黄河上游某水电站工程导流水力学计算分析

权 锋，靳海娟

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；2.渭南市瑞泉中学，陕西 渭南 714000）

1 工程概况

本工程位于黄河上游干流上，工程开发主要任务是发电，并兼顾下游灌溉供水。工程规模属三等中型工程，主要建筑物为Ⅲ级，枢纽建筑物主要由厂房、泄洪闸、左岸混凝土防渗墙及右砂砾石坝组成，厂房、泄洪闸、左岸防渗墙布置在左岸滩地。混凝土坝最大坝高44.5 m。厂内安装4 台贯流式水轮发电机组，泄洪闸为3 孔，闸室后设消力池、混凝土护坦、钢筋笼海漫。右砂砾石坝由砂砾石填筑，上下游预制混凝土块和钢筋笼护坡，基础和坝身采用混凝土防渗墙防渗，最大坝高为27.5 m。

2 自然条件

2.1 地形地质条件

本工程峡谷段两岸呈不对称的“U”型，左岸高陡，右岸相对平缓。两岸发育河流Ⅰ～Ⅲ级阶地，其中左岸为Ⅰ、Ⅱ级冲、洪积侵蚀堆积阶地，台面高出河水面8 m～12 m，阶面宽500 m～600 m；右岸一带的Ⅰ、Ⅱ级冲洪积侵蚀堆积阶地地形开阔平坦，台面高程和宽度与左岸基本一致，Ⅲ级阶地高出河水面25 m，Ⅲ级阶地地基由第三系红层组成，岸坡较陡。

2.2 水文条件

根据《黄河上游河段防洪初步规划报告》，坝址分期设计洪水成果见表1，坝址水位～流量关系曲线见表2。

表1 坝址分期设计洪水成果表 流量：m3/s

表2 坝址水位～流量关系曲线

3 导流方式及标准

（1）导流方式

本工程采用围堰分期拦断河床的导流方式进行导流，一期采用纵向围堰挡水，扩挖后的主河床过流，泄洪闸、厂房全年施工；二期采用围堰拦断主河床，泄洪闸过流，右砂副坝进行施工。

（2）导流标准

本枢纽工程属中型三等工程，泄洪闸、电站厂房、砂砾石坝等主要建筑物级别为3 级，次要建筑物级别为4 级。一期导流采用10 年一遇设计洪水标准，相应流量为3730 m3/s。二期导流采用枯期围堰，设计采用枯水期20 年一遇洪水标准，相应枯水期导流流量为1780 m3/s，二期围堰与右岸副坝结合布置。

4 一期导流水力学计算

通过水力学计算确定一期导流全年纵向围堰的堰顶高程，一期过流建筑物为扩挖后的主河床，本次计算可简化为明渠，初拟明渠底宽为80 m。一期施工导流平面布置见图1，一期施工导流典型横剖面见图2。

图1 一期施工导流平面布置图

图2 一期施工导流典型横剖面图

4.1 计算正常水深h0

正常水深比公式：

式中：Q 为流量，取 3730 m3/s；n 为糙率，取 0.025；m 为边坡系数，取 1.5；i=0.00265；B 为原河床过流宽度，取 140 m；b 为束窄后河床宽度，取80 m。

把数据带入公式中经过迭代，正常水深h0为6.42 m。

4.2 计算临界水深hk

临界水深比公式：

把数据带入公式中经过以下迭代，临界水深hk为5.83 m，由于h0＞hk所以为缓流。

4.3 流态判定

其中，L 为明渠长度，根据一期导流平面布置图，量取为360 m；H 为堰前水深假设为8.47 m；由于L/H=42.50＞20，所以为明渠流。

4.4 明渠水面线计算

根据一期施工导流平面布置图可知，导流明渠长度为360 m，根据水位流量关系曲线可知，下游水深为6.50 m，明渠流为A1型壅水曲线，导流明渠水面线计算成果见表3。

表3 导流明渠水面线计算成果表

4.5 明渠进口壅水计算

由于明渠长度L=360 m，本次水面线计算从由下游推往上游，由上表可查得在明渠进口处的收缩水深为he＝6.42 m，he/H0＝0.75＜0.8 为自由出流。

式中：Q 为流量，取3730 m3/s；m 为流量系数，本次计算取0.385；Bk为临界水深下的平均过水宽度；Bk＝Ak/hk取 88.74 m；b为束窄后河床宽度，取80 m；hk为临界水深；Ak为临界水深下的过水断面面积。

