某電站取水頭部底格欄柵壩水力學計算

孫培學，俞凱加

(1.安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，合肥 230088； 2.浙江省水利水電勘測設計院，杭州 310002)

0 引 言

某電站工程首部樞紐工程區兩岸植被茂密，左岸山體較陡，地形坡度約50°～60°，右岸山體地勢略緩，地形坡度約20°～30°，河水面寬10～20 m。壩址區出露基巖巖性為更新統多巴組(Tob)凝灰巖。河床覆蓋層主要為沖積砂礫卵石層，含較多漂石，厚度一般10～15 m。兩岸岸坡及坡腳均分布有崩坡積碎、塊石土，厚度一般2～8 m，右岸地勢較緩地帶分布有坡殘積粉砂質黏土，厚度一般10～20 m。由于河道狹長、河流湍急，河水常年夾雜大量大顆粒推移質。

擬建電站的引水流量21.9 m3/s，底格欄柵壩壩址處具備修建集引水、擋水、泄洪功能的條件，該取水方式具備結構簡單、耗材少、施工方便等優點。底格欄柵壩取水口設計的關鍵是進流水利計算和取水廊道的水利計算，同時為保證泄洪安全，溢流壩泄流能力復核計算也很重要，現分述如下。

1 首部樞紐設計

首部樞紐建筑物布置從右至左依次為右岸擋水重力壩、底欄柵進水口及溢流壩，全長共142.95 m，最大壩高10.5 m。水流經底欄柵進入廊道，經引水暗渠后，引入沉沙池。

底欄柵壩布置于主河床上，壩長38 m，底寬8.0 m，壩高4.0 m，建基面高程667.50 m，壩頂高程672.00 m。壩頂采用曲線型梯形堰，壩面傾向下游，傾斜坡比為1∶10。采用雙排取水廊道，第一排廊道中心線離上游壩面2.5 m，第二排廊道中心線離上游壩面5.5 m，取水廊道水平寬度均為2.0 m，廊道高1.0～3.0 m，底坡5.26%。底欄柵壩下游接長24 m的護坦，護坦頂面高程667.35～667.23 m。護坦末端設深4.0 m的消能防沖齒槽。

底欄柵壩左岸布置溢流壩段，全長68.0 m，共分6個壩塊，底寬與底欄柵壩相同，壩頂高程673.00 m，較底欄柵壩壩頂高1.0 m。溢流壩采用WES實用堰，下游坡比1∶1。右岸擋水重力壩壩長15.20 m，壩頂寬3.0 m，最大壩高10.5 m。壩上游設混凝土水平鋪蓋和帷幕灌漿進行防滲，鋪蓋長度10.0～11.0 m，鋪蓋前緣設置深2.0 m齒槽，末端設1.0 m深齒槽。溢流壩下游接長15 m的混凝土護坦，護坦頂面高程668.00～667.85 m。見圖1。

圖1 首部樞紐布置圖

2 引水水力計算

主要包括底格欄柵的進流計算和進水廊道的水力學計算兩部分。

2.1 底格欄柵進流計算

底格欄柵的進流計算采用E.A.扎馬林計算方法，該方法假定流經底欄柵表面水流的內部壓力按靜水壓力分布考慮，進入廊道水流的鉛直方向流速ν僅與該點壓力有關[1]，即：

(1)

改良評估量表由一般情況、感覺與體位、神志、疾病情況4個方面組成，每個方面又包含有數個具體項目，每個項目后面有對應分值；量表具有明確的評分標準，評分范圍為0到45分，分值越高患者發生壓瘡的危險性越高。

(2)

當欄柵頂水流全部進入底格欄柵的廊道，h2=0，式(2)變為：

(3)

單寬流量為：

(4)

當天然來水量小于或等于引用流量21.9 m3/s時，應將天然來水全部引入欄柵廊道內。計算結果見表1。

表1 單寬流量計算表

本工程采用雙排廊道取水，第一排廊道取設計引用流量的65%，第二排廊道取設計引用流量的35%，即：

對靠近上游的廊道，計算長度為：

對靠近下游的廊道，計算長度為：

設計底欄柵過流寬度為38.00 m，滿足引水要求。

表2 底格欄柵進流計算結果表

2.2 取水廊道水力計算

進水廊道為無壓流，采用差分法計算。分段水頭損失計算公式：

(5)

(6)

為防止廊道內發生淤積，廊道首端流速要求不小于1.2 m/s，末端不小于2.5～3.0 m/s。本工程計算時，首段流速取1.2 m/s，末端流速取2.5 m/s。各分段流速可按下式計算：

v=a(x-c)+v0

(7)

式中：c為欄柵邊距，m，本工程取0.1 m；v0為廊道首端流速，m/s，本工程取1.2 m/s；a為比例系數，經計算a=0.034 3。

以靠近上游的廊道為例，進水流量為14.24 m3/s，廊道水平長度38.0 m，底寬2.0 m，計算分段19段，計算結果見表3。

表3 底格欄柵廊道計算結果表

續表3

3 泄洪能力復核

工程首部建筑物設計洪水20年一遇，相應洪水流量1 513 m3/s；校核洪水標準50年一遇，相應洪水流量1 731 m3/s。泄洪時，左岸的溢流壩段和底欄柵壩段參與泄洪。溢流壩段的泄流計算暫按Ⅲ型折線實用堰計算，底欄柵壩段的泄流計算按寬頂堰流計算。

溢流壩段泄洪能力按下述公式計算：

(8)

(9)

(10)

相關系數的計取參考《溢流堰設計規范》(SL 253-2018)[2]。

底欄柵壩段泄洪能力按下述公式計算：

當hs/H≥0.8時，為淹沒出流：

(11)

當hs/H<0.8時，為自由出流：

(12)

相關系數的計取參考《溢洪道設計規范》(SL 253-2018)[2]和《水力學計算手冊》[3]，計算結果見表4。

表4 泄流能力計算成果表

4 結 語

1) 底格欄柵取水結構簡單，耗材少，施工方便，取水量較大，在推移質含量大、河床較窄的山溪河流取水工程中使用較多。

2) 本工程采用雙進水廊道設計長度38.00 m、寬2.0 m，滿足工程引水21.9 m3/s規模要求。

3) 溢洪道和底格欄柵同時參與泄洪，其中溢流壩段泄流寬68.0 m，底格欄柵壩泄洪寬38.0 m，滿足樞紐建筑物20年一遇設計、50年一遇校核標準下的泄洪要求。