龔斌鋒，葉 永

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 工程概況

巫山某水電站工程屬Ⅴ等小(Ⅱ)型水利工程，電站三號(hào)取水壩按5級(jí)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅲ級(jí)。三號(hào)取水壩主要功能是引水和攔水，即將二號(hào)壩的來(lái)水通過(guò)壩體管道引向電站主渠，同時(shí)還需將上游河谷富余水量引向主渠。三號(hào)壩正常蓄水位571.707 m,設(shè)計(jì)洪水位573.157 m,校核洪水位573.387 m，壩頂高程570.70 m，壩高3.7 m，壩頂全長(zhǎng)18 m。二號(hào)取水壩的來(lái)水量為Q=3.63 m3/s。

2 壩體過(guò)水管徑擬定

由于壩體管長(zhǎng)較短，采用加工工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜、使用壽命長(zhǎng)且承受外壓能力強(qiáng)的鋼筋混凝土管。

壩體過(guò)水管道設(shè)計(jì)流量3.63 m3/s,根據(jù)鋼筋混凝土管經(jīng)濟(jì)流速2～4 m/s，選擇2、2.5、3、3.5和4 m/s進(jìn)行比較分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同管徑損失計(jì)算表

由表1可知，當(dāng)經(jīng)濟(jì)流速取2 m/s時(shí)，總水頭損失最小，此時(shí)管徑為1.52 m,實(shí)際工程管徑取1.6 m較為適宜。

3 溢流壩設(shè)計(jì)

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253-2000)3.3.1條，采用開(kāi)敞式實(shí)用堰時(shí)，堰頂下游宜優(yōu)先采用WES型冪曲線，堰頂上游堰頭可采用雙圓弧、三圓弧或橢圓曲線。

溢流壩頂部曲線是控制流量的關(guān)鍵部位，由于WES壩面曲線的流量系數(shù)較大且剖面較瘦，工程量較省，壩面曲線用方程控制。故近年來(lái)，我國(guó)多采用WES曲線。

3.1 三段圓弧曲線

WES型溢流堰頂部曲線以堰頂為界，分為上游段和下游段兩部分，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在堰頂最高點(diǎn)，上游段采用三圓弧曲線[1]。堰頂上游段堰面曲線按上游壩面為鉛直面時(shí)的三段圓弧曲線[2]，計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 堰頂上游三段圓弧曲線計(jì)算表

3.2 堰面冪曲線

堰頂下游采用WES型曲線，通過(guò)計(jì)算堰面冪曲線方程為：

y=0.261x1.85

(1)

堰面曲線計(jì)算成果見(jiàn)表3，實(shí)用堰剖面見(jiàn)圖1。圖1中Hd為定型設(shè)計(jì)水頭，一般為校核洪水位時(shí)堰頂水頭的75%～95%[3]。

表3 堰頂下游冪曲線坐標(biāo)表

圖1 WES實(shí)用堰簡(jiǎn)圖

3.3 反弧段特征點(diǎn)

圖1中，反弧段特征點(diǎn)為B點(diǎn)、C點(diǎn)和圓心O2。它們坐標(biāo)分別為(Xb，Yb)、(Xc，Yc)和(X0，Y0)，計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 反弧曲面特征點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算表

反弧段最低點(diǎn)(C)高程Z=566.38 m。經(jīng)驗(yàn)算，堰型和堰面曲線滿足規(guī)范3.3.2條要求。

3.4 泄流能力計(jì)算

采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253-2000)中開(kāi)敞式WES型實(shí)用堰的泄流公式：

(2)

式中：Q為設(shè)計(jì)流量，m3/s；ε為側(cè)收縮系數(shù)，設(shè)計(jì)情況下取0.968，校核情況下取0.997；σm為淹沒(méi)系數(shù)；m為流量系數(shù)0.511 5；b為過(guò)流凈寬，m；H0為堰頂水頭。

按以上公式進(jìn)行驗(yàn)算，當(dāng)溢流壩寬度12 m，并未設(shè)置任何設(shè)施時(shí)，凈過(guò)流寬度b=12 m，溢流壩過(guò)流能力計(jì)算見(jiàn)表5。

表5 溢流壩過(guò)流能力計(jì)算表

由表5可知，滿足設(shè)計(jì)流量要求。

為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，假設(shè)最大泄流量為108 m3/s，故可知單寬流量為9 m3/(s·m)。

3.5 反弧半徑R

收縮水深hc按《水力計(jì)算手冊(cè)》式4-2-1計(jì)算：

(3)

式中：q為計(jì)算斷面單寬流量，m3/s；E0為以下游河床為基準(zhǔn)面的泄水建筑物上游總水頭，m；φ為計(jì)算斷面流速系數(shù)，取0.95。

經(jīng)過(guò)試算，hc=1.22 m。根據(jù)規(guī)范3.3.8條，反弧半徑R應(yīng)為hc的3～6倍，即3.66～7.32 m，取R=6.0 m滿足規(guī)范要求。

4 溢流壩抵流消能

4.1 躍后水深

根據(jù)下游采用的消能工形式，本工程采用矩形斷面平底消能工[4]，則應(yīng)用式(5)計(jì)算：

(4)

4.2 護(hù)坦計(jì)算

4.2.1 護(hù)坦長(zhǎng)度

下游護(hù)坦長(zhǎng)度根據(jù)水躍長(zhǎng)度確定，水躍長(zhǎng)度按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253-2000)公式(A.5.1-3)進(jìn)行計(jì)算

(5)

4.2.2 護(hù)坦厚度

護(hù)坦厚度按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2001)公式(B.1.3-1)計(jì)算:

(6)

式中：k1為底板厚度計(jì)算系數(shù)，取0.15；q為單寬流量，m3/s；ΔH為設(shè)計(jì)工況時(shí)上下游水位差，m。

經(jīng)計(jì)算，護(hù)坦厚度D=0.37 m，設(shè)計(jì)厚度可取0.5 m。

4.3 海漫計(jì)算

海漫長(zhǎng)度按《水力計(jì)算手冊(cè)》經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(7)

式中：k2為海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)，取8～9，本次計(jì)算取8；q為單寬流量，m3/s；ΔH為設(shè)計(jì)工況時(shí)上下游水位差，m。

經(jīng)計(jì)算，海漫長(zhǎng)度L=19.9 m，故海漫長(zhǎng)度可定為22 m。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 對(duì)溢流壩的壩型、壩體過(guò)水和消能方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在壩型上選用實(shí)用堰WES曲線，壩體過(guò)水采用管道形式，消能方式采用抵流消能。經(jīng)計(jì)算，得到曲線方程和特征坐標(biāo)點(diǎn)及相應(yīng)的護(hù)坦和海漫長(zhǎng)度，實(shí)際工程運(yùn)行良好。

2) 采用從溢流壩壩體內(nèi)部埋設(shè)管道的方式引水有工程實(shí)際意義。本文僅闡述了有關(guān)壩體水力學(xué)的計(jì)算，關(guān)于壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及基礎(chǔ)防滲處理將專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)研究。