云河灌区取水枢纽工程设计探讨

郭 廓

(辽宁省阜新水文局，辽宁 阜新 123000)

1 设计基本资料

1.1 流域概况

云河灌区位于湖北省境内，属于汉江水系，全长180km，现有堤防高程42.00m，堤顶宽6m，内边坡1∶3。本枢纽位于云河上。枢纽上游的50km及下游为平原河段，河槽比降小。稳定河槽宽度为200m。洪水期河床宽度300m左右。枢纽右岸有一座小山，附近两岸地势平坦。枢纽以上控制流域面积7531km2，水源丰富。河道常年水位在35.50～36.50m之间。年来水量可满足云河灌区灌溉农田3000hm2及枢纽下游的已建电站的发电要求。灌区3000hm2农田分布在左岸，枢纽下游以东0.5km为县城。

灌区进水闸以5%的洪水作为停止引水标准。进水闸引水时(相应灌溉频率P=75%时，相应冲沙流量1090m3/s)相应河道流量Q=600m3/s。此流量还供下游发电之用。

河道伏水站月平均含沙量为1.46kg/m3，最大月平均含沙量为7月3.30kg/m3，年平均输沙量为104万t。推移质平均粒径dcp=3.70mm，最大粒径dmax=50.00mm。泥沙重度γs=25.97kN/m3。

1.2 枢纽附近地质情况

由地质剖面图可知：在枢纽轴线位置320m河槽范围以内，由东向西约有长230m的覆盖层(为砂卵石层)，最厚达11m，最薄5m，平均约8m；下面为砂壤土，最大深度约40m，最小5m，平均厚约20m；再往下为粉砂泥质岩，紧接的90m范围河槽部分，最深覆盖层约5m，最浅1m，平均约3m左右；下面是玄武岩，风化层厚2～3m。

沿河一带由于河道常年有水，故地下水位相对较稳定，一般在35.50m左右。

1.3 灌溉渠道设计成果

渠道渠底高程36.00m；最大引水流量Q=50m3/s；灌溉期正常挡水位38.00m，相应下游水位37.82m；渠道纵坡i=1/7000；渠道边坡m=2；渠道底宽B=14m；渠道顶部高程39.50m；渠道顶部宽度6m；渠道水位44.00m。

2 拦河坝设计

2.1 拦河坝设计

2.1.1 坝顶高程确定

建坝主要目的是壅高水位，对洪水不起调节作用，故坝顶不设闸门，为自由泄流坝，也不需专人管理。溢流坝的设计水位等于渠首水位加0.1～0.3m过闸水头损失。

溢流坝设计水位：H=38.00+0.3=38.30m。

2.1.2 校核洪水流量设计

溢流坝的校核流量:

Q校=Q洪-aQ1=4240-0.8×1090=3368m3/s

式中Q1——通过其他建筑物的下泄流量,m3/s；

a——流量利用系数，a=0.75～0.9。

2.1.3 坝顶高程确定

该坝采用WES型实用堰。设计流量Q设=600m3/s，上游水位38.30m，相应下游水位36.00m，河床高程33.00m，堰上游面垂直，下游直线段坡度ma=cotα=0.7，即α=55°。

假定P1/Hd>1.33，则md=0.502，行近流速水头略，则

Hod≈Hd

设堰为自由出流。侧收缩系数：

其中：n=1，b′=200，Ka=0.1,代人上式得

则

试算法求得Hod=1.23m。

堰顶高程为：H=38.3-1.23=37.07m。

因为P1/Hd=4.07/1.23=3.31>1.33，为高堰，则md=0.502，行近流速水头可以略去；又因下游水位低于堰顶高程，即hs<0，所以为自由出流σs=1。

2.2 堰剖面设计

计算堰顶O点上游三圆弧半径及其水平坐标值(见图1)。

图1 堰顶O点上游圆弧曲线(单位：m)

