舒革非，韓沛東，李金龍

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院規(guī)劃設(shè)計分院，四川 德陽，618000)

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底欄柵壩廊道水力計算方法淺析

舒革非，韓沛東，李金龍

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院規(guī)劃設(shè)計分院，四川 德陽，618000)

底欄柵壩是一種最簡單而又最經(jīng)濟(jì)的取水樞紐，在我國運(yùn)用較廣，根據(jù)若果朗水利工程底欄柵壩取水樞紐的設(shè)計研究，特別分析對比了底欄柵壩廊道無壓狀態(tài)時的水力計算與實(shí)際工程的布置，對于合理選擇底欄柵壩水力計算的方法具有參考意義。

底欄柵壩 廊道 無壓 水力計算

1 工程概況

阿壩縣若果朗水利工程位于阿柯河流域，由一座取水樞紐、一條輸水干渠、四條支渠及渠系建筑物等組成，干渠全長20.819km，灌溉面積0.334萬hm2，干渠渠首設(shè)計流量2.05m3/s。該工程規(guī)模為Ⅲ等(中型)水利工程。

2 基本地質(zhì)條件

阿柯河庫區(qū)河流總體流向N31°E，河床高程3411.00m～3420.00m，河床平均比降4.2‰，枯水期河水面寬一般20.0m～40.0m，谷底寬90.0m～160.0m，河谷兩岸呈不對稱“U”型谷。右岸基巖裸露，岸坡坡角一般40～50°，左岸多發(fā)育Ⅱ、Ⅲ級階地，階面向河谷微傾，傾角4°～7°，沿河谷呈帶狀分布。

庫區(qū)河床廣泛分布第四系全新統(tǒng)現(xiàn)代河流沖積(Q42al)、近代河流沖積(Q41al)、上更新統(tǒng)河流沖積(Q3al)，庫周山體基巖為三疊系中統(tǒng)扎尕山群(T2zg)地層。

3 取水建筑物布置

阿柯河工程河段汛期洪量大、流量集中，庫區(qū)泥沙以懸移質(zhì)為主，由地勘成果可知，取水樞紐河段河床覆蓋層相對較深，根據(jù)樞紐區(qū)的水文及工程地質(zhì)等條件，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦采用底欄柵壩攔河取水。

底格欄柵壩垂直于河床布置，采用溢流壩型式，基礎(chǔ)置于碾壓后的漂卵礫石夾砂層上。壩軸線長60.0m，溢流壩頂高程為3414.20m，欄柵壩段布置在溢流壩右側(cè)，頂高程為3413.90m，欄柵段長6.0m，頂寬2.7m，其內(nèi)布置進(jìn)水廊道，進(jìn)水廊道采用矩形橫斷面，寬1.5m，長6.0m，縱坡1∶15，廊道末端接縱坡為1∶400的引水暗渠，引水暗渠末端設(shè)置節(jié)制閘一座，沉沙池緊接節(jié)制閘布置，沉砂池末端設(shè)置干渠進(jìn)水閘和沖沙閘；底欄柵壩上游側(cè)河床設(shè)長15.0m鋪蓋，下游側(cè)設(shè)長13.0m消力池和長35.0mM10漿砌卵石海漫，海漫末端設(shè)防沖槽。取水樞紐布置詳見圖1和圖2。

4 廊道水力計算

底欄柵壩由欄柵處進(jìn)水，經(jīng)無壓廊道進(jìn)入沉沙池，最后進(jìn)入干渠，渠首水位受廊道內(nèi)水頭損失的影響；進(jìn)入廊道的水流由于脈動、擾動和摻混，水流運(yùn)動比較復(fù)雜，其特性與廊道底坡、過水?dāng)嗝娴男螤詈统叽绱笮∮嘘P(guān)，廊道內(nèi)水面曲線的計算，有近似等流速法和差分法兩種常用的方法，下面分別用這兩種方法進(jìn)行計算并比較。

