蘇布雷水電站尾水渠水力學分析

王樹平,陳世才,喻 暢

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

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蘇布雷水電站尾水渠水力學分析

王樹平,陳世才,喻 暢

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

蘇布雷水電站尾水渠長度較長，布置較復雜，要求在滿足尾水出流功能的同時要盡量改善尾水流態，降低水頭損失以滿足電站水輪機及發電機出力要求，并盡量減少開挖及混凝土工程量。本文針對經多方比較確定的尾水渠推薦布置方案進行尾水渠水力學分析，計算水頭損失，推求渠道水面線，驗證了各工況下尾水閘前水位能滿足水輪機及發電機出力要求，尾水渠布置及底板、邊墻的襯砌范圍設置是合適的。

長尾水渠；恒定非均勻漸變流；當量糙率；水頭損失；水面線

1 工程概況

蘇布雷水電站位于科特迪瓦西南部，薩桑德拉河中下游河段納瓦(Nawa)瀑布附近，壩址距首都阿比讓約350 km，水庫集水面積約6.2萬km2，為日調節電站。電站廠房型式為地面廠房，廠內安裝3臺混流式機組，單機容量90 MW，總裝機容量270 MW。

電站尾水渠沿原河床開挖形成，總長約2 072.67 m。尾水渠由反坡段、漸變段、順坡段及出口段組成，斷面形狀由梯形漸變到矩形，底寬為24～66.8 m，起始端高程為89.6 m，末端高程為101.5 m，渠道開挖基礎均為基巖。尾水渠出口上游側有一跨河橋，該橋需拆除并原址重建。渠道通過底板及局部邊墻混凝土襯砌的方式來降低糙率，保證機組出力要求。尾水渠布置見圖1。

圖1 蘇布雷水電站尾水渠布置

為滿足水輪機與發電機出力要求，在尾水渠出口上游側橋梁原址重建的前提下，根據業主的要求，采用美國規范對尾水渠進行了水頭損失計算和水面線推求，驗證尾水水位是否滿足出力要求以及尾水渠結構布置的合理性。

2 計算基本資料及參數選取

2.1 流 量

廠房單機引用流量為238 m3/s，PMF洪水流量為5 500 m3/s，上游河道生態流量按50 m3/s過流。

尾水渠出口水位流量關系曲線采用招標文件中的水位流量關系曲線(見圖2)。

2.2 出力要求

為滿足電站三臺機滿發情況下，單機水輪機出力90 MW和單機發電機出力90 MW的要求，需要限制尾水最高水位，經計算，控制水位見表1。

2.3 糙率的選取

渠道糙率對于尾水渠水力學分析至關重要，本項目為國外工程，糙率按美國墾務局《混凝土重力壩設計》以及美國陸軍工程兵團《溢洪道設計》中相關要求進行選取。

圖2 尾水渠出口水位流量關系曲線

項 目數值水庫正常蓄水位/m152．0引水鋼管水力損失/m0．9尾水管出口閘門口局部損失/m0．3重力加速度/m2·s-19．78水的密度/kg·m-3997水輪機流量/m3238水輪機效率/%94發電機效率/%98水輪機出力/MW90發電機出力/MW90水輪機出力90MW對應尾水位/m109．5發電機出力90MW對應尾水位/m108．7

2.3.1 國外規范中的糙率取值

(1)美國墾務局《混凝土重力壩設計》給出的設計人工渠道常用的糙率n值見表2：

表2 美國墾務局設計人工渠道常用的n值

(2)美國陸軍工程兵團《溢洪道設計EM 1110-2-1603》給出的有效糙率k值換算成n值的計算：

式中f——為阻尼系數，為無量綱參數；

R——為水渠的水力半徑，單位為英尺。

換算得到的n值見表3。

(3)綜合以上標準對糙率的規定，不襯砌明渠邊墻、底板糙率n值取偏于保守的0.033；襯砌后糙率n值取0.014。

2.3.2 當量糙率的計算

尾水渠結構設計在滿足水力要求的同時，應盡量減少開挖及混凝土工程量，尾水渠各分段采用不同的襯砌形式。渠道濕周各部分的糙率不同時，可采用下述方法求得當量糙率n當作為全斷面統一的糙率，進行水力計算。

