黃河上游某水電站工程導(dǎo)流水力學(xué)計(jì)算分析

權(quán) 鋒，靳海娟

（1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.渭南市瑞泉中學(xué)，陜西 渭南 714000）

1 工程概況

本工程位于黃河上游干流上，工程開(kāi)發(fā)主要任務(wù)是發(fā)電，并兼顧下游灌溉供水。工程規(guī)模屬三等中型工程，主要建筑物為Ⅲ級(jí)，樞紐建筑物主要由廠房、泄洪閘、左岸混凝土防滲墻及右砂礫石壩組成，廠房、泄洪閘、左岸防滲墻布置在左岸灘地。混凝土壩最大壩高44.5 m。廠內(nèi)安裝4 臺(tái)貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，泄洪閘為3 孔，閘室后設(shè)消力池、混凝土護(hù)坦、鋼筋籠海漫。右砂礫石壩由砂礫石填筑，上下游預(yù)制混凝土塊和鋼筋籠護(hù)坡，基礎(chǔ)和壩身采用混凝土防滲墻防滲，最大壩高為27.5 m。

2 自然條件

2.1 地形地質(zhì)條件

本工程峽谷段兩岸呈不對(duì)稱(chēng)的“U”型，左岸高陡，右岸相對(duì)平緩。兩岸發(fā)育河流Ⅰ～Ⅲ級(jí)階地，其中左岸為Ⅰ、Ⅱ級(jí)沖、洪積侵蝕堆積階地，臺(tái)面高出河水面8 m～12 m，階面寬500 m～600 m；右岸一帶的Ⅰ、Ⅱ級(jí)沖洪積侵蝕堆積階地地形開(kāi)闊平坦，臺(tái)面高程和寬度與左岸基本一致，Ⅲ級(jí)階地高出河水面25 m，Ⅲ級(jí)階地地基由第三系紅層組成，岸坡較陡。

2.2 水文條件

根據(jù)《黃河上游河段防洪初步規(guī)劃報(bào)告》，壩址分期設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表1，壩址水位～流量關(guān)系曲線見(jiàn)表2。

表1 壩址分期設(shè)計(jì)洪水成果表 流量：m3/s

表2 壩址水位～流量關(guān)系曲線

3 導(dǎo)流方式及標(biāo)準(zhǔn)

（1）導(dǎo)流方式

本工程采用圍堰分期攔斷河床的導(dǎo)流方式進(jìn)行導(dǎo)流，一期采用縱向圍堰擋水，擴(kuò)挖后的主河床過(guò)流，泄洪閘、廠房全年施工；二期采用圍堰攔斷主河床，泄洪閘過(guò)流，右砂副壩進(jìn)行施工。

（2）導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

本樞紐工程屬中型三等工程，泄洪閘、電站廠房、砂礫石壩等主要建筑物級(jí)別為3 級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4 級(jí)。一期導(dǎo)流采用10 年一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)流量為3730 m3/s。二期導(dǎo)流采用枯期圍堰，設(shè)計(jì)采用枯水期20 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)枯水期導(dǎo)流流量為1780 m3/s，二期圍堰與右岸副壩結(jié)合布置。

4 一期導(dǎo)流水力學(xué)計(jì)算

通過(guò)水力學(xué)計(jì)算確定一期導(dǎo)流全年縱向圍堰的堰頂高程，一期過(guò)流建筑物為擴(kuò)挖后的主河床，本次計(jì)算可簡(jiǎn)化為明渠，初擬明渠底寬為80 m。一期施工導(dǎo)流平面布置見(jiàn)圖1，一期施工導(dǎo)流典型橫剖面見(jiàn)圖2。

圖1 一期施工導(dǎo)流平面布置圖

圖2 一期施工導(dǎo)流典型橫剖面圖

4.1 計(jì)算正常水深h0

正常水深比公式：

式中：Q 為流量，取 3730 m3/s；n 為糙率，取 0.025；m 為邊坡系數(shù)，取 1.5；i=0.00265；B 為原河床過(guò)流寬度，取 140 m；b 為束窄后河床寬度，取80 m。

把數(shù)據(jù)帶入公式中經(jīng)過(guò)迭代，正常水深h0為6.42 m。

4.2 計(jì)算臨界水深hk

臨界水深比公式：

把數(shù)據(jù)帶入公式中經(jīng)過(guò)以下迭代，臨界水深hk為5.83 m，由于h0＞hk所以為緩流。

4.3 流態(tài)判定

其中，L 為明渠長(zhǎng)度，根據(jù)一期導(dǎo)流平面布置圖，量取為360 m；H 為堰前水深假設(shè)為8.47 m；由于L/H=42.50＞20，所以為明渠流。

4.4 明渠水面線計(jì)算

根據(jù)一期施工導(dǎo)流平面布置圖可知，導(dǎo)流明渠長(zhǎng)度為360 m，根據(jù)水位流量關(guān)系曲線可知，下游水深為6.50 m，明渠流為A1型壅水曲線，導(dǎo)流明渠水面線計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 導(dǎo)流明渠水面線計(jì)算成果表

4.5 明渠進(jìn)口壅水計(jì)算

由于明渠長(zhǎng)度L=360 m，本次水面線計(jì)算從由下游推往上游，由上表可查得在明渠進(jìn)口處的收縮水深為he＝6.42 m，he/H0＝0.75＜0.8 為自由出流。

式中：Q 為流量，取3730 m3/s；m 為流量系數(shù)，本次計(jì)算取0.385；Bk為臨界水深下的平均過(guò)水寬度；Bk＝Ak/hk取 88.74 m；b為束窄后河床寬度，取80 m；hk為臨界水深；Ak為臨界水深下的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。

