淺析底格欄柵壩水力計算

毛利鑫，何鐵炎

（湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007）

1 工程概況

大湖坪水庫位于安化縣東坪鎮大湖村境內的資水支流槎溪上，水庫庫容697萬m3，灌溉面積13 221畝、多年平均供水量864萬m3，是具有供水、灌溉、生態等效益的Ⅳ等工程。槎溪在大湖坪村分為兩支，左右兩支控制集雨面積分別為3.3 km2、16.3 km2，本文介紹的引水副壩壩址處在左支河流上。

2 引水壩壩型選擇及布置

槎溪左支河道狹窄，溪流底寬僅3～4 m，兩岸邊坡較陡，無適合布置溢洪道的埡口，泄洪建筑物需布置在河床段；相對于河床寬度，壩址洪水流量大，且由于壩矮庫小，計算於沙量大于有效庫容，采用常規壩前取水口，取水效率低，且需經常性進行沖砂。根據河道特點，采用底欄柵壩。該壩型適用于坡度較陡，河床為礫石、卵石的山溪性河流，當水流中帶有大量的礫石、卵石及粗砂時，底欄柵可以防止大量泥沙入渠。當河水從壩頂溢流時，部分或全部水流經欄柵空隙進入廊道，然后由廊道一端流入引水隧洞。河流中的推移質，除細顆粒隨水流進入廊道外，其余的礫石及卵石則隨水流由欄柵頂部沖向下游，而進入廊道的細沙則沉淀在引水隧洞閘門前的沉沙井里，再在沉沙井底部設置沖砂孔通至下游河道。設計布置參見圖1、圖2、圖3。

圖1 底格欄柵壩平面布置圖

圖2 底格欄柵壩下游立視圖

圖3 底格欄柵壩剖視圖

3 輸水廊道設計

3.1 引水流量確定

本工程引水壩與右岸引水隧洞連接，洞軸線與壩軸線平行。隧洞洞徑選擇與引水量以及施工斷面相關。由于本工程引水量相對較小，全年150.7萬m3，約占槎溪左支多年平均徑流量49.6%，因此洞徑選擇時以最小施工斷面控制，最終選擇隧洞開挖斷面2.2 m×2.5 m，考慮局部襯砌后隧洞凈空尺寸1.6 m×2.0 m。隧洞最終襯砌方式根據地質條件分三種情況：Ⅱ類圍巖，不采取工程措施，僅對巖壁松動碎巖進行清理；Ⅲ類圍巖，采取噴錨支護；Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用混凝土全斷面澆筑襯砌支護，根據三種襯砌方式，采用不同的過水斷面以及糙率綜合計算無壓隧洞最大過流能力為5.2 m3/s。

3.2 輸水廊道長度確定

本工程輸水廊道長度考慮與溢流壩段長度一致，因此轉化為確定溢流壩段長度即可。引水壩泄流需滿足隧洞不引水條件下，壩體能獨立進行泄流，泄流能力按如下公式計算：

式中 Q泄——下泄流量，因為不考慮水庫調蓄能力，也即為河道來流量；

ε——側收縮系數；

σ——淹沒系數；

m——寬頂堰流量系數；

B——溢流段長度，也即需確定的廊道長度；

g——重力加速度；

H0——考慮行進流速水頭的堰頂水頭。該攔河水閘建筑物級別為5級[1～2]。由于該引水壩年供水量小，且最大壩高5.1 m，重要性一般，可考慮取低限。最終選擇設計洪水標準為10年一遇，洪峰流量25.9 m3/s，校核洪水標準為20年一遇，洪峰流量32.5 m3/s；結合實際河床，綜合比選合適的堰頂高程以及泄流寬度，最終選擇泄流寬度10 m，滿足過流能力，亦即輸水廊道長度取為10 m。

3.3 輸水廊道寬度及深度確定

廊道寬度可根據廊道長度、引水流量、格柵條件以及廊道壓力狀態進行確定，采用E.A.扎馬林計算方法，該方法假定流經底格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僅與該點壓力有關[3～4]。因此，進入廊道的流量為：

式中 Q進——進入廊道的流量（m3/s）；

μ——流量系數，隨柵條的坡度、形狀及水流情況而變，本工程柵條斷面采用梯形、柵條高度與柵隙寬度比為5，柵條坡度為1∶10，據此條件，取μ為0.41；

P——欄柵間隙系數[P=s/（s+t），s為柵隙，t為柵條寬度，本工程s、t分別采用10 mm、15 mm]；

B——欄柵的水平投影長度，也即需確定的輸水廊道近似寬度；

L——欄柵垂直水流方向的寬度，本工程取與輸水廊道長度一致，為10 m；

hcp——欄柵上的平均水深[hcp=（h1+h2）/2=0.8（hk′+h′′）/2，h1、h2分別為欄柵上、下游邊緣水深；hk′、h′′分別為欄柵上、下游邊緣臨界水深，hk′=（q12/g）1/3；hk′′=（q22/g）1/3；q1=Q1/L；q2=Q2/L=（Q1-Q進）/L，Q1、Q2分別為欄柵上、下游邊緣流量]。

現根據上游河道不同來流量進行計算，并選擇三組B值。計算成果見表1。

表1 計算成果表

根據計算成果可知，當天然河道來流量為6.9 m3/s時，要滿足廊道引水量達到6.9 m3/s時，廊道寬需2.5 m。考慮施工及運行時檢修方便，B推薦為1.6 m寬，此時要滿足廊道引水量達到6.9 m3/s時，上游河道來流量需達到8.8 m3/s，小于上游常遇洪水13.4 m3/s。當上游河道來流大于6.9 m3/s時，廊道進水流量從6.9 m3/s增至13 m3/s。考慮隧洞引水安全，進流量大于6.9 m3/s時，可利用右側設置的沖砂孔宣泄部分洪水和隧洞進口工作閘門控制引水流量。

根據以上計算分析，最終選擇廊道寬度值為1.6m，在上游來流大于6.9 m3/s時，能保證格柵進流能力滿足引水需要，同時較多的流量通過右側沖砂孔宣泄至下游。

廊道深度根據引流量6.9 m3/s以及右側隧洞進口水深1.2 m作為邊界條件，由于廊道內水流情況與側槽溢洪道的側槽水流形態基本相似，故可應用計算側槽內水面曲線的方法來計算廊道內的水面曲線。計算方法采用海因茲所提出的差分法。計算公式如下：

式中 △x——計算流程長度；

△z——計算流程△x兩端斷面的水位差；

v1、v2——計算流程上、下游斷面的平均流速；

Q1、Q2——計算流程上、下游斷面通過的流量，Q2=Q1+q△x；

q——側向入流的單寬流量。代入相關數據，經計算，水深0.8～1.2 m，最終擬定取水廊道尺寸為寬1.6 m，長10 m，左側起始深度1.2 m，右側末端深度1.8 m，縱坡6%。

4 結 語

底格欄柵壩具有設計形式簡單，造價低廉，施工方便快捷，運行管理方便靈活，檢修容易，多適用于河床較窄、水深較淺、河底縱坡較大、大顆粒推移質特別多、取水量比例較大的山溪河流。本文通過實際工程，詳細介紹了底格欄柵壩的形式選擇及尺寸擬定、水力設計等，對于類似工程具有參考意義。