4.1 近似等流速法計算

圖1 取水樞紐平面布置

圖2 取水樞縱剖面

將廊道的非均勻變流量沿長度方向分為幾段，假定各段上流量為一常數(shù)，根據(jù)流量、廊道寬度，就能計算出每段的水深、水頭損失及底部各點(diǎn)高程，連接各點(diǎn)高程，則得廊道底部縱坡。一般廊道底部縱坡在廊道開始處比較陡，出口處緩，形成一弧形的縱坡。但為了方便施工，將弧形改為折線。根據(jù)已知的廊道寬度和長度。即可用明渠流謝才公式計算分段水頭損失△h?，F(xiàn)將廊道分為5段，每段長度△x=1.0m。

△h=i△x=Vcp2△x/Ccp2Rcp

C=R/n

計算成果見表1。由計算可知，當(dāng)采用近似等流速法計算時的總水頭損失為0.06m。

表1 廊道內(nèi)水頭損失計算成果

4.2 差分法計算

廊道內(nèi)水流情況與側(cè)槽溢洪道的側(cè)槽水流形態(tài)基本相似，所以可以應(yīng)用計算側(cè)槽內(nèi)水面曲線的方法來計算廊道內(nèi)的水面曲線。計算側(cè)槽內(nèi)水面曲線的方法很多，現(xiàn)用海因茲所提出的差分方法進(jìn)行計算。

差分法的表達(dá)式為[2]：

Q2=Q1+q△s

式中： △s——計算流段長度，m；

△t——計算流段△s兩端面的水位差，m；

ν1、ν2——分別為計算流段上下游斷面平均流速，m/s；

R1、R2——分別為計算流段上下游斷面平均水力半徑，m；

Q1、Q2——分別為計算流段上下游斷面所通過的流量，m3/s；

q——入流的單寬流量，m3/(s·m)。

緩坡廊道中水面曲線是從出口面水深h1向上游推算的，因此，必須首先確定廊道出口斷面水深，但它受水流銜接方式的影響，廊道出口斷面水深計算見表2。廊道水面線推求最終結(jié)果見表3，由計算可知，當(dāng)采用差分法計算時的總水頭損失為0.25m。

表2 廊道出口斷面水深計算表

表3 廊道水面曲線計算表

4.3 計算成果對比分析

由計算結(jié)果可以看出，在取水流量、欄柵尺寸與廊道尺寸完全相同的情況下，用近似等流速法計算出來的水頭損失為0.06m，用差分法計算出來的水頭損失為0.25m，近似等流速法所計算的水頭損失僅為差分法所計算的水頭損的24%，這是因?yàn)榻频攘魉俜ㄓ嬎愕乃^損失值僅考慮了加大糙率的摩擦損失，而忽略了廊道內(nèi)沿程的沖擊旋射和紊流引起的水頭損失，故與實(shí)際工程出入較大。由于底欄柵進(jìn)流量的大小與廊道的流態(tài)密切相關(guān)，為保證渠首的進(jìn)流量及水位，本工程推薦采用差分法進(jìn)行廊道內(nèi)水面曲線的推求。

5 結(jié)語

底欄柵壩廊道水力計算，是確定整個取水樞紐進(jìn)流量及水頭損失的重要環(huán)節(jié)，本文通過實(shí)際工程的布置及水力計算的對比分析，結(jié)合工程實(shí)際情況，選擇更為合理的底欄柵壩廊道水力計算方法，以保證取水樞紐取水的可靠性，對于今后設(shè)計底欄柵壩具有參考意義。

〔1〕宋祖詔，張思俊，詹美禮.取水輸水建筑物叢書取水工程[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

〔2〕SL253-2000，溢洪道設(shè)計規(guī)范[S].

舒革非(1969.2-)，男，四川省水利水電勘測設(shè)計研究院規(guī)劃設(shè)計分院工程師，從事水利水電工程設(shè)計工作；韓沛東(1989.12-)，男，四川省水利水電勘測設(shè)計研究院規(guī)劃設(shè)計分院助理工程師，從事水利水電工程設(shè)計工作；

李金龍(1988.06-)，男，四川省水利水電勘測設(shè)計研究院規(guī)劃設(shè)計分院助理工程師，從事水利水電工程設(shè)計工作?！?/p>

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2095-1809(2017)04-0037-03