王 新，胥 慧

(1.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，松花江項(xiàng)目處；2.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，水電站處結(jié)構(gòu)一室)

渠道引水式電站對于非自動調(diào)節(jié)引水渠道末端與前池連接段一般布置前池側(cè)堰，當(dāng)電站在設(shè)計(jì)流量下正常水位運(yùn)行時側(cè)堰不溢流，當(dāng)電站突然丟棄全部負(fù)荷或部分負(fù)荷時，全部流量或部分流量從側(cè)堰溢流。電站丟棄負(fù)荷時，可能對廠房或輸電線路造成重大事故，因此，合理設(shè)計(jì)前池側(cè)堰對于電站安全起到?jīng)Q定性作用。

1 工程簡介

某電站廠房前池側(cè)堰為漿砌石外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，渠道前池側(cè)堰過流計(jì)算中，渠道的設(shè)計(jì)水位282.00m，最大引用流量Q=60m3/s,考慮滿足發(fā)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(fēng)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(shí)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(shè)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(hù)砌，海漫段長度25m。前池側(cè)堰的設(shè)計(jì)水位282.00m，電站廠區(qū)地面高程284.45m。前池側(cè)堰縱剖布置圖見圖1。

圖1 前池側(cè)堰縱剖布置圖

2 過流能力計(jì)算

WES堰型過流能力計(jì)算公式：

(1)

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

2.1 堰上水頭

在電站突然停機(jī)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(cè)堰待水流穩(wěn)定后全部流量從側(cè)堰溢流出時為計(jì)算工況，此時側(cè)堰堰上首末水頭近似看作相等，擬定堰前穩(wěn)定水位H1=0.95m。

2.2 流量系數(shù)

P1/H1≥1.33，稱為高堰，計(jì)算中可不計(jì)行進(jìn)流速水頭。在這種情況下，當(dāng)實(shí)際的工作全水頭等于設(shè)計(jì)水頭，即H0/H1=1時，流量系數(shù)md=0.502，本次計(jì)算取0.94m0=0.472。

2.3 淹沒系數(shù)

文章所述前池側(cè)堰上水流不受下游水位及護(hù)坦高程影響，屬于為自由出流，計(jì)算過程中淹沒系數(shù)σs=1。

2.4 側(cè)收縮系數(shù)

考慮邊墩及閘墩頭部對過流能力的影響，需計(jì)算側(cè)收縮系數(shù)ε1，經(jīng)驗(yàn)公式：

(2)

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

依據(jù)WES堰型過流能力公式，選取相應(yīng)參數(shù)，試算堰上水頭0.95m時前池側(cè)堰的過流能力和長度，具體結(jié)果見表1。

表1 過流能力計(jì)算成果表

由以上計(jì)算可以知道，堰設(shè)計(jì)下泄流量均大于電站機(jī)組同時突然停機(jī)時候的最大引用流量Q=60.0m3/s，滿足要求。

3 體型設(shè)計(jì)

文章中所設(shè)計(jì)的前池側(cè)堰采用WES型實(shí)用堰，上游壩面鉛直。堰頂O點(diǎn)上游曲線，采用三段復(fù)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(qiáng)分布，減小負(fù)壓。堰頂O點(diǎn)下游曲線由公式(3)計(jì)算，k=0.5，n=1.85。圖2為前池側(cè)堰體型設(shè)計(jì)曲線段剖面示意圖。

圖2 前池側(cè)堰體型設(shè)計(jì)曲線段剖面示意圖

從圖2上控制點(diǎn)的坐標(biāo)可知，設(shè)計(jì)水頭Hd直接影響前池側(cè)堰的剖面曲線的坐標(biāo)值，而設(shè)計(jì)水頭是電站全部丟棄負(fù)荷時，側(cè)堰待水流穩(wěn)定后全部流量從側(cè)堰溢流出相應(yīng)的堰上水頭，但在溢流堰實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)水頭Hd必須滿足在允許的水頭變化范圍內(nèi)，既有足夠的過流能力，又不會使堰面產(chǎn)生過大的負(fù)壓。工程中經(jīng)常采用的設(shè)計(jì)水頭Hd=(0.75-0.95)Hmax(Hmax與過流能力計(jì)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(cè)堰剖面體型設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)水頭。表2為三段復(fù)合圓弧水平距離和相應(yīng)半徑。

表2 復(fù)合圓弧水平距離及相應(yīng)半徑值

O點(diǎn)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(shè)計(jì)水頭代入計(jì)算得出以O(shè)點(diǎn)為起點(diǎn)的曲線OC對應(yīng)的X，Y值，具體結(jié)果見表3。

表3 曲線OC坐標(biāo)值

續(xù)表3 曲線OC坐標(biāo)值

直線段CD的設(shè)計(jì)主要取決于溢流堰的穩(wěn)定性，常用坡度為1∶0.7-1∶0.6，文章計(jì)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(cè)堰體型設(shè)計(jì)直線段控制坐標(biāo)點(diǎn)和反弧段半徑的計(jì)算公式及結(jié)果見表4。

依據(jù)以上已知條件和由公式計(jì)算出的結(jié)果分別繪制設(shè)計(jì)水頭0.72m、0.81m、0.95m對應(yīng)的的前池側(cè)堰剖面圖，如圖3所示。

表4 直線段控制坐標(biāo)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(shù)據(jù)及圖可以得出，如果以最大水頭作為設(shè)計(jì)水頭，Hd取0.95m，雖然可以保證前池側(cè)堰堰面不出現(xiàn)負(fù)壓，但是由于機(jī)組同時丟棄全部負(fù)荷這一機(jī)率較小，而實(shí)際工作水頭小于設(shè)計(jì)水頭，堰面壓強(qiáng)一般高于大氣壓強(qiáng)，流量系數(shù)減小，并且前池側(cè)堰剖面偏肥，經(jīng)濟(jì)性較差。反之，如果以0.72m作為設(shè)計(jì)水頭時前池側(cè)堰剖面偏瘦，但已經(jīng)接近工程經(jīng)驗(yàn)規(guī)定的下限值。取設(shè)計(jì)水頭0.81m介于二者之間。因此，從安全和經(jīng)濟(jì)上綜合考慮，文章以0.81m作為設(shè)計(jì)水頭進(jìn)行前池側(cè)堰堰面設(shè)計(jì)比較合理。

4 結(jié) 語

文章針對電站前池與引渠之間設(shè)置的前池側(cè)堰工程具體情況，對前池側(cè)堰進(jìn)行過流能力計(jì)算，以及體型優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過計(jì)算結(jié)果表明，合理擬定電站突然丟棄負(fù)荷時水流穩(wěn)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(jīng)濟(jì)合理堰長的關(guān)鍵。同時驗(yàn)證了工程中經(jīng)常選取(0.75-0.95)Hmax作為設(shè)計(jì)水頭是影響溢流堰體型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因此，合理設(shè)計(jì)溢流堰對于工程經(jīng)濟(jì)和安全具有重要意義。