光明水电站取水枢纽设计

余华

（岚皋县水利工作队 陕西 岚皋 725400）

1 工程概况

光明水电站工程位于岚皋县境内的岚河中游，为径流式电站，主要任务是发电，工程由取水枢纽（溢流坝、进水闸、冲沙闸）、无压引水隧洞、压力前池、压力管道、电站厂房和变电站等主要建筑物组成。设计水头为18m，装机容量4000kW，设计引水流量27.16m3/s，多年平均发电量1652万 kW·h。

该水电站取水枢纽位于花里镇下游2.5km处，距岚皋县城上游22.5km，有岚镇公路（S207省道）从此通过，交通便利。取水枢纽段河床宽40m～60m，呈U型，向上游稍宽，下游则河流坡降较大，两岸对称性良好，河床左侧基岩出露良好，右侧覆盖层较厚，基岩为辉石闪长岩，属硬质岩。工程地质条件、坝址地基抗渗条件、边坡稳定条件良好。

2 设计依据

2.1 工程等级及建筑物级别

光明水电站为无压引水径流式电站，以发电为主，电站装机容量4000kW。根据《防洪标准》(GB50201-94)及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规范确定，本工程为Ⅴ等小(2)型，主要建筑物及次要建筑物级别为5级。确定取水枢纽永久性水工建筑物设计洪水标准为20年一遇，相应洪峰流量1430m3/s；校核洪水标准100年一遇，相应洪峰流量1750m3/s。

2.2 主要设计规程规范

(1)《防洪标准》(GB50201-94)；

(2)《水利水电工程等级划分及标准》(SL252-2000)；

(3)《小型水力发电站设计规范 (试行)》(GBJ71-84)；

(4)《水电站进水口设计规范》；

(5)《浆砌石重力坝设计规范》(SL－91)；

(6)《水闸设计规范》(SL265-2001)；

(7)《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057-1996);

(8)《水工建筑物荷载设计规范》(SD/T5077-1997)；

(9)《水工建筑物抗震设计规范》(SD/T5073-1997)。

3 工程布置

光明水电站取水枢纽由溢流坝、冲砂闸和进水闸等部分组成。

溢流坝为浆砌石重力坝，坝顶高程469.80m，溢流宽度60.5m；坝面曲线采用复合圆弧组成，坝底宽7m，最大坝高7m。

冲砂闸布置在溢流坝左坝肩，轴线与坝轴线垂直，闸底板高程为466.60m，孔口尺寸为4.0m×3.0m（宽×高）。

进水闸紧靠冲砂闸布置，其轴线与冲砂闸轴线垂直，设计引流量27.16m3/s，分两孔进水。单孔尺寸为4.0m×2.5m（宽×高），闸底板高程为467.60m，闸后通过斜坡段、消力护坦、渐变段与引水隧洞连接。

4 建筑物设计及水力计算

4.1 设计基本参数

砼容重：2.4t/m3，砌体容重：2.3t/m3，岩石天然容重：2.50g/cm3，砌体与岩基摩擦系数0.60。

4.2 泄流能力计算

4.2.1 泄流量计算

本工程属于低坝，溢流坝面采用复合圆弧组成。泄流量包括三部分：溢流坝泄流量、冲砂闸泄流量、左岸坝段泄流量。

（1）溢流坝泄流量Q1按下式计算

式中，H0——水头（m）；

ε1——侧 收 缩 系数，ε1＝1-2（Ka+（n-1）Kp）H0/nb，Ka＝0.1，n＝1，b＝60.5m；

B——溢流堰长度（m），B＝60.5m；

σs、m——分别为淹没系数和流量系数，根据溢流坝上、下游水位变化查有关水力学计算图表确定。

（2）冲砂孔泄流量Q2按下式计算

式中，μ2——流量系数，μ2＝0.75；

A2——孔口面积（m2），A2＝12；

Hz——计算水头（m），按进出口水位确定。

（3）左岸坝段泄流量Q3按下式计算

式中，H0——水头（m）；

B——溢流堰长度（m）；

σc——淹没系数，σc＝1；

m——流量系数，按宽顶堰偏安全取m＝0.32。

经计算得：H0＝5.41m时，总泄洪流量为1436m3/s；H0＝6.50m时，总泄洪流量为1775m3/s；

4.2.2 坝上游静水位计算

式 中 ，Δ坝——坝 顶 高 程 ，Δ坝＝469.80m；

H——坝上静水位，用公式H0＝H+Q2/（2gA2）试算，A为坝上游过水面积。

经计算最确定坝上游二十年设计洪水为473.86m；百年校核洪水位为474.57m。

4.3 进水闸水力计算

4.3.1 设计依据

溢流坝坝顶高程为469.80m，进水闸底板高程为467.60m，二十年设计洪水位为473.86m，一百年校核洪水位为474.57m，进水口设计引水流量为27.16m3/s（包括加大3%），隧洞断面为4.2m×6.042m（宽×高），洞内正常水深为4.8m。

