苏布雷水电站尾水渠水力学分析

王树平,陈世才,喻 畅

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)



苏布雷水电站尾水渠水力学分析

王树平,陈世才,喻 畅

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

苏布雷水电站尾水渠长度较长，布置较复杂，要求在满足尾水出流功能的同时要尽量改善尾水流态，降低水头损失以满足电站水轮机及发电机出力要求，并尽量减少开挖及混凝土工程量。本文针对经多方比较确定的尾水渠推荐布置方案进行尾水渠水力学分析，计算水头损失，推求渠道水面线，验证了各工况下尾水闸前水位能满足水轮机及发电机出力要求，尾水渠布置及底板、边墙的衬砌范围设置是合适的。

长尾水渠；恒定非均匀渐变流；当量糙率；水头损失；水面线

1 工程概况

苏布雷水电站位于科特迪瓦西南部，萨桑德拉河中下游河段纳瓦(Nawa)瀑布附近，坝址距首都阿比让约350 km，水库集水面积约6.2万km2，为日调节电站。电站厂房型式为地面厂房，厂内安装3台混流式机组，单机容量90 MW，总装机容量270 MW。

电站尾水渠沿原河床开挖形成，总长约2 072.67 m。尾水渠由反坡段、渐变段、顺坡段及出口段组成，断面形状由梯形渐变到矩形，底宽为24～66.8 m，起始端高程为89.6 m，末端高程为101.5 m，渠道开挖基础均为基岩。尾水渠出口上游侧有一跨河桥，该桥需拆除并原址重建。渠道通过底板及局部边墙混凝土衬砌的方式来降低糙率，保证机组出力要求。尾水渠布置见图1。

图1 苏布雷水电站尾水渠布置

为满足水轮机与发电机出力要求，在尾水渠出口上游侧桥梁原址重建的前提下，根据业主的要求，采用美国规范对尾水渠进行了水头损失计算和水面线推求，验证尾水水位是否满足出力要求以及尾水渠结构布置的合理性。

2 计算基本资料及参数选取

2.1 流 量

厂房单机引用流量为238 m3/s，PMF洪水流量为5 500 m3/s，上游河道生态流量按50 m3/s过流。

尾水渠出口水位流量关系曲线采用招标文件中的水位流量关系曲线(见图2)。

2.2 出力要求

为满足电站三台机满发情况下，单机水轮机出力90 MW和单机发电机出力90 MW的要求，需要限制尾水最高水位，经计算，控制水位见表1。

2.3 糙率的选取

渠道糙率对于尾水渠水力学分析至关重要，本项目为国外工程，糙率按美国垦务局《混凝土重力坝设计》以及美国陆军工程兵团《溢洪道设计》中相关要求进行选取。

图2 尾水渠出口水位流量关系曲线

项 目数值水库正常蓄水位/m152．0引水钢管水力损失/m0．9尾水管出口闸门口局部损失/m0．3重力加速度/m2·s-19．78水的密度/kg·m-3997水轮机流量/m3238水轮机效率/%94发电机效率/%98水轮机出力/MW90发电机出力/MW90水轮机出力90MW对应尾水位/m109．5发电机出力90MW对应尾水位/m108．7

2.3.1 国外规范中的糙率取值

(1)美国垦务局《混凝土重力坝设计》给出的设计人工渠道常用的糙率n值见表2：

表2 美国垦务局设计人工渠道常用的n值

(2)美国陆军工程兵团《溢洪道设计EM 1110-2-1603》给出的有效糙率k值换算成n值的计算：

式中f——为阻尼系数，为无量纲参数；

R——为水渠的水力半径，单位为英尺。

换算得到的n值见表3。

(3)综合以上标准对糙率的规定，不衬砌明渠边墙、底板糙率n值取偏于保守的0.033；衬砌后糙率n值取0.014。

2.3.2 当量糙率的计算

尾水渠结构设计在满足水力要求的同时，应尽量减少开挖及混凝土工程量，尾水渠各分段采用不同的衬砌形式。渠道湿周各部分的糙率不同时，可采用下述方法求得当量糙率n当作为全断面统一的糙率，进行水力计算。

