浅析益地龙达河底栏栅取水坝水力学问题

摘 要：根据水力学原理，对底栏栅进行水力学计算，计算包括廊道进水流量计算、联合泄流计算、廊道水面线计算等内容，通过计算为龙达河底栏栅取水坝的结构尺寸拟定提供依据。

关键词：底栏栅 水力计算 水面线 廊道。

1 引言

底栏栅式引水（又叫跌落式引水），即在溢流堰顶铺设栏栅，水流透过栅孔跌落于坝内廊道，并经过水闸流入渠道。凡大于栅孔的砾石或粗砂被阻于栅外，随过堰水流排至河道下游;小于栅孔的粗砂进入渠道，并由渠道沉砂池或排沙闸等进行处理。这种形式用于沙砾和漂石多、河道比降陡的山溪性河流上的中小型引水工程（引水流量通常在10立方米/秒以下，有條件的地方引水流量可达到30立方米/秒）。底栏栅式引水是发展山区水利的一种较好的布置形式，值得研究推广。

2 工程概况

龙达河取水坝主要为益地水电站水力发电提供部分水资源，取水坝布置型式采用底栏栅式。根据DL 5180- 2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》的规定，龙达河取水建筑物按4级设计。设计取水流量为9.6m3/s，考虑沿程渗漏损失约0.4m3/s（按取水流量的4%考虑），则取设计流量为10.0m3/s。

本工程通过底栏栅取水，并与明渠、侧堰以及沉沙池等其他枢纽的联合使用，控制设计使用流量，对底栏栅进行水力学计算，可以为取水建筑物底栏栅的结构尺寸拟定提供依据。

3 廊道进水流量的计算

根据结构布置，初拟廊道宽度b=2.0m，栅条为梯形钢栅条，高为40mm，上底宽为14mm，下底宽为6mm，上底间隙为12mm，下底间隙为20mm，取栅条倾斜坡度i=0.1。由于栏栅间隙常被砾石、树枝、杂草等堵住，实际采用的取水口长度可比计算值增加约30%。

根据《水工设计手册（灌区建筑物）》，当过栅水流部分进入廊道时，其计算公式：

式中 μ——栏栅孔口的流量系数;

L——栏栅长度（垂直于河道水流方向）（m）;

b——栏栅水平投影宽度（m）;

P——栏栅间隙系数;

s——栅条间隙宽（mm）;

t——栅条宽（mm）;

——栏栅顶部的平均水深，，其中h1、h2分别为栏栅上、下游边缘水深。

根据E.A扎马林试验研究，h1比相应临界水深hk1应小10%，h2比相应临界水深hk2应小27%，则：

式中：hk1、hk2——栏栅上、下游边缘临界水深;

Q1、Q2——栏栅上、下游流量;

当过栅流量全部进入廊道时，h2=0，则式（2-3）为：

根据栅条形式，查《水工设计手册（灌区建筑物）》表38-2-12：取μ=0.41。

Q1=10.0m3/s，b=2.0m

将以上数据代入公式（3-3），计算得：L=16.211m。

考虑栏栅间隙常被砾石、树枝、杂草等堵住，实际采用的取水口长度增加30%，L=16.211×1.3=21.075m，则取L=22m。

根据地形地质、工程结构布置条件，取水坝段左侧布置宽21.0m的溢流堰。将取水段和溢流段视为宽顶堰，二者联合泄流，通过宽顶堰公式计算下泄流量。

宽顶堰按下式计算：

式中：Q——流量，m3/s;

b——溢流堰总净宽，m;

h0——计入行进流速的堰上水头，m;

m——流量系数，，（）;m=3.6，;

ε——侧收缩系数，计算公式如下：

当b/B<0.2时，用b/B=0.2计算，当p/H>3.0时，用p/H=3.0计算。

式中：

α——系数，闸墩（或边墩）墩头为矩形，宽顶堰进口边缘为直角时，α=0.19;闸墩（或边墩）墩头为曲线形，宽顶堰进口边缘为直角或圆弧时，α=0.10。

B——上游引渠宽，对于梯形断面，近似用一半水深处的渠道宽，即B=b´0+mh/2，b´0为底宽，m为边坡系数，h为渠道水深。

当取水段上通过10.0 m3/s流量时，代人公式（2-4）和（2-5）得：H0=0.454m。

4 廊道断面设计

下面采用《水工设计手册 （泄水与过坝建筑物）》P6-220棱柱体侧槽的水力设计中的近似方法来确定控制断面。以设计引用流量为控制流量来计算廊道深度。

4.1 廊道内流态判别

式中：

Ak、Bk——控制断面的过水断面积和水面宽度，m2、m;

Q——各断面处的实际流量，m3/s;

i0——侧槽底坡;

L——侧槽长度，m。

要确定廊道深度，必须先知道控制断面的位置，根据控制断面位置计算水面线，再根据水面线确定廊道深度。控制断面位置可以用临界曲线法求得。

具体步骤如下：

1）按已知的Q、i0、L，算出式（2-6）的右端值，即;

2）将侧槽分为若干计算断面，列表计算各断面的Ak、Bk;

3）绘制Ak·Bk～x关系曲线;

4）在曲线上取，即可求出相应的x=xk，定出控制断面的位置;

5）若在Ak·Bk～x曲线上无可解之点，说明侧槽内全为缓流，则在槽末接一水平段，水平段长度可以取3～4倍临界水深或更长一些。

详细计算结果见图1。

当引进流量为10.0m3/s时：

由图可知，在曲线上无可解之点，故槽内全为缓流。

设计引用流量对应的临界水深：

侧槽末接平台长度可取4倍hk即5.464m，结合结构布置最终确定。

4.2廊道水面线计算

无压流廊道内的水流为变量流，在作近似计算时，侧槽末端断面水深按下式定出：

式中：

n——系数，查《水力计算手册》第二版表6-2-1，得n=1.3。

hk——临界水深。

根据侧槽末端水深hL，采用差分法进行水面线计算，计算结果见表4-2：

式中：

Δs——计算流程长度，m;

Δz——计算流程Δs两端断面的水位差，m;

J——计算流程内的平均水力坡降，;

v1，v2——计算流程上、下游断面的平均流速，m/s;

Q1，Q2——计算流程上、下游断面通过的流量，m3/s;

q——侧向流入廊道的单宽流量，m3/s。

根据计算的水面线结果，加上安全超高1.0m，故

h=1.905+1.0=2.905m

为安全起见，取廊道高度h=3.2m。

5 结论

底栏栅取水坝在工程中得到广泛的运用，其水力学计算是一个复杂的问题，本文以益地龙达河工程为例，浅述了底栏栅取水中的水力学计算过程。本文中为了计算简便，存在一定结构简化假定，故还需进一步深入探讨。

参考文献

[1]《水工设计手册（灌区建筑物）》;

[2]《水力计算手册》第二版;

[3]彭薇薇，大流量底格拦栅坝探讨，《四川水利发电》，2004.9。

作者简介：

王兵锋（1986-），男，湖北枣阳人，大学本科，工程师，主要从事土建设计。