寇榮賢

（周至縣水務(wù)局 陜西 周至 710400）

1 引言

周至縣水力資源十分豐富，理論蘊(yùn)藏量達(dá)34萬kW，可開發(fā)量10.4萬kW。多年來，由于地理?xiàng)l件優(yōu)越，水電建設(shè)發(fā)展較快，現(xiàn)已建成大小水電站35座，總裝機(jī)5.4萬kW。這些電站對周至的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了舉足輕重的作用。水電工程建設(shè)普遍利用溢流壩抬高水位，攔截引水，溢流泄洪，因此，溢流壩成為水電工程的主要工程之一。由于以前水電工程建設(shè)不規(guī)范，工程設(shè)計(jì)不盡合理，不同程度地出現(xiàn)了一些“四無”電站，存在嚴(yán)重的安全隱患，個(gè)別電站甚至出現(xiàn)潰壩事件，給下游群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重?fù)p失。所以，溢流壩的設(shè)計(jì)成為工程建設(shè)中確保水工建筑物安全、經(jīng)濟(jì)、合理的關(guān)鍵因素。溢流壩的設(shè)計(jì)實(shí)際就是溢流壩剖面設(shè)計(jì)，壩面曲線設(shè)計(jì)。而壩面曲線設(shè)計(jì)離不開溢流壩壩面泄流計(jì)算，不同的壩頂水深，會產(chǎn)生不同的下泄流量，如何選定壩頂水深作為定型水頭Hd，從而確定壩面曲線，成為溢流壩設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)、合理的關(guān)鍵。本文就對定型水頭Hd的確定方法予以探討。

2 Hd確定的必要性

目前，水電工程的溢流壩設(shè)計(jì)主要采用WES實(shí)用曲線。WES實(shí)用堰型流量系數(shù)大，堰面負(fù)壓小，便于設(shè)計(jì)施工，具有較大的優(yōu)越性。但在實(shí)際工作中，由于河道洪水流量變化無常，堰頂水頭變幅較大，要準(zhǔn)確確定溢流壩堰面曲線比較困難。定型水頭Hd的確定，不是偏大，就是偏小，往往設(shè)計(jì)的溢流壩不是偏肥，就是偏瘦，造成投資過大或存在不安全因素。如何選定定型水頭Hd，對溢流壩的造價(jià)及安全有著很大的影響。為了更加準(zhǔn)確的進(jìn)行溢流壩水力計(jì)算，更加合理的進(jìn)行溢流壩剖面設(shè)計(jì)，使工程更加安全，經(jīng)濟(jì)，需對Hd的確定方法進(jìn)行探討。

3 Hd確定的方法

定型水頭Hd的大小，對溢流壩的造價(jià)及安全有很大影響。根據(jù)一般教課書和資料，對于低堰，Hd=（0.65～0.75）Hmax。在使用過程中，當(dāng)H＞Hd時(shí)，加大了堰的泄流能力，堰的剖面也比較經(jīng)濟(jì)，堰面產(chǎn)生較小負(fù)壓是允許的，不致發(fā)生破壞性氣蝕和振動。如何選定Hd的配比系數(shù)，是溢流壩水力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

利用堰頂負(fù)壓值來控制定型水頭Hd的大小。根據(jù)不同的規(guī)程規(guī)范，進(jìn)行負(fù)壓值比較。

（1）按照重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范，堰頂負(fù)壓不得低于-3m～-6m，對于不同的H/Hd值，可能出現(xiàn)的最大負(fù)壓值如表1，將表中數(shù)據(jù)點(diǎn)繪在圖中，得H/Hd—hp/Hd關(guān)系曲線，如圖1。

（2）按照美國陸軍工程兵團(tuán)水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，建議在最大水頭Hmax下，堰頂最小負(fù)壓不低于-6.1m，以保證無空穴運(yùn)行。因此，對于低壩，負(fù)壓以不低于-6m為宜。對于水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中不同的H/Hd值，可能出現(xiàn)的最大負(fù)壓值如表2，將表中數(shù)據(jù)點(diǎn)繪在圖中，得H/Hd—hp/Hd關(guān)系曲線，如圖1。

（3）根據(jù)圖中曲線比較可以看出，在H/Hd相同的情況下，重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范的負(fù)壓低于水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的負(fù)壓值，所以按重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范偏于安全。在計(jì)算之初，最高水位和負(fù)壓均為未知，所以定型水頭Hd要經(jīng)過試算確定。在得到比較經(jīng)濟(jì)的壩型，同時(shí)達(dá)到最大泄流量的情況下，應(yīng)選用較小的定型水頭，以使負(fù)壓在允許的最低負(fù)壓值附近。另外，校核洪水是很少遇到的，而且歷時(shí)很短。因此，由此方法確定的壩型是更加安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的。

