淺談水力計算在臨設(shè)場地布置方案中的應(yīng)用

周南龍（廣東水電二局股份有限公司，廣州　511340）

淺談水力計算在臨設(shè)場地布置方案中的應(yīng)用

周南龍
（廣東水電二局股份有限公司，廣州511340）

摘要：在山區(qū)水電站臨時設(shè)施建設(shè)中，受地形條件限制沒有較為寬闊平坦的場地用來布置臨時生產(chǎn)生活設(shè)施，為此只能布置在相對寬闊的河灘地，故需通過水力計算以確定場地填筑高程，同時預(yù)留足夠的河道過流寬度以滿足防洪要求。

關(guān)鍵詞：水力計算;場地布置方案;應(yīng)用

1　概述

金水河四級水電站項目位于山區(qū)，項目部生活區(qū)擬建于河灘地上，實測河道水面高程為317.0m，河灘地高程為317.7m，通過查閱洪水資料及現(xiàn)場實地勘察，該處河灘地在汛期將被淹沒。故在此布置臨時生活區(qū)必須考慮汛期的防洪安全問題，需要通過水力計算以確定場地填筑高程，同時預(yù)留足夠的河道過流寬度以滿足防洪要求。在本項目場地布置方案中，圍堰堰頂高程水力計算及過流計算得到了充分的應(yīng)用。

2　方案設(shè)計思路

本方案先確定建筑物的洪水標準，再在該洪水標準下運用試算法，先假定河流的過流水深H，計算得出河流流速v，根據(jù)流量公式，代入計算出的流速v，可計算出過流面積Sx，從而得出過流水深Hx，通過比較H與Hx的關(guān)系，通過逐步代換使其兩者接近，此時的水深Hx即為滿足汛期過流水深。通過汛期過流水深Hx我們可以計算出相應(yīng)的汛期水位高程，用所求得的汛期水位高程加上超高即為我們需要確定的場地填筑高程。

3　洪水位高程確定

（1）洪水標準。生活區(qū)為臨時設(shè)施，其使用期為2～3年，故相應(yīng)的該場地使用年限亦為2～3年，同時考慮到場地過水或被沖毀導(dǎo)致的后果，查閱《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，根據(jù)工程失事造成的后果及影響工期，使用年限在1.5～3年之間，因此將其歸為4級臨時性水工建筑物。又因場地結(jié)構(gòu)類型為土石結(jié)構(gòu)，參照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》查知此工程洪水重現(xiàn)期在10～20年。從“可行性研究報告”中可知該控制斷面10年一遇洪峰流量為850m3，20年一遇洪峰流量為1070m3，因其取值是按照圖表法保守取大值，同時結(jié)合風(fēng)險度綜合分析及遇超標洪水的應(yīng)急措施，所以本方案采用10年一遇洪水標準進行設(shè)計；

（2）計算參數(shù)。

1）流量qq=S*v式中：S—河流過流斷面面積；v—河流流速；q—河流流量，此處取10年一遇設(shè)計洪水流量850m3/s。

2）過流斷面S

本河段過流斷面擬定為梯形斷面，右岸邊坡比暫1:0.5，場地邊坡比取1:2.0，擬拓寬河流河底寬度至20m。

S=（L1+L2）*H/2

式中：L1—過流斷面底部寬度；L2—過流斷面水面寬度；H—現(xiàn)有河流水位高度。

3）流速v

v=1/n*r2/3*i1/2

式中：n—河道粗糙率；r—水力半徑；i—水力坡降。

查閱資料可得知本設(shè)計中的天然河道相應(yīng)河道粗糙率n=0.04～0.05，本設(shè)計取均值n=0.045根據(jù)現(xiàn)場測量水力坡降i=0.55%水力半徑可由假定H深度計算得出，其基本公式為：r=S/（a+L1+b）

式中：S—過流斷面面積；L1—過流斷面表面寬度；a—右岸坡長；b—左岸坡長。

4）汛期過流水深H試算

假設(shè)河流水位高度H為2.5m，可得出：

河流過流斷面面積：S=（L1+L2）*H/2=（20+26.25）*2.5/2= 57.81㎡

流速：v=1/n*r2/3*i1/2=2.65m/s

將上式計算的流速v代入流量公式計算過流斷面面積S1及過流水深H1：

通過解以上方程得出：H1=10.5m＞H=2.5m，故重新代入Hx計算，通過上述方法代入試算得出最終的過流深度H=6.7m。

5）洪水位高程

4　場地填筑高程確定

（1）概述。本方案中的場地為不過水場地，可以參照不過水圍堰的方式進行計算。其堰頂高程H等于設(shè)計洪水的靜水位H水加安全超高再加波浪高度。其中：波浪高度包括風(fēng)浪沿圍堰邊坡的爬高和風(fēng)浪壅高。即按下式計算:

H=H水+A+R+e

式中：H水—洪水位高程；A—安全超高；R—波浪在壩坡上的爬高；e—風(fēng)壅增水高度。

（2）安全超高A。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，不過水的臨時性擋水建筑物的安全加高值按規(guī)范確定。因本圍堰為土石結(jié)構(gòu)的4級臨時性水工建筑物，所以安全加高A應(yīng)采用0.5m。

（3）波浪爬高R。波浪爬高參照莆田試驗站公式，其中重要的參數(shù)取值為：W—風(fēng)速，水面上10m高度處10m in的平均風(fēng)速，m/ s。按照規(guī)范要求，對4、5級建筑物,正常運用條件下，采用多年平均最大風(fēng)速的1.5倍，查閱《金水河四級電站招標文件》可知本流域內(nèi)多年平均最大風(fēng)速為23m/s，經(jīng)計算W為34.5m/s；D—風(fēng)區(qū)長度，本設(shè)計取200m；Hm—水域平均水深，本設(shè)計為6.7m；由此可以求出平均波浪爬高R=0.429m。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》附錄A.1.12可知4、5級壩采用累積頻率為5%的爬高值，R5%與平均波浪爬高Rm的比例關(guān)系為1.84：1。所以可得：

（4）風(fēng)浪涌高e

式中：K——綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；

β——計算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角，按正向來波計算，取0°；

代入數(shù)據(jù)可得：e=0.007m

（5）場地填筑高程

H=H水+A+R+e=321.2+0.5+0.79+0.007=322.5m

故最終確定場地填筑高程為322.5m，同時預(yù)留河道寬度能夠滿足防洪過流要求。

5　結(jié)論

通過將水力計算理論運用到本項目場地布置方案中，為該方案的科學(xué)性提供了理論基礎(chǔ)。同時經(jīng)過汛期的考驗，該場地經(jīng)受起了洪水的考驗，實踐證明該方案可行，為以后類似的方案設(shè)計積累了經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]水利水電工程等級劃分及洪水標準[S].中國水利水電出版社, 2000:252.

[2]碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S].中國水利水電出版社,2001:274.

[3]水電水利工程圍堰設(shè)計導(dǎo)則[S].中國電力出版社,DL/T5087-1999.