王金磊，王靜靜

（1．天津普澤工程咨詢有限責(zé)任公司，天津 300210；2．三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

黃登水電站截流水力學(xué)計算分析

王金磊1，王靜靜2

（1．天津普澤工程咨詢有限責(zé)任公司，天津 300210；2．三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

該文采用水量和能量平衡原理建立計算模型，對黃登水電站截流進(jìn)行了水力學(xué)分析，計算結(jié)果與試驗(yàn)成果基本吻合。類似方法亦可在單個泄流建筑物水力計算分析中采用。

截流；黃登水電站；水力學(xué)；計算模型

1 提出問題

黃登水電站位于云南省蘭坪縣境內(nèi)，采用堤壩式開發(fā)，是瀾滄江上游古水至苗尾河段水電梯級開發(fā)方案的第五級水電站，以發(fā)電為主。壩址控制流域面積9．19萬km3，多年平均流量901m3/s。攔河大壩為混凝土重力壩，最大壩高203m，最大壩段底寬約161m，壩體混凝土總量354萬m3，樞紐主要由混凝土重力壩、壩身泄洪放空建筑物、左岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成，屬Ⅰ等大（1）型工程。

工程截流標(biāo)準(zhǔn)采用10a一遇，11月中旬平均流量Q＝695m3/s。工程設(shè)計采用河床一次攔斷截流，截流后的第一個枯水期由截流戧堤加高的枯水圍堰擋水，1＃導(dǎo)流洞過流。1＃導(dǎo)流隧洞的進(jìn)口高程為1473．0m，洞身長1121．959m，洞身為方圓型斷面，斷面尺寸為16m×20m，頂拱中心角120°。進(jìn)口引渠長8m，采用鋼筋混凝土貼坡襯砌，襯砌厚度均為1．5m；閘室段長22m，進(jìn)水塔高55m；洞身漸變段長30m，隧洞底坡為0．362%；出口底板高程1469．0m，出口引渠長135m，其中前15m為與洞身同斷面的明洞段，引渠采用鋼筋混凝土貼坡襯砌，邊墻及底板的襯砌厚度均為2．0m。

分流建筑物的泄流能力是模型計算的關(guān)鍵，以往計算過程往往假設(shè)導(dǎo)流建筑物進(jìn)出口水位與龍口上下游水位近似相等，而本工程導(dǎo)流洞出口距離龍口下游距離相對較遠(yuǎn)，先采用逐段試算法計算出龍口下游水位，經(jīng)過計算得到的龍口下游水位與導(dǎo)流洞出口水位差別不大，在此基礎(chǔ)上根據(jù)水量和能量平衡方程進(jìn)行截流水力學(xué)計算，求解各水力學(xué)要素。

2 計算模型的建立

2．1 基本原理

為簡化計算過程，假定龍口上游水位等于導(dǎo)流隧洞進(jìn)口水位；龍口下游水位與導(dǎo)流隧洞出口水位近似相等不計截流戧堤滲流量。

根據(jù)水量和能量平衡基本原理，有以下平衡方程：

式中Q0為河道截流時的總來水流量；Qn為龍口流量；Qf為分流建筑物泄水總流量；Q隧洞進(jìn)口為隧洞進(jìn)口流量；Q隧洞出口為隧洞出口流量；ΔZ分流為分流建筑物上下游水位落差；ΔZ隧洞進(jìn)口為隧洞進(jìn)口上下游水位落差；ΔZ隧洞出口為隧洞出口上下游水位落差；ΔZ截流為截流上下游水位落差；ΔZ龍口為龍口上下游水位落差。

2．2 龍口下游水深

由于黃登截流模型試驗(yàn)中，龍口下游距離導(dǎo)流隧洞進(jìn)出口較遠(yuǎn)，上文假設(shè)龍口下游水位與隧洞出口水位相同是否產(chǎn)生較大誤差。故采用逐段試算法計算出龍口下游水位與隧洞出口殘埂處的下游水位進(jìn)行比較。逐段式算法水面線計算公式：

式中 Esd，Esu分別表示Δs流段的下游及上游斷面的斷面比能；為流段的平均水力坡度。

在截流流量Q＝695m3/s，隧洞進(jìn)出口無殘埂的工況下，計算得到的龍口下游水位為1474．1m，隧洞出口下游水位為1472．1m。由于兩者相差不大，故可假設(shè)龍口下游水位約等于隧洞出口下游水位。

2．3 分流建筑物泄流能力

本工程截流期間，分流建筑物為右岸1＃導(dǎo)流隧洞。截流流量Q＝695m3／s時，由于下游水位1472．1m小于隧洞進(jìn)口底板高程1473．0m，所以枯期導(dǎo)流隧洞導(dǎo)流按照非淹沒出流計算，枯期隧洞內(nèi)為無壓流，且認(rèn)為隧洞為短洞，故隧洞泄流能力不受洞長影響，進(jìn)口水流為寬頂堰流，故流量Q的計算公式：