设总湿周x的各组成部分x1、x2…xN所对应的糙率分别为n1、n2…nN,其中最大的糙率为nmax，最

表3 美国陆军工程兵团有效糙率k值及换算n值

小的糙率为nmin，其当量糙率的计算公式如下：

当nmax/nmin≤2时：

当nmax/nmin>2时：

3 水力学分析

3.1 局部水头损失计算

式中 ξ——局部水头损失系数;

v——水流流速或平均流速。

(2)桥墩局部水头损失。对尾水渠靠近出口处的跨河桥，根据桥及桥墩的结构形式，本计算中对桥墩的局部水头损失采用拦污栅模型：

式中 β——栅条形状系数;

s——栅条宽度；

b——栅条间距；

α——栅面倾角；

v——过栅平均流速。

(3)局部水头损失计算结果。根据尾水渠的布置，分别对各个产生局部水头损失的部位进行计算，结果见表4。

表4 尾水渠局部水头损失计算

3.2 尾水渠水面曲线推求

尾水渠按渠道非均匀流进行水面线推求，主要是求出沿程各断面的水深，即水面曲线。

棱柱形渠道水面曲线的基本微分方程：

式中h——水深/m；

l——流程长度/m；

J——水力坡度；

Fr——佛汝德数。

水面曲线的定量计算：用分段求和法求水面曲线，即把非均匀流分成若干段，利用能量方程由控制水深的一端逐段向另一端推算。其基本计算公式为：

式中 Δli——流段长度,m；

vi、vi+1——分别表示断面平均流速,m·s-1；

非棱柱形渠道水面曲线的计算：同样采用分段求和法，因此计算公式同棱柱形渠道。计算方法如下：

假设起始断面和终止断面的底宽与边墙系数分别为：b1、b2、m1、m2，再把渐变段分成n段，每小段的长度为Δl。则第n段和第n+1段的底宽分别为：

bn=b1+(b2-b1)nΔl/l

bn+1=b1+(b2-b1)(n+1)Δl/l

mn=m1+(m2-m1)nΔl/l

mn+1=m1+(m2-m1)(n+1)Δl/l

式中l——渠道总长，m；

Δl——每段流程长，m。

设n断面的水深已知为hn，由bn、mn可算出Esn。

只需计算出n+1断面的Cn+1、Rn+1、νn+1、En+1即可，而它们均是hn+1的函数。

3.3 计算成果及分析

3.3.1 计算成果

根据以上水文资料及计算方法，分别推算了一台机、两台机、三台机及PMF洪水工况下的尾水渠水面线，推求得尾水渠入口(厂房尾水管出口)水位见表5。

其中，三台机发电工况下推求得水面线见图3。

3.3.2 成果分析

根据以上分析计算，三台机发电情况下，水面线推求得尾水管出口水位为108.62m，能够同时满足水轮机及发电机出力满发要求；PMF洪水情况下，尾

表5 尾水管出口水位推算值

图3 尾水渠水面线示意

水管出口水位为111.69m，低于厂区地面高程115.40m，满足厂房防洪要求。

根据水力学分析，尾水渠各分段采用不同的衬砌形式，结构设计在满足水力要求的同时，减少了开挖及混凝土工程量，尾水渠布置及底板、边墙的衬砌范围设置是合适的。三台机发电工况下，分别满足水轮机和发电机出力满发尾水位要求的尾水渠底板和边墙衬砌范围(见表6)。

表6 尾水渠底板及边墙衬砌长度

4 结 语

苏布雷水电站尾水渠长度超过2km，是少有的长尾水渠电站。通过水力学分析，表明尾水渠水位能够满足电站出力要求及防洪要求，验证了结构布置的合理性。工程设计相关的尾水渠计算书、结构及开挖图已经获得了咨询工程师的认可，正在进行施工。本设计中采用国外规范的计算方法及参数要求进行尾水渠水力学分析，对今后类似的国外水电站尾水渠水力学计算分析有一定借鉴作用。

[1] 吴持恭.水力学[M].高等教育出版社，1982.

[2] 李荣.关于影响曼宁糙率系数n值的水力因素探讨[J].水利学报,1989,(12):62-66.

[3]UNITEDSTATESDEPARTMENTOFTHEINTERIOR.DESIGNOFGRAVITYDAMS[J].AWaterResourcesTechnicalPublication,1976.

[4]DepartmentoftheArmyU.S.ArmyCorpsofEngineersEM1110-2-1603,HYDRAULICDESIGNOFSPILLWAYS[J].DistributionRestrictionStatement, 1992.

2016-03-21

王树平(1977-)，男，吉林白山人，高级工程师，从事水工设计工作。

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