毛利鑫，何鐵炎

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 工程概況

大湖坪水庫位于安化縣東坪鎮(zhèn)大湖村境內(nèi)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(tài)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(duì)于河床寬度，壩址洪水流量大，且由于壩矮庫小，計(jì)算於沙量大于有效庫容，采用常規(guī)壩前取水口，取水效率低，且需經(jīng)常性進(jìn)行沖砂。根據(jù)河道特點(diǎn)，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(dāng)水流中帶有大量的礫石、卵石及粗砂時(shí)，底欄柵可以防止大量泥沙入渠。當(dāng)河水從壩頂溢流時(shí)，部分或全部水流經(jīng)欄柵空隙進(jìn)入廊道，然后由廊道一端流入引水隧洞。河流中的推移質(zhì)，除細(xì)顆粒隨水流進(jìn)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(jìn)入廊道的細(xì)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(shè)置沖砂孔通至下游河道。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

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(guān)。由于本工程引水量相對(duì)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(shí)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(jù)地質(zhì)條件分三種情況：Ⅱ類圍巖，不采取工程措施，僅對(duì)巖壁松動(dòng)碎巖進(jìn)行清理；Ⅲ類圍巖，采取噴錨支護(hù)；Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用混凝土全斷面澆筑襯砌支護(hù)，根據(jù)三種襯砌方式，采用不同的過水?dāng)嗝嬉约安诼示C合計(jì)算無壓隧洞最大過流能力為5.2 m3/s。

3.2 輸水廊道長(zhǎng)度確定

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

式中 Q泄——下泄流量，因?yàn)椴豢紤]水庫調(diào)蓄能力，也即為河道來流量；

ε——側(cè)收縮系數(shù)；

σ——淹沒系數(shù)；

m——寬頂堰流量系數(shù)；

B——溢流段長(zhǎng)度，也即需確定的廊道長(zhǎng)度；

g——重力加速度；

H0——考慮行進(jìn)流速水頭的堰頂水頭。該攔河水閘建筑物級(jí)別為5級(jí)[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(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，洪峰流量25.9 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，洪峰流量32.5 m3/s；結(jié)合實(shí)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(zhǎng)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(jù)廊道長(zhǎng)度、引水流量、格柵條件以及廊道壓力狀態(tài)進(jìn)行確定，采用E.A.扎馬林計(jì)算方法，該方法假定流經(jīng)底格欄柵表面水流的內(nèi)部壓力按靜水壓力分布考慮，進(jìn)入廊道水流的鉛直方向流速僅與該點(diǎn)壓力有關(guān)[3～4]。因此，進(jìn)入廊道的流量為：

式中 Q進(jìn)——進(jìn)入廊道的流量（m3/s）；

μ——流量系數(shù)，隨柵條的坡度、形狀及水流情況而變，本工程?hào)艞l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(jù)此條件，取μ為0.41；

P——欄柵間隙系數(shù)[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(zhǎng)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(zhǎng)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(jìn)）/L，Q1、Q2分別為欄柵上、下游邊緣流量]。

現(xiàn)根據(jù)上游河道不同來流量進(jìn)行計(jì)算，并選擇三組B值。計(jì)算成果見表1。

表1 計(jì)算成果表

根據(jù)計(jì)算成果可知，當(dāng)天然河道來流量為6.9 m3/s時(shí)，要滿足廊道引水量達(dá)到6.9 m3/s時(shí)，廊道寬需2.5 m?？紤]施工及運(yùn)行時(shí)檢修方便，B推薦為1.6 m寬，此時(shí)要滿足廊道引水量達(dá)到6.9 m3/s時(shí)，上游河道來流量需達(dá)到8.8 m3/s，小于上游常遇洪水13.4 m3/s。當(dāng)上游河道來流大于6.9 m3/s時(shí)，廊道進(jìn)水流量從6.9 m3/s增至13 m3/s。考慮隧洞引水安全，進(jìn)流量大于6.9 m3/s時(shí)，可利用右側(cè)設(shè)置的沖砂孔宣泄部分洪水和隧洞進(jìn)口工作閘門控制引水流量。

根據(jù)以上計(jì)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(shí)，能保證格柵進(jìn)流能力滿足引水需要，同時(shí)較多的流量通過右側(cè)沖砂孔宣泄至下游。

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

式中 △x——計(jì)算流程長(zhǎng)度；

△z——計(jì)算流程△x兩端斷面的水位差；

v1、v2——計(jì)算流程上、下游斷面的平均流速；

Q1、Q2——計(jì)算流程上、下游斷面通過的流量，Q2=Q1+q△x；

q——側(cè)向入流的單寬流量。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，水深0.8～1.2 m，最終擬定取水廊道尺寸為寬1.6 m，長(zhǎng)10 m，左側(cè)起始深度1.2 m，右側(cè)末端深度1.8 m，縱坡6%。

4 結(jié) 語

底格欄柵壩具有設(shè)計(jì)形式簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，施工方便快捷，運(yùn)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(zhì)特別多、取水量比例較大的山溪河流。本文通過實(shí)際工程，詳細(xì)介紹了底格欄柵壩的形式選擇及尺寸擬定、水力設(shè)計(jì)等，對(duì)于類似工程具有參考意義。