前池側堰過流能力計算及體型優化設計研究

王 新，胥 慧

(1.黑龍江省三江工程建設管理局，松花江項目處；2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，水電站處結構一室)

渠道引水式電站對于非自動調節引水渠道末端與前池連接段一般布置前池側堰，當電站在設計流量下正常水位運行時側堰不溢流，當電站突然丟棄全部負荷或部分負荷時，全部流量或部分流量從側堰溢流。電站丟棄負荷時，可能對廠房或輸電線路造成重大事故，因此，合理設計前池側堰對于電站安全起到決定性作用。

1 工程簡介

某電站廠房前池側堰為漿砌石外包鋼筋混凝土結構，渠道前池側堰過流計算中，渠道的設計水位282.00m，最大引用流量Q=60m3/s,考慮滿足發電要求，溢流堰頂高程選擇282.10m，建基面高程為277.20m，堰座落在弱風化的玄武巖層上，最大壩高為4.9m，壩基底寬6.2m，底板厚度0.8m。堰型采用WES曲線型實用堰，迎水面的混凝土厚度0.3m，背水面混凝土厚度0.5m。壩前設置防滲素混凝土鋪蓋，鋪蓋長度9.92m, 消能采用底流消能。溢流堰底部采用鉛絲籠護砌，海漫段長度25m。前池側堰的設計水位282.00m，電站廠區地面高程284.45m。前池側堰縱剖布置圖見圖1。

圖1 前池側堰縱剖布置圖

2 過流能力計算

WES堰型過流能力計算公式：

(1)

式中：Q為壩頂溢流流量m3/s；m0為流量系數，m0=0.472；σs為淹沒系數；ε1為側收縮系數；L為壩長；H0為不計行近流速的總水頭。

2.1 堰上水頭

在電站突然停機時候，涌波水位不允許淹沒廠房，因此涌高后的水位加波浪高度≤284.50m,安全超高為0.5m，側堰待水流穩定后全部流量從側堰溢流出時為計算工況，此時側堰堰上首末水頭近似看作相等，擬定堰前穩定水位H1=0.95m。

2.2 流量系數

P1/H1≥1.33，稱為高堰，計算中可不計行進流速水頭。在這種情況下，當實際的工作全水頭等于設計水頭，即H0/H1=1時，流量系數md=0.502，本次計算取0.94m0=0.472。

2.3 淹沒系數

文章所述前池側堰上水流不受下游水位及護坦高程影響，屬于為自由出流，計算過程中淹沒系數σs=1。

2.4 側收縮系數

考慮邊墩及閘墩頭部對過流能力的影響，需計算側收縮系數ε1，經驗公式：

(2)

式中：n為堰孔數，n=3；H0為堰頂全水頭；Ka為邊墩形狀系數，Ka=0.25；Kp為閘墩形狀系數，Kp=1；b’為堰頂凈寬。經試算ε1=0.9593。

依據WES堰型過流能力公式，選取相應參數，試算堰上水頭0.95m時前池側堰的過流能力和長度，具體結果見表1。

表1 過流能力計算成果表

由以上計算可以知道，堰設計下泄流量均大于電站機組同時突然停機時候的最大引用流量Q=60.0m3/s，滿足要求。

3 體型設計

文章中所設計的前池側堰采用WES型實用堰，上游壩面鉛直。堰頂O點上游曲線，采用三段復合圓弧相接，可使堰頂曲線與堰上游面平滑連接，改善堰面壓強分布，減小負壓。堰頂O點下游曲線由公式(3)計算，k=0.5，n=1.85。圖2為前池側堰體型設計曲線段剖面示意圖。

圖2 前池側堰體型設計曲線段剖面示意圖

從圖2上控制點的坐標可知，設計水頭Hd直接影響前池側堰的剖面曲線的坐標值，而設計水頭是電站全部丟棄負荷時，側堰待水流穩定后全部流量從側堰溢流出相應的堰上水頭，但在溢流堰實際應用時，堰上水頭可能隨著流量Q的改變而變化[1]。因此，選定的設計水頭Hd必須滿足在允許的水頭變化范圍內，既有足夠的過流能力，又不會使堰面產生過大的負壓。工程中經常采用的設計水頭Hd=(0.75-0.95)Hmax(Hmax與過流能力計算時的H0值相同)，文章分別采用0.72m、0.81m以及0.95m作為前池側堰剖面體型設計的設計水頭。表2為三段復合圓弧水平距離和相應半徑。

表2 復合圓弧水平距離及相應半徑值

O點下游堰面為開敞式，堰面曲線公式：

xn=KHdn-1y

(3)

式中：n=1.85,K=1/k=2(P1/Hd>1)。分別將設計水頭代入計算得出以O點為起點的曲線OC對應的X，Y值，具體結果見表3。

表3 曲線OC坐標值

續表3 曲線OC坐標值

直線段CD的設計主要取決于溢流堰的穩定性，常用坡度為1∶0.7-1∶0.6，文章計算時采用1∶0.7，反弧段DE的作用是使直線段CD與下游河底平滑連接，避免水流直沖河床，并且起到下游消能作用[2]。前池側堰體型設計直線段控制坐標點和反弧段半徑的計算公式及結果見表4。

依據以上已知條件和由公式計算出的結果分別繪制設計水頭0.72m、0.81m、0.95m對應的的前池側堰剖面圖，如圖3所示。

表4 直線段控制坐標及反弧段半徑值

(a)體型1(0.72m)

(b)體型2(0.81m)

(c)體型3(0.95m)

從以上表格中數據及圖可以得出，如果以最大水頭作為設計水頭，Hd取0.95m，雖然可以保證前池側堰堰面不出現負壓，但是由于機組同時丟棄全部負荷這一機率較小，而實際工作水頭小于設計水頭，堰面壓強一般高于大氣壓強，流量系數減小，并且前池側堰剖面偏肥，經濟性較差。反之，如果以0.72m作為設計水頭時前池側堰剖面偏瘦，但已經接近工程經驗規定的下限值。取設計水頭0.81m介于二者之間。因此，從安全和經濟上綜合考慮，文章以0.81m作為設計水頭進行前池側堰堰面設計比較合理。

4 結 語

文章針對電站前池與引渠之間設置的前池側堰工程具體情況，對前池側堰進行過流能力計算，以及體型優化設計。通過計算結果表明，合理擬定電站突然丟棄負荷時水流穩定的水位，并且保證涌波水位不淹沒原來廠房的前提下，是試算得出經濟合理堰長的關鍵。同時驗證了工程中經常選取(0.75-0.95)Hmax作為設計水頭是影響溢流堰體型設計的關鍵。因此，合理設計溢流堰對于工程經濟和安全具有重要意義。