4.3.2 进水口水力计算

拟取孔口净宽为8m，分为两孔。中墩宽1m，上、下游墩头均采用圆弧形，进口堰坎为直墙。

按淹没宽顶堰计算，计算公式：

（1）闸前全水头

闸前全水头应等于闸室前进口水深减去由进口至闸前间的水头损失h总（由进口损失、拦污栅损失及检修门槽损失三部分组成）。根据相关参数计算得水头损失h总为0.198m；闸室前进口水深为2.20m，由此可得闸前全水头为2.002m。

（2）淹没系数σs

根据进口闸底板高程和隧洞进口底板高程，需在闸后设陡坡与隧洞连接，因洞内水深为4.8m，水位高于闸底板1.83m（hs＝1.83m）。由 hs＞0.8H0＝1.60m，故为淹没出流。根据hs/H0＝0.914，查得σs＝0.8。

（3）流量系数m

按堰顶入口为直角的宽顶堰经验公式计算：m＝0.32+0.01（3-P1/H）/（0.46+0.75P1/H）

由：P1＝1.O，H＝2.2，则m＝0.352。

（4）侧收缩系数ε

闸、边墩头部为圆弧形，堰顶入口边缘为直角的宽顶堰。a0＝0.01，b＝4，B＝4.5，则ε=0.985。

将各已知值代入堰流计算公式得：

由上述计算结果可知，进水口所拟尺寸满足设计过流量要求。

4.3.3 闸孔出流水力计算

由前可知，闸孔出流是按淹没出流设计考虑的，因此在水力计算时按最不利情况下（校核洪水位）进行验算，看其计算结果是否满足要求。

（1）闸门开启度

利用孔口出流流量公式进行计算：

已知 Q＝27.3m3/s，H＝6.97m，得 V0＝0.487m/s，H0＝6.982m，取流速系数 Φ＝0.95，垂直收缩系数 ε2＝0.612。

u＝ε2·Φ·（1-ε2·e/H0）0.5，经试算得e＝0.511m。

（2）收缩断面水深

计算时根据闸前基准断面0－0和闸后收缩断面C－C列能量方程。

0－0 断面：E0＝2.97+6.97＝9.94m

C－C 断面：EC＝hC+q2/（2g·Φ2·hC2），其中，q——单宽流量为3.018m3/s，Φ——流速系数Φ＝0.9。

假定 hC试算，使 E0＝EC，经计算得hC＝0.241m。

（3）跃后水深h"C

其计算公式：hC"＝hC/2·（（1+8q2/（ghC3））1/2-1）

根据计算结果可知，跃后水深h"＝

C2.659m小于隧洞内正常水深4.80m，满足淹没出流要求，故不需修消力池。

4.3.4 护坦长度计算

根据水力计算，虽可不修消力池，但闸后段必须按护坦的要求进行结构衬砌，其衬砌长度可按消力池长度来计算。

取LK＝11m。

4.4 消能防冲设计与基础处理

4.4.1 消能防冲设计

因坝基全部坐落基岩上，且坝体嵌入河床以下较深，最深处达5m，故暂不设消能工。如果在运行期间出现坝下游受洪水掏刷，再顺坝轴方向在坝下游做铅丝捆笼保护坝基。

4.4.2 基础处理

（1）坝基开挖要求达到新鲜基岩或微风化层。河床左段开挖深度2m～3m，右侧部分开挖深度9.5m，两岸开挖深度2m～3m。

（2）固结灌浆。固结孔布置排距为3m，呈梅型布置，孔深入基岩5m。

4.5 两岸连接及上下游防护设计

在右坝肩设护坡，上、下游设翼墙；左岸上游设翼墙与进水闸相接，下游翼墙与冲砂闸末端相连。翼墙结构为M7.5水泥砂浆砌石。

5 结语

光明水电站取水枢纽设计依据现场地形条件等实际情况，对所设计的建设筑物均进行了精确计算和理论分析。通过光明水电站三年多的运行情况看，该设计合理，各项指标均能满足该水电站的相关技术要求，在同类小型水电站中具有一定的参考价值，其设计过程可供借鉴。陕西水利