某电站取水头部底格栏栅坝水力学计算

孙培学，俞凯加

(1.安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，合肥 230088； 2.浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002)

0 引 言

某电站工程首部枢纽工程区两岸植被茂密，左岸山体较陡，地形坡度约50°～60°，右岸山体地势略缓，地形坡度约20°～30°，河水面宽10～20 m。坝址区出露基岩岩性为更新统多巴组(Tob)凝灰岩。河床覆盖层主要为冲积砂砾卵石层，含较多漂石，厚度一般10～15 m。两岸岸坡及坡脚均分布有崩坡积碎、块石土，厚度一般2～8 m，右岸地势较缓地带分布有坡残积粉砂质黏土，厚度一般10～20 m。由于河道狭长、河流湍急，河水常年夹杂大量大颗粒推移质。

拟建电站的引水流量21.9 m3/s，底格栏栅坝坝址处具备修建集引水、挡水、泄洪功能的条件，该取水方式具备结构简单、耗材少、施工方便等优点。底格栏栅坝取水口设计的关键是进流水利计算和取水廊道的水利计算，同时为保证泄洪安全，溢流坝泄流能力复核计算也很重要，现分述如下。

1 首部枢纽设计

首部枢纽建筑物布置从右至左依次为右岸挡水重力坝、底栏栅进水口及溢流坝，全长共142.95 m，最大坝高10.5 m。水流经底栏栅进入廊道，经引水暗渠后，引入沉沙池。

底栏栅坝布置于主河床上，坝长38 m，底宽8.0 m，坝高4.0 m，建基面高程667.50 m，坝顶高程672.00 m。坝顶采用曲线型梯形堰，坝面倾向下游，倾斜坡比为1∶10。采用双排取水廊道，第一排廊道中心线离上游坝面2.5 m，第二排廊道中心线离上游坝面5.5 m，取水廊道水平宽度均为2.0 m，廊道高1.0～3.0 m，底坡5.26%。底栏栅坝下游接长24 m的护坦，护坦顶面高程667.35～667.23 m。护坦末端设深4.0 m的消能防冲齿槽。

底栏栅坝左岸布置溢流坝段，全长68.0 m，共分6个坝块，底宽与底栏栅坝相同，坝顶高程673.00 m，较底栏栅坝坝顶高1.0 m。溢流坝采用WES实用堰，下游坡比1∶1。右岸挡水重力坝坝长15.20 m，坝顶宽3.0 m，最大坝高10.5 m。坝上游设混凝土水平铺盖和帷幕灌浆进行防渗，铺盖长度10.0～11.0 m，铺盖前缘设置深2.0 m齿槽，末端设1.0 m深齿槽。溢流坝下游接长15 m的混凝土护坦，护坦顶面高程668.00～667.85 m。见图1。

图1 首部枢纽布置图

2 引水水力计算

主要包括底格栏栅的进流计算和进水廊道的水力学计算两部分。

2.1 底格栏栅进流计算

底格栏栅的进流计算采用E.A.扎马林计算方法，该方法假定流经底栏栅表面水流的内部压力按静水压力分布考虑，进入廊道水流的铅直方向流速ν仅与该点压力有关[1]，即：

(1)

改良评估量表由一般情况、感觉与体位、神志、疾病情况4个方面组成，每个方面又包含有数个具体项目，每个项目后面有对应分值；量表具有明确的评分标准，评分范围为0到45分，分值越高患者发生压疮的危险性越高。

(2)

当栏栅顶水流全部进入底格栏栅的廊道，h2=0，式(2)变为：

(3)

单宽流量为：

(4)

当天然来水量小于或等于引用流量21.9 m3/s时，应将天然来水全部引入栏栅廊道内。计算结果见表1。

表1 单宽流量计算表

本工程采用双排廊道取水，第一排廊道取设计引用流量的65%，第二排廊道取设计引用流量的35%，即：

对靠近上游的廊道，计算长度为：

对靠近下游的廊道，计算长度为：

设计底栏栅过流宽度为38.00 m，满足引水要求。

表2 底格栏栅进流计算结果表

2.2 取水廊道水力计算

进水廊道为无压流，采用差分法计算。分段水头损失计算公式：

(5)

(6)

为防止廊道内发生淤积，廊道首端流速要求不小于1.2 m/s，末端不小于2.5～3.0 m/s。本工程计算时，首段流速取1.2 m/s，末端流速取2.5 m/s。各分段流速可按下式计算：

v=a(x-c)+v0

(7)

式中：c为栏栅边距，m，本工程取0.1 m；v0为廊道首端流速，m/s，本工程取1.2 m/s；a为比例系数，经计算a=0.034 3。

以靠近上游的廊道为例，进水流量为14.24 m3/s，廊道水平长度38.0 m，底宽2.0 m，计算分段19段，计算结果见表3。

表3 底格栏栅廊道计算结果表

续表3

3 泄洪能力复核

工程首部建筑物设计洪水20年一遇，相应洪水流量1 513 m3/s；校核洪水标准50年一遇，相应洪水流量1 731 m3/s。泄洪时，左岸的溢流坝段和底栏栅坝段参与泄洪。溢流坝段的泄流计算暂按Ⅲ型折线实用堰计算，底栏栅坝段的泄流计算按宽顶堰流计算。

溢流坝段泄洪能力按下述公式计算：

(8)

(9)

(10)

相关系数的计取参考《溢流堰设计规范》(SL 253-2018)[2]。

底栏栅坝段泄洪能力按下述公式计算：

当hs/H≥0.8时，为淹没出流：

(11)

当hs/H<0.8时，为自由出流：

(12)

相关系数的计取参考《溢洪道设计规范》(SL 253-2018)[2]和《水力学计算手册》[3]，计算结果见表4。

表4 泄流能力计算成果表

4 结 语

1) 底格栏栅取水结构简单，耗材少，施工方便，取水量较大，在推移质含量大、河床较窄的山溪河流取水工程中使用较多。

2) 本工程采用双进水廊道设计长度38.00 m、宽2.0 m，满足工程引水21.9 m3/s规模要求。

3) 溢洪道和底格栏栅同时参与泄洪，其中溢流坝段泄流宽68.0 m，底格栏栅坝泄洪宽38.0 m，满足枢纽建筑物20年一遇设计、50年一遇校核标准下的泄洪要求。