经量测：在临界水深hk为5.829 m 时过水面积Ak为517.29 m2，故 Bk＝Ak/hk=88.74 m。

把数据带入公式中经过迭代，堰前水深H0为8.47 m（此值与假设相同）。

4.6 确定堰顶高程

一期全面纵向围堰下游段高程确定：明渠进口高程为1771.1 m，堰前水深为8.47 m，故堰前水位为：1771.1+8.47＝1779.57 m，超高取1.5 m，一期全年纵向围堰上游段堰顶高程为1781.07 m，取为1781.10 m。

一期全面纵向围堰下游段高程确定：当流量为3730 m3/s时，查坝址处水位流量关系曲线并经计算，一期全年纵向围堰下游段堰顶高程为1777.40 m。

5 水力学模型试验成果

5.1 物理模型设计

按照弗劳德数相似准则设计本试验的物理模型[1]。根据试验场地及供水能力选择模型比尺为30。模拟范围包括一期纵向全年围堰、钢筋笼护坡及天然河道等。采用聚乙稀塑料板和有机玻璃制作河道导流系统，经率定的模型糙率系数约为0.0075，根据模型糙率系数换算至原型的糙率系数为0.012，而原型混凝土糙率系数一般为0.010～0.015，说明本模型试验模型与原型导流系统糙率基本一致。采用溢流式平水槽控制模型水位。导流段河道的水位变化过程、输水流量、河道水流流速分别采用电阻式压力传感器测定、测压管、矩形量水堰、旋浆流速仪等测定[2,3]。试验所量测的数据通过数据采集分析系统进行采集和处理。

5.2 结果分析

（1）水面线确定水力学模型实验成果见表4。

表4 一期导流全年围堰沿程水面变化情况表 单位：m

试验表明：当流量为3730 m3/s 时，全年纵向围堰上游段（堰0+000.00 m～堰0+234.34 m）水位比堰顶高程低1.74 m～2.18 m，该段围堰高度超高略大，可适当降低。下游纵、横围堰相交处（堰0+547.10 m）的水位达1777.70 m，仅比堰顶高程1777.40 m高0.30 m，因此下游段的围堰顶高程应适当加高。

（2）围堰的防护

根据实验，当流量为3730 m3/s 时，最大流速分别为5.5 m/s，一期全年纵向围堰迎水面进行了钢筋笼防护，并在围堰堰角至河道5.0 m 范围内对河道进行了钢筋笼防护，厚度均为1.0 m，试验观察可知，围堰表面的钢筋笼无滚落现象，围堰得到了很好的保护。一期施工期导流模型实验导流明渠流速分布见图3。

图3 一期施工期导流模型实验导流明渠流速分布图

6 对比分析

经过对一期施工期导流明渠水力学计算及模型实验对比分析，围堰上游段高程计算值略高于实验值，围堰下游段高程计算值低于实验值。围堰上游段计算值与实验值相差在14 cm～28 cm 之间；围堰下游段高程低于实验值，与实验值相差在70 cm～80 cm 之间。

经过对计算值与实验值对比分析，围堰上游段计算值高于实验值的原因，在于理论计算时，应取导流明渠进口高程的加权平均值，实际取值是根据地形线进行偏高的取值，而忽略了明渠进口（天然河床）高程的不平整性，从而造成较小差值。围堰下游段计算高程低于实验值的原因，在于下游段高程根据坝址处的水位流量关系曲线，经过河道纵坡计算推算而来，天然河道水位流量关系曲线存在一定的误差，造成了与实验值的差值。在实验后，根据实验成果，对水力学计算及图纸进行了一定的复核及修正，最终确保了图纸的准确性。

7 结论

通过对黄河上游某水电站一期施工导流水力学计算成果及模型实验成果的分析，找出了水力学计算成果与模型实验成果的差别，分析了两者存在差值原因，为水力学计算在明渠进口不规则时高程取值提供了解决方法，对类似水力学计算具有一定的参考价值，同时也为本工程施工期导流设计提供参考依据。