的洪水標準，再在該洪水標準下運用試算法，先假定河流的過流水深H，計算得出河流流速v，根據流量公式，代入計算出的流速v，可計算出過流面積Sx，從而得出過流水深Hx，通過比較H與Hx的關系，通過逐步代換使其兩者接近，此時的水深Hx即為滿足汛期過流水深。通過汛期過流水深Hx我們可以計算出相應的汛期水位高程，用所求得的汛期水位高程加上超高即為我們需要確定的場地填筑高程。

3　洪水位高程確定

（1）洪水標準。生活區為臨時設施，其使用期為2～3年，故相應的該場地使用年限亦為2～3年，同時考慮到場地過水或被沖毀導致的后果，查閱《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，根據工程失事造成的后果及影響工期，使用年限在1.5～3年之間，因此將其歸為4級臨時性水工建筑物。又因場地結構類型為土石結構，參照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》查知此工程洪水重現期在10～20年。從“可行性研究報告”中可知該控制斷面10年一遇洪峰流量為850m3，20年一遇洪峰流量為1070m3，因其取值是按照圖表法保守取大值，同時結合風險度綜合分析及遇超標洪水的應急措施，所以本方案采用10年一遇洪水標準進行設計；

（2）計算參數。

1）流量qq=S*v式中：S—河流過流斷面面積；v—河流流速；q—河流流量，此處取10年一遇設計洪水流量850m3/s。

2）過流斷面S

本河段過流斷面擬定為梯形斷面，右岸邊坡比暫1:0.5，場地邊坡比取1:2.0，擬拓寬河流河底寬度至20m。

S=（L1+L2）*H/2

式中：L1—過流斷面底部寬度；L2—過流斷面水面寬度；H—現有河流水位高度。

3）流速v

v=1/n*r2/3*i1/2

式中：n—河道粗糙率；r—水力半徑；i—水力坡降。

查閱資料可得知本設計中的天然河道相應河道粗糙率n=0.04～0.05，本設計取均值n=0.045根據現場測量水力坡降i=0.55%水力半徑可由假定H深度計算得出，其基本公式為：r=S/（a+L1+b）

式中：S—過流斷面面積；L1—過流斷面表面寬度；a—右岸坡長；b—左岸坡長。

4）汛期過流水深H試算

假設河流水位高度H為2.5m，可得出：

河流過流斷面面積：S=（L1+L2）*H/2=（20+26.25）*2.5/2= 57.81㎡

流速：v=1/n*r2/3*i1/2=2.65m/s

將上式計算的流速v代入流量公式計算過流斷面面積S1及過流水深H1：

通過解以上方程得出：H1=10.5m＞H=2.5m，故重新代入Hx計算，通過上述方法代入試算得出最終的過流深度H=6.7m。

5）洪水位高程

4　場地填筑高程確定

（1）概述。本方案中的場地為不過水場地，可以參照不過水圍堰的方式進行計算。其堰頂高程H等于設計洪水的靜水位H水加安全超高再加波浪高度。其中：波浪高度包括風浪沿圍堰邊坡的爬高和風浪壅高。即按下式計算:

H=H水+A+R+e

式中：H水—洪水位高程；A—安全超高；R—波浪在壩坡上的爬高；e—風壅增水高度。

（2）安全超高A。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，不過水的臨時性擋水建筑物的安全加高值按規范確定。因本圍堰為土石結構的4級臨時性水工建筑物，所以安全加高A應采用0.5m。

（3）波浪爬高R。波浪爬高參照莆田試驗站公式，其中重要的參數取值為：W—風速，水面上10m高度處10m in的平均風速，m/ s。按照規范要求，對4、5級建筑物,正常運用條件下，采用多年平均最大風速的1.5倍，查閱《金水河四級電站招標文件》可知本流域內多年平均最大風速為23m/s，經計算W為34.5m/s；D—風區長度，本設計取200m；Hm—水域平均水深，本設計為6.7m；由此可以求出平均波浪爬高R=0.429m。根據《碾壓式土石壩設計規范》附錄A.1.12可知4、5級壩采用累積頻率為5%的爬高值，R5%與平均波浪爬高Rm的比例關系為1.84：1。所以可得：

（4）風浪涌高e

式中：K——綜合摩阻系數，取3.6×10-6；

β——計算風向與壩軸線法線的夾角，按正向來波計算，取0°；

代入數據可得：e=0.007m

（5）場地填筑高程

H=H水+A+R+e=321.2+0.5+0.79+0.007=322.5m

故最終確定場地填筑高程為322.5m，同時預留河道寬度能夠滿足防洪過流要求。

5　結論

通過將水力計算理論運用到本項目場地布置方案中，為該方案的科學性提供了理論基礎。同時經過汛期的考驗，該場地經受起了洪水的考驗，實踐證明該方案可行，為以后類似的方案設計積累了經驗。

參考文獻：

[1]水利水電工程等級劃分及洪水標準[S].中國水利水電出版社, 2000:252.

[2]碾壓式土石壩設計規范[S].中國水利水電出版社,2001:274.

[3]水電水利工程圍堰設計導則[S].中國電力出版社,DL/T5087-1999.