R1=0.5Hd=0.5×1.23=0.625m；

x1=-0.175Hd=-0.175×1.23=-0.215m；

R2=0.2Hd=0.2×1.23=0.246m；

x2=-0.276Hd=-0.276×1.23=-0.339m；

R3=0.04Hd=0.04×1.23=0.049m；

x3=-0.282Hd=-0.282×1.23=-0.347m。

依据O点下游的曲线方程(见表1)，计算堰顶O点下游曲线。

表1 堰顶O点下游曲线 单位：m

即

坡度ma=0.7的下游直线段CD与曲线OC段相切于C点。C点坐标xc，yc求解如下。

对堰面曲线求一阶导数:

直线CD的坡度为

yC=0.419×2.051.85=1.581

坝下游反弧半径r按下式计算：

r=(0.25～0.5)(Hd+Zmax)

其中：上下游水位差Zmax=38.3-36=2.3m，则

r=(0.25～0.5)(1.23+2.3)=0.88～1.765m

(取r=1.2m)

反弧曲线的上端与直线CD相切于D点，下端与河床相切于E点。D点、E点及反弧曲线圆心O′点的坐标，用分析法确定。

2.2.1 反弧曲线圆心O′点

P2为下游堰高，P2=P1=4.07m

2.2.2E点坐标

2.2.3D点坐标

依据D点坐标，绘制堰剖面曲线曲线(见图2)。

图2 堰剖面曲线(单位：m)

2.3 消力池的水力计算

2.3.1 选型

在建筑物下游采取一定工程措施，控制水跃发生位置，通过水跃产生的表面漩滚和强烈的紊动以达到消能目的。

措施：降低护坦高程，使下游形成消能池。

2.3.2 降低护坦高程形成的消力池水力计算

2.3.2.1 不同流量时堰上水头计算

计算过程与坝顶高程的计算过程相同，采用试算法，结果见表2。

表2 坝上水头与流量关系

2.3.2.2 消力池流量的选取

因为P1/Hd>1.33，故不计行近流速，取φ=0.9。

当Q=400m3/s，q=2m3/(s·m)，Hd=0.93m，EO=0.93+37.07-33=5m时：

查《渠首工程》附表，得

同理，计算Q为200m3/s、100m3/s、80m3/s时，相应的h″c-ht(见表3)。

表3 h″c-ht计算结果

由表3可知，当Q=100m3/s时，h″c-ht最大，故消能池的设计流量：Q=100m3/s，q=0.5m3/(s·m)。

2.3.2.3 消力池深度的计算

首先按近似公式估池深的数值，即

d=σh″c-ht=1.05×1.15-0.9=0.31m

设d=0.31m，于是

计算Δz(取消能池流速系数φ′=0.95):

d=σh″c1-(ht+Δz)=1.05×1.17-

(0.9+0.009)=0.32m

故所求池深d=0.31m(见图3)。

图3 消力池示意图

2.3.2.4 消能池长度Lk的计算

池长的设计流量为最大流量，即qd=qmax=3m3/(s·m)。

ξc=0.32

hc1=0.32×0.972=0.311m

水跃长度：

Lj=10.8hc1(Fr1-1)0.93=

故消能池的长度为

Lk=(0.7～0.8)Lj=(0.7～0.8)×6.64

=4.65～5.31m

取Lk=5m。

2.3.3 海漫长度Lp确定

式中q——设计流量时的单宽流量，m3/s；

ΔH——上下游水位差，m；

k——系数，河床土壤为砾石取k=8。

取Lp=17m(见图4)。

图4 海漫示意图

3 结 语

云河灌区取水枢纽是在河道上建设无闸、开敞式、拦河滚水大坝，壅高河道水位，引河道水流进入灌渠，用以灌溉3000hm2农田。本文以实际调查河道水文情况、地质资料和水文条件状况为基础，立足于安全、经济可行性进行设计，可供类似工程参考。