學科灘水庫樞紐水力設計

林曉紅，雷忠義

(黑龍江省巴彥縣水務局，黑龍江巴彥151800)

學科灘水電站位于青海省互助土族自治縣境內。工程所在地位于黃河二級支流大通河中游互助土族自治縣巴扎鄉甘禪口附近。引水樞紐距甘禪口2.0 km，發電樞紐距甘禪口0.8 km，是一座混合式水電站。

在黃河二級支流大通河中游段上修建學科灘水電站對于緩解西寧電網用電緊張局面，促進本地區民族經濟的發展是有著十分重要的意義。

1 土石壩的設計

1.1 建筑物的組成

擋水建筑物:土石壩、溢流壩、左岸付壩;泄水建筑物:溢流壩;水電站引水建筑物:引水發電隧洞;泄洪沖砂閘。

1.2 筑壩材料

沙卵礫石:壩址上下游河床覆蓋有豐富的沙卵礫石，便于就地取材。

1.3 土石壩壩頂高程

通過已對土石壩的壩頂高程進行的計算，計算結果取土石壩壩頂高程為2 371.68 m。

1.4 壩頂寬及馬道設計

壩頂寬B=5 m，壩高h=2371.68－2353.50=18.18 m，低壩，上游坎坡采用不變坡率1∶2.5;下游坎坡不設馬道，且下游采用不變坡率n=1∶1.8。壩頂采用碎石路面，厚0.5 m，上游設混凝土防浪墻，防浪墻與砌石護坡緊密連接。

1.5 壩體排水形式

采用棱體排水，該區石料豐富，下游水位在設計尾水位時為2 357.60m，校核尾水位時為2 359.00 m。棱體排水內坡為1∶1，外坡取為 1∶1.5，上寬 b取1.8 m，棱體高程為2 358.50 m。

1.6 反濾層

水平反濾層為0.3 m，鉛直或傾斜反濾層取0.5 m。

1.7 護坡形式

上游采用砌石護坡，厚取0.3 m，護坡自壩頂伸至死水位以下3 m，高程為2 362.00 m，下游采用干砌石護坡厚為0.3 m。上下游各設厚0.2 m碎石的墊層，后壩腳設有3.0 m厚的超徑塊石擴坡，護坡頂高程為2 362.00 m，壩后還可以堆放一些開挖石料，其作用為防沖刷和壓坡穩定。

2 溢流壩的設計

2.1 堰形設計

本實用堰與反弧段采用1∶0.7的斜坡相連。堰面末端與陡坡連接點的位置可按下式確定:

由上式求得:xc=1.991 m，yc=1.537 m。WES曲線計算如表1:

表1 WES曲線計算值

溢流堰上游采用三圓弧，其三圓弧的參數為

2.2 反弧段半徑確定

壩址處的流速可按下式確定

式中:E0為收縮斷面處的總能量;忽略行近流速水頭，已知校核水位為2 370.60 m，下游河床高程為2 353.50 m，E0= 17.1 m;qc為單寬流量，qC=Q/b=3.4 m3/s·m，Q= 80 m3/s，取φ=0.95，由上式迭代求得hc=0.197 m。

則壩址處的流速為

由(2.3)得

2.3 消能設計

1)由于水頭較低，采用底流式消能［7］。消能設施選用消力池，消力池布置于與反弧段相連接，消力池的寬度取為與溢流壩同寬，即B0=23.5 m。

由已知hc=0.197 m;hc的共軛水深為:

由上式得

如果所有泄水建筑物在校核洪水位時均泄流，這時下游水深ht=2357.60－2353.00=4.6 m，因ht＞h″c，所以產生淹沒水躍，故不需建消力池。

但是在實際運行中，有可能會出現其他建筑物閘門尚未開啟，而僅僅是溢流堰泄流，這時下游水深只有1.89 m，小于h″c，這時仍有必要修建消力池，防止下游河床沖刷。

2)降低護坦形成的消力池［8］

設一系列池深d，然后分別由(4)、(5)式求出相應的hc1和，代入(6)式計算ΔZ，試算得d=2.5 m。

3)消力池的底板高程確定

消力池的底板高程△H=2353.50－2.5=2 351.90 m。

4)池長L的計算

消力池的長度必須保證水躍不越出池外，所以消力池的長度可以從水躍長度出發來考慮。但消力池內的水躍受到消力池末端的垂直壁面產生的一個反向作用力，減少了水躍長度。所以消力池內的水躍長度僅為平底渠道中自由水躍長度的70%～80%。

由此可得:自由水躍長度為Lj=6.1h″c=6.1×3.45= 21.0 m;

Lk=(0.7～0.8)×21.0=(14.7～16.8)m，取消力池的水平長度為16.0 m。

5)消力池邊墻的確定

消力池中最大水深為躍后水深3.45 m，邊墻超高一般取(0.5～1.5)m，所以邊墻高度為(3.95～4.95)m，取溢流堰消力池右邊擋水墻高度為5 m，長為16 m。但是，如果表孔、泄洪沖砂閘以及溢流壩在校核水位同時運行時，那么溢流堰消力池右邊擋水墻高度應以通過最大洪水時的下游水位加上超高確定(見表孔設計)。消力池左邊墻高度和長度按表孔設計要求為準。

6)消力池的構造

根據《水工設計手冊6》中消力池的構造及布置要求進行選取，其選取結果如下:消力池底板厚度0.8 m，底板表層設30 cm混凝土。消力池底設排水孔，孔距2 m，梅花型布置。底板與基礎之間設無紡土工布作為反濾材料。

7)海漫的長度

根據海漫長度Lp的估算方法Lp=(8.5～12.5)ht。式中Lp為海漫長度，m;ht為下游水深，將ht=1.89 m代入海漫長度公式得

Lp=(8.5～12.5)×1.89=(16.065～23.625)m;本設計由于溢流堰的設計流量較小，防沖能力要求較小，則取Lp=20 m。

［1］ 索麗生，任華旭，胡明.水利水電工程專業畢業設計指南［J］.北京:中國水利水電出版社，2000.

［2］ 韓玙，葉林.水利水電工程學習指導(下冊)［J］.西安:陜西人民出版社，2005.