式中 m為自由出流的流量系數(shù)，一般取0．32～0．36，由于該導(dǎo)流隧洞進(jìn)口處較平順，故此處取0．32；b為隧洞過水?dāng)嗝鎸挾龋琤0＝16m；H0為以隧洞進(jìn)口斷面底板高程起算的上游總水頭，從施工導(dǎo)流觀點(diǎn)出發(fā)，可近似認(rèn)為等于上游水深H。

2．4 截流水力學(xué)計算

截流水力計算的目的是計算龍口合龍過程中不同束窄口門寬度時的水力學(xué)指標(biāo)，如龍口泄流量、龍口平均流速、落差、上游水位、單寬流量、單寬能量等，據(jù)此計算不同施工區(qū)段拋投材料的粒徑。

2．4．1 非龍口段

束窄河床泄流量Q%f按無坎寬頂堰流流量公式計算：

非淹沒流（按寬頂堰流計算）：

式中 m為自由出流的流量系數(shù)，查表m＝0．30；b為口門平均過水寬度；H0為包括行近流速水頭的堰前水頭，可近似認(rèn)為等于上游水深H。

當(dāng)堰頂以上的下游水深hs＞0．8H0時，寬頂堰為淹沒流，計算公式：

式中 φ為流速系數(shù)，查表φ＝0．80；b為口門平均過水寬度；hs為龍口下游水深；H0為包括行近流速水頭的堰前水頭，可近似認(rèn)為等于上游水深H。

2．4．2 龍口段

龍口泄流量Qn按式（9）計算：

式中 b為龍口平均過水寬度；H0為龍口上游水頭，如有護(hù)底，則從護(hù)底表面起算；m為流量系數(shù)，進(jìn)口圓順的窄戧堤，按列別捷夫試驗(yàn)資料，而在實(shí)際計算中，一般采用m＝0．30～0．32，在該工程中，取m＝0．30。 σs為淹沒系數(shù)，其值與淹沒界限有關(guān)，參照有關(guān)資料及水工模型試驗(yàn)成果：當(dāng)自由出流時σs＝1；淹沒出流情況可以根據(jù)龍口下游水深hs與H0的比值查表確定。

3 計算模型

3．1 隧洞泄流能力計算

根據(jù)已知的水位流量關(guān)系，由河道上游來流量求得泄洪洞出口下游水位；由泄洪洞出口向上游推算泄洪洞泄流能力，并滿足水量及能量平衡，最終求得泄洪洞進(jìn)口水位，即為隧洞泄流能力。

3．2 截流計算

根據(jù)下游水位、龍口寬度、底部高程等，假定一個上游水位H′上，此時截流流量為Q截流；由第2步求得分流建筑物泄流能力Q分流和龍口泄流量Q龍口；根據(jù)水流流態(tài)計算龍口上游水深H上，檢驗(yàn)假定上游水深，直到令H′上＝H上；根據(jù)公式分別計算不同的龍口水力參數(shù)。

4 計算結(jié)果驗(yàn)證

將計算結(jié)果與黃登水電站實(shí)體模型試驗(yàn)成果進(jìn)行比較。黃登水電站截流水力學(xué)參數(shù)計算值見表1。截流試驗(yàn)成果與計算結(jié)果對比見表2。

表1 截流水力學(xué)參數(shù)計算值

表2 截流試驗(yàn)與計算結(jié)果水力學(xué)參數(shù)對比

計算工況為截流設(shè)計流量695m3/s，導(dǎo)流洞進(jìn)出口無殘埂。

考慮到計算過程的假定、模型誤差及實(shí)驗(yàn)誤差等因素，計算結(jié)果與試驗(yàn)成果基本吻合。

5 結(jié)語

由于本工程導(dǎo)流洞出口離戧堤下游距離較遠(yuǎn)，故采用逐段試算法公式計算出戧堤下游水位，經(jīng)比較，兩者水位差值并不大，于是本文假設(shè)兩者相等。根據(jù)水量和能量平衡的基本原理建立計算模型，計算結(jié)果與試驗(yàn)成果基本吻合。由此可見，與黃登截流模型試驗(yàn)相似的單個泄流建筑物泄流水力分析，可根據(jù)水量和能量平衡方程，采用類似的方法進(jìn)行計算。

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［11］吳持恭．水力學(xué)［M］．北京：高等教育出版社，2003．

Hydraulic Calculation about the River Closure Model Test of Huangdeng Hydropower Station

WANG Jin－lei1，WANG Jing－jing2
（1．Puze Tianjin Engineering Consulting Corporation，Tianjin300210，China；2．College of Hydraulic＆Environmental Engineering of Three Gorges University，Yichang443002，China）

Based on the law of conservation of water and energy， setting a model to hydrodynamic anlysis the river closure of Huangdeng hydropower station．The result is approximately equal to the model test result．Hydrodynamic caculation of single discharge buildings can be performed in conceptually similar ways．

river closure； Huangdeng hydropower station； hydraulics； calcutation model

TV131．4

A

1672－9900（2012）01－0069-03

2011-12-07

王金磊（1986—），男（漢族），天津薊縣人，本科，主要從事水利工程建設(shè)管理工作，（Tel）13012234146。