設總濕周x的各組成部分x1、x2…xN所對應的糙率分別為n1、n2…nN,其中最大的糙率為nmax，最

表3 美國陸軍工程兵團有效糙率k值及換算n值

小的糙率為nmin，其當量糙率的計算公式如下：

當nmax/nmin≤2時：

當nmax/nmin>2時：

3 水力學分析

3.1 局部水頭損失計算

式中 ξ——局部水頭損失系數;

v——水流流速或平均流速。

(2)橋墩局部水頭損失。對尾水渠靠近出口處的跨河橋，根據橋及橋墩的結構形式，本計算中對橋墩的局部水頭損失采用攔污柵模型：

式中 β——柵條形狀系數;

s——柵條寬度；

b——柵條間距；

α——柵面傾角；

v——過柵平均流速。

(3)局部水頭損失計算結果。根據尾水渠的布置，分別對各個產生局部水頭損失的部位進行計算，結果見表4。

表4 尾水渠局部水頭損失計算

3.2 尾水渠水面曲線推求

尾水渠按渠道非均勻流進行水面線推求，主要是求出沿程各斷面的水深，即水面曲線。

棱柱形渠道水面曲線的基本微分方程：

式中h——水深/m；

l——流程長度/m；

J——水力坡度；

Fr——佛汝德數。

水面曲線的定量計算：用分段求和法求水面曲線，即把非均勻流分成若干段，利用能量方程由控制水深的一端逐段向另一端推算。其基本計算公式為：

式中 Δli——流段長度,m；

vi、vi+1——分別表示斷面平均流速,m·s-1；

非棱柱形渠道水面曲線的計算：同樣采用分段求和法，因此計算公式同棱柱形渠道。計算方法如下：

假設起始斷面和終止斷面的底寬與邊墻系數分別為：b1、b2、m1、m2，再把漸變段分成n段，每小段的長度為Δl。則第n段和第n+1段的底寬分別為：

bn=b1+(b2-b1)nΔl/l

bn+1=b1+(b2-b1)(n+1)Δl/l

mn=m1+(m2-m1)nΔl/l

mn+1=m1+(m2-m1)(n+1)Δl/l

式中l——渠道總長，m；

Δl——每段流程長，m。

設n斷面的水深已知為hn，由bn、mn可算出Esn。

只需計算出n+1斷面的Cn+1、Rn+1、νn+1、En+1即可，而它們均是hn+1的函數。

3.3 計算成果及分析

3.3.1 計算成果

根據以上水文資料及計算方法，分別推算了一臺機、兩臺機、三臺機及PMF洪水工況下的尾水渠水面線，推求得尾水渠入口(廠房尾水管出口)水位見表5。

其中，三臺機發電工況下推求得水面線見圖3。

3.3.2 成果分析

根據以上分析計算，三臺機發電情況下，水面線推求得尾水管出口水位為108.62m，能夠同時滿足水輪機及發電機出力滿發要求；PMF洪水情況下，尾

表5 尾水管出口水位推算值

圖3 尾水渠水面線示意

水管出口水位為111.69m，低于廠區地面高程115.40m，滿足廠房防洪要求。

根據水力學分析，尾水渠各分段采用不同的襯砌形式，結構設計在滿足水力要求的同時，減少了開挖及混凝土工程量，尾水渠布置及底板、邊墻的襯砌范圍設置是合適的。三臺機發電工況下，分別滿足水輪機和發電機出力滿發尾水位要求的尾水渠底板和邊墻襯砌范圍(見表6)。

表6 尾水渠底板及邊墻襯砌長度

4 結 語

蘇布雷水電站尾水渠長度超過2km，是少有的長尾水渠電站。通過水力學分析，表明尾水渠水位能夠滿足電站出力要求及防洪要求，驗證了結構布置的合理性。工程設計相關的尾水渠計算書、結構及開挖圖已經獲得了咨詢工程師的認可，正在進行施工。本設計中采用國外規范的計算方法及參數要求進行尾水渠水力學分析，對今后類似的國外水電站尾水渠水力學計算分析有一定借鑒作用。

[1] 吳持恭.水力學[M].高等教育出版社，1982.

[2] 李榮.關于影響曼寧糙率系數n值的水力因素探討[J].水利學報,1989,(12):62-66.

[3]UNITEDSTATESDEPARTMENTOFTHEINTERIOR.DESIGNOFGRAVITYDAMS[J].AWaterResourcesTechnicalPublication,1976.

[4]DepartmentoftheArmyU.S.ArmyCorpsofEngineersEM1110-2-1603,HYDRAULICDESIGNOFSPILLWAYS[J].DistributionRestrictionStatement, 1992.

2016-03-21

王樹平(1977-)，男，吉林白山人，高級工程師，從事水工設計工作。

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