溢流壩壩體過水設(shè)計探討

龔斌鋒，葉 永

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 工程概況

巫山某水電站工程屬Ⅴ等小(Ⅱ)型水利工程，電站三號取水壩按5級設(shè)計，其結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅲ級。三號取水壩主要功能是引水和攔水，即將二號壩的來水通過壩體管道引向電站主渠，同時還需將上游河谷富余水量引向主渠。三號壩正常蓄水位571.707 m,設(shè)計洪水位573.157 m,校核洪水位573.387 m，壩頂高程570.70 m，壩高3.7 m，壩頂全長18 m。二號取水壩的來水量為Q=3.63 m3/s。

2 壩體過水管徑擬定

由于壩體管長較短，采用加工工藝簡單、造價便宜、使用壽命長且承受外壓能力強的鋼筋混凝土管。

壩體過水管道設(shè)計流量3.63 m3/s,根據(jù)鋼筋混凝土管經(jīng)濟流速2～4 m/s，選擇2、2.5、3、3.5和4 m/s進行比較分析，結(jié)果見表1。

表1 不同管徑損失計算表

由表1可知，當(dāng)經(jīng)濟流速取2 m/s時，總水頭損失最小，此時管徑為1.52 m,實際工程管徑取1.6 m較為適宜。

3 溢流壩設(shè)計

根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL 253-2000)3.3.1條，采用開敞式實用堰時，堰頂下游宜優(yōu)先采用WES型冪曲線，堰頂上游堰頭可采用雙圓弧、三圓弧或橢圓曲線。

溢流壩頂部曲線是控制流量的關(guān)鍵部位，由于WES壩面曲線的流量系數(shù)較大且剖面較瘦，工程量較省，壩面曲線用方程控制。故近年來，我國多采用WES曲線。

3.1 三段圓弧曲線

WES型溢流堰頂部曲線以堰頂為界，分為上游段和下游段兩部分，坐標原點設(shè)在堰頂最高點，上游段采用三圓弧曲線[1]。堰頂上游段堰面曲線按上游壩面為鉛直面時的三段圓弧曲線[2]，計算成果見表2。

表2 堰頂上游三段圓弧曲線計算表

3.2 堰面冪曲線

堰頂下游采用WES型曲線，通過計算堰面冪曲線方程為：

y=0.261x1.85

(1)

堰面曲線計算成果見表3，實用堰剖面見圖1。圖1中Hd為定型設(shè)計水頭，一般為校核洪水位時堰頂水頭的75%～95%[3]。

表3 堰頂下游冪曲線坐標表

圖1 WES實用堰簡圖

3.3 反弧段特征點

圖1中，反弧段特征點為B點、C點和圓心O2。它們坐標分別為(Xb，Yb)、(Xc，Yc)和(X0，Y0)，計算成果見表4。

表4 反弧曲面特征點坐標計算表

反弧段最低點(C)高程Z=566.38 m。經(jīng)驗算，堰型和堰面曲線滿足規(guī)范3.3.2條要求。

3.4 泄流能力計算

采用《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL 253-2000)中開敞式WES型實用堰的泄流公式：

(2)

式中：Q為設(shè)計流量，m3/s；ε為側(cè)收縮系數(shù)，設(shè)計情況下取0.968，校核情況下取0.997；σm為淹沒系數(shù)；m為流量系數(shù)0.511 5；b為過流凈寬，m；H0為堰頂水頭。

按以上公式進行驗算，當(dāng)溢流壩寬度12 m，并未設(shè)置任何設(shè)施時，凈過流寬度b=12 m，溢流壩過流能力計算見表5。

表5 溢流壩過流能力計算表

由表5可知，滿足設(shè)計流量要求。

為了保險起見，假設(shè)最大泄流量為108 m3/s，故可知單寬流量為9 m3/(s·m)。

3.5 反弧半徑R

收縮水深hc按《水力計算手冊》式4-2-1計算：

(3)

式中：q為計算斷面單寬流量，m3/s；E0為以下游河床為基準面的泄水建筑物上游總水頭，m；φ為計算斷面流速系數(shù)，取0.95。

經(jīng)過試算，hc=1.22 m。根據(jù)規(guī)范3.3.8條，反弧半徑R應(yīng)為hc的3～6倍，即3.66～7.32 m，取R=6.0 m滿足規(guī)范要求。

4 溢流壩抵流消能

4.1 躍后水深

根據(jù)下游采用的消能工形式，本工程采用矩形斷面平底消能工[4]，則應(yīng)用式(5)計算：

(4)

4.2 護坦計算

4.2.1 護坦長度

下游護坦長度根據(jù)水躍長度確定，水躍長度按《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL 253-2000)公式(A.5.1-3)進行計算

(5)

4.2.2 護坦厚度

護坦厚度按《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265-2001)公式(B.1.3-1)計算:

(6)

式中：k1為底板厚度計算系數(shù)，取0.15；q為單寬流量，m3/s；ΔH為設(shè)計工況時上下游水位差，m。

經(jīng)計算，護坦厚度D=0.37 m，設(shè)計厚度可取0.5 m。

4.3 海漫計算

海漫長度按《水力計算手冊》經(jīng)驗公式計算：

(7)

式中：k2為海漫長度計算系數(shù)，取8～9，本次計算取8；q為單寬流量，m3/s；ΔH為設(shè)計工況時上下游水位差，m。

經(jīng)計算，海漫長度L=19.9 m，故海漫長度可定為22 m。

5 結(jié) 語

1) 對溢流壩的壩型、壩體過水和消能方式進行設(shè)計，在壩型上選用實用堰WES曲線，壩體過水采用管道形式，消能方式采用抵流消能。經(jīng)計算，得到曲線方程和特征坐標點及相應(yīng)的護坦和海漫長度，實際工程運行良好。

2) 采用從溢流壩壩體內(nèi)部埋設(shè)管道的方式引水有工程實際意義。本文僅闡述了有關(guān)壩體水力學(xué)的計算，關(guān)于壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及基礎(chǔ)防滲處理將專門設(shè)計研究。