經(jīng)量測(cè)：在臨界水深hk為5.829 m 時(shí)過(guò)水面積Ak為517.29 m2，故 Bk＝Ak/hk=88.74 m。

把數(shù)據(jù)帶入公式中經(jīng)過(guò)迭代，堰前水深H0為8.47 m（此值與假設(shè)相同）。

4.6 確定堰頂高程

一期全面縱向圍堰下游段高程確定：明渠進(jìn)口高程為1771.1 m，堰前水深為8.47 m，故堰前水位為：1771.1+8.47＝1779.57 m，超高取1.5 m，一期全年縱向圍堰上游段堰頂高程為1781.07 m，取為1781.10 m。

一期全面縱向圍堰下游段高程確定：當(dāng)流量為3730 m3/s時(shí)，查壩址處水位流量關(guān)系曲線并經(jīng)計(jì)算，一期全年縱向圍堰下游段堰頂高程為1777.40 m。

5 水力學(xué)模型試驗(yàn)成果

5.1 物理模型設(shè)計(jì)

按照弗勞德數(shù)相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)本試驗(yàn)的物理模型[1]。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地及供水能力選擇模型比尺為30。模擬范圍包括一期縱向全年圍堰、鋼筋籠護(hù)坡及天然河道等。采用聚乙稀塑料板和有機(jī)玻璃制作河道導(dǎo)流系統(tǒng)，經(jīng)率定的模型糙率系數(shù)約為0.0075，根據(jù)模型糙率系數(shù)換算至原型的糙率系數(shù)為0.012，而原型混凝土糙率系數(shù)一般為0.010～0.015，說(shuō)明本模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型導(dǎo)流系統(tǒng)糙率基本一致。采用溢流式平水槽控制模型水位。導(dǎo)流段河道的水位變化過(guò)程、輸水流量、河道水流流速分別采用電阻式壓力傳感器測(cè)定、測(cè)壓管、矩形量水堰、旋漿流速儀等測(cè)定[2,3]。試驗(yàn)所量測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行采集和處理。

5.2 結(jié)果分析

（1）水面線確定水力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)成果見(jiàn)表4。

表4 一期導(dǎo)流全年圍堰沿程水面變化情況表 單位：m

試驗(yàn)表明：當(dāng)流量為3730 m3/s 時(shí)，全年縱向圍堰上游段（堰0+000.00 m～堰0+234.34 m）水位比堰頂高程低1.74 m～2.18 m，該段圍堰高度超高略大，可適當(dāng)降低。下游縱、橫圍堰相交處（堰0+547.10 m）的水位達(dá)1777.70 m，僅比堰頂高程1777.40 m高0.30 m，因此下游段的圍堰頂高程應(yīng)適當(dāng)加高。

（2）圍堰的防護(hù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)流量為3730 m3/s 時(shí)，最大流速分別為5.5 m/s，一期全年縱向圍堰迎水面進(jìn)行了鋼筋籠防護(hù)，并在圍堰堰角至河道5.0 m 范圍內(nèi)對(duì)河道進(jìn)行了鋼筋籠防護(hù)，厚度均為1.0 m，試驗(yàn)觀察可知，圍堰表面的鋼筋籠無(wú)滾落現(xiàn)象，圍堰得到了很好的保護(hù)。一期施工期導(dǎo)流模型實(shí)驗(yàn)導(dǎo)流明渠流速分布見(jiàn)圖3。

圖3 一期施工期導(dǎo)流模型實(shí)驗(yàn)導(dǎo)流明渠流速分布圖

6 對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)對(duì)一期施工期導(dǎo)流明渠水力學(xué)計(jì)算及模型實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，圍堰上游段高程計(jì)算值略高于實(shí)驗(yàn)值，圍堰下游段高程計(jì)算值低于實(shí)驗(yàn)值。圍堰上游段計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差在14 cm～28 cm 之間；圍堰下游段高程低于實(shí)驗(yàn)值，與實(shí)驗(yàn)值相差在70 cm～80 cm 之間。

經(jīng)過(guò)對(duì)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比分析，圍堰上游段計(jì)算值高于實(shí)驗(yàn)值的原因，在于理論計(jì)算時(shí)，應(yīng)取導(dǎo)流明渠進(jìn)口高程的加權(quán)平均值，實(shí)際取值是根據(jù)地形線進(jìn)行偏高的取值，而忽略了明渠進(jìn)口（天然河床）高程的不平整性，從而造成較小差值。圍堰下游段計(jì)算高程低于實(shí)驗(yàn)值的原因，在于下游段高程根據(jù)壩址處的水位流量關(guān)系曲線，經(jīng)過(guò)河道縱坡計(jì)算推算而來(lái)，天然河道水位流量關(guān)系曲線存在一定的誤差，造成了與實(shí)驗(yàn)值的差值。在實(shí)驗(yàn)后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果，對(duì)水力學(xué)計(jì)算及圖紙進(jìn)行了一定的復(fù)核及修正，最終確保了圖紙的準(zhǔn)確性。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黃河上游某水電站一期施工導(dǎo)流水力學(xué)計(jì)算成果及模型實(shí)驗(yàn)成果的分析，找出了水力學(xué)計(jì)算成果與模型實(shí)驗(yàn)成果的差別，分析了兩者存在差值原因，為水力學(xué)計(jì)算在明渠進(jìn)口不規(guī)則時(shí)高程取值提供了解決方法，對(duì)類(lèi)似水力學(xué)計(jì)算具有一定的參考價(jià)值，同時(shí)也為本工程施工期導(dǎo)流設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。