4 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)介紹的溢流壩水力計(jì)算方法，現(xiàn)以建成的周至縣沙梁子水電站溢流壩的水力設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析。

4.1 基本資料

根據(jù)沙梁子水電站所處的河流位置，經(jīng)過水文分析計(jì)算并考慮到工程要求，確定以下計(jì)算參數(shù)：設(shè)計(jì)洪水流量1930m3/s；校核洪水流量2850m3/s；設(shè)計(jì)堰頂高程810.0m；壩下游天然河床高程806.5m；設(shè)計(jì)壩長75m。

表1 H/Hd—hp/Hd關(guān)系曲線表

表2 H/Hd—hp/Hd關(guān)系曲線表

表3 不同堰頂水位下泄流量計(jì)算表 單位：m

4.2 溢流壩泄流計(jì)算

（1）Hd的確定

根據(jù)H/Hd—hp/Hd關(guān)系曲線圖，按照允許的最低負(fù)壓值要求，取 hp/Hd=-0.6，則Hd=hp/-0.6，Hd介于5～10之間，假定Hd=5.5m，然后進(jìn)行試算。

（2）堰高P1的確定

根據(jù)已知資料，溢流堰頂高程810.0m，壩址處河床高程806.5m，上游堰高P1=810.0m-806.5m=3.5m。由于其運(yùn)行后很快會被泥沙淤平，觀察已成低壩工程運(yùn)行情況，其淤沙較壩頂?shù)图s0.3m左右，考慮下泄洪水時(shí)，一部分泥沙會被水流帶走，深度估計(jì)為0.2m。所以，確定上游堰高P1=0.5m，下游堰高P2=3.5m。

（3）泄流量計(jì)算

以堰頂水頭H=4m為例計(jì)算如下。

假定流量Q=1440m3/s行近流速=4.267m/s總水頭

流量系數(shù)m隨著堰上水頭變化而變化，當(dāng)堰上水頭等于Hd時(shí)，流量系數(shù)md由P1/Hd的比值查圖確定。已知P1/Hd=0.5/5.5=0.091，查圖得 md=0.42。由 Ho/Hd=4.93/5.5=0.896，查圖得m/md=0.986，求得m=0.42×0.986=0.414。

淹沒系數(shù)бs,由假定的Q=1440m3/s流量，按天然河床求得壩下游水位高程813.14m，得hs=813.14-810.00=3.14m，根據(jù)hs/Ho=3.14/4.93和P2/Ho=3.5/4.93，查圖得бs=0.976。

側(cè)收縮系數(shù)ε1，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中，n——閘孔數(shù)目，n=1；

Ka——邊墩影響系數(shù)，查表得Ka=0.1；

Kp——閘墩影響系數(shù)，無閘墩，Kp=0；

B——閘孔寬度，b=75m。所以，Q=ε1бsmnb′Ho3/2=0.986×0.976×0.414×1×75××4.933/2

=1448m3/s（符合要求）

按照上述計(jì)算方法，求出不同水位的下泄流量，結(jié)果見表3。

同理，分別假定Hd=5.0m，6.0m，6.5m，7.0m進(jìn)行試算。經(jīng)比較，Hd=5.5m是求得的滿足設(shè)計(jì)校核洪水下泄流量，滿足允許最低負(fù)壓值要求的最小定型水頭。按照所求的最小定型水頭進(jìn)行溢流壩剖面設(shè)計(jì)。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)溢流堰泄流計(jì)算結(jié)果分析，校核洪水時(shí)的堰上總水頭Ho=7.877m，那么Hd/Hmax=5.5/7.877=0.7,符合 Hd=（0.65～0.75）Hmax的要求。

由 Hmax/Hd=7.877/5.5=1.432，查圖 1得hp/Hd=-0.62，那么 hp=-0.62×5.5=-3.41m，符合重力壩允許負(fù)壓值在-3m～-6m之間的要求。所以，所求的定型水頭Hd=5.5m是合理的，以此參數(shù)進(jìn)行溢流壩的壩面曲線設(shè)計(jì)是安全、經(jīng)濟(jì)的。

5 結(jié)語

通過對溢流壩設(shè)計(jì)中定型水頭Hd確定方法的探討，可以看出，合理的定型水頭Hd對水電站的經(jīng)濟(jì)性和安全性起著積極的決定性作用。周至縣沙梁子水電站溢流壩通過以上方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅為業(yè)主節(jié)約了一定的資金，而且經(jīng)過多年的運(yùn)行，證明安全可靠，進(jìn)一步驗(yàn)證了按此方法確定的定型水頭Hd是合理、可行的。因此，按照該方法進(jìn)行溢流壩設(shè)計(jì)值得其它同類工程參考借鑒。陜西水利