學(xué)科灘水庫(kù)樞紐水力設(shè)計(jì)

林曉紅，雷忠義

(黑龍江省巴彥縣水務(wù)局，黑龍江巴彥151800)

學(xué)科灘水電站位于青海省互助土族自治縣境內(nèi)。工程所在地位于黃河二級(jí)支流大通河中游互助土族自治縣巴扎鄉(xiāng)甘禪口附近。引水樞紐距甘禪口2.0 km，發(fā)電樞紐距甘禪口0.8 km，是一座混合式水電站。

在黃河二級(jí)支流大通河中游段上修建學(xué)科灘水電站對(duì)于緩解西寧電網(wǎng)用電緊張局面，促進(jìn)本地區(qū)民族經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是有著十分重要的意義。

1 土石壩的設(shè)計(jì)

1.1 建筑物的組成

擋水建筑物:土石壩、溢流壩、左岸付壩;泄水建筑物:溢流壩;水電站引水建筑物:引水發(fā)電隧洞;泄洪沖砂閘。

1.2 筑壩材料

沙卵礫石:壩址上下游河床覆蓋有豐富的沙卵礫石，便于就地取材。

1.3 土石壩壩頂高程

通過已對(duì)土石壩的壩頂高程進(jìn)行的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果取土石壩壩頂高程為2 371.68 m。

1.4 壩頂寬及馬道設(shè)計(jì)

壩頂寬B=5 m，壩高h(yuǎn)=2371.68－2353.50=18.18 m，低壩，上游坎坡采用不變坡率1∶2.5;下游坎坡不設(shè)馬道，且下游采用不變坡率n=1∶1.8。壩頂采用碎石路面，厚0.5 m，上游設(shè)混凝土防浪墻，防浪墻與砌石護(hù)坡緊密連接。

1.5 壩體排水形式

采用棱體排水，該區(qū)石料豐富，下游水位在設(shè)計(jì)尾水位時(shí)為2 357.60m，校核尾水位時(shí)為2 359.00 m。棱體排水內(nèi)坡為1∶1，外坡取為 1∶1.5，上寬 b取1.8 m，棱體高程為2 358.50 m。

1.6 反濾層

水平反濾層為0.3 m，鉛直或傾斜反濾層取0.5 m。

1.7 護(hù)坡形式

上游采用砌石護(hù)坡，厚取0.3 m，護(hù)坡自壩頂伸至死水位以下3 m，高程為2 362.00 m，下游采用干砌石護(hù)坡厚為0.3 m。上下游各設(shè)厚0.2 m碎石的墊層，后壩腳設(shè)有3.0 m厚的超徑塊石擴(kuò)坡，護(hù)坡頂高程為2 362.00 m，壩后還可以堆放一些開挖石料，其作用為防沖刷和壓坡穩(wěn)定。

2 溢流壩的設(shè)計(jì)

2.1 堰形設(shè)計(jì)

本實(shí)用堰與反弧段采用1∶0.7的斜坡相連。堰面末端與陡坡連接點(diǎn)的位置可按下式確定:

由上式求得:xc=1.991 m，yc=1.537 m。WES曲線計(jì)算如表1:

表1 WES曲線計(jì)算值

溢流堰上游采用三圓弧，其三圓弧的參數(shù)為

2.2 反弧段半徑確定

壩址處的流速可按下式確定

式中:E0為收縮斷面處的總能量;忽略行近流速水頭，已知校核水位為2 370.60 m，下游河床高程為2 353.50 m，E0= 17.1 m;qc為單寬流量，qC=Q/b=3.4 m3/s·m，Q= 80 m3/s，取φ=0.95，由上式迭代求得hc=0.197 m。

則壩址處的流速為

由(2.3)得

2.3 消能設(shè)計(jì)

1)由于水頭較低，采用底流式消能［7］。消能設(shè)施選用消力池，消力池布置于與反弧段相連接，消力池的寬度取為與溢流壩同寬，即B0=23.5 m。

由已知hc=0.197 m;hc的共軛水深為:

由上式得

如果所有泄水建筑物在校核洪水位時(shí)均泄流，這時(shí)下游水深ht=2357.60－2353.00=4.6 m，因ht＞h″c，所以產(chǎn)生淹沒水躍，故不需建消力池。

但是在實(shí)際運(yùn)行中，有可能會(huì)出現(xiàn)其他建筑物閘門尚未開啟，而僅僅是溢流堰泄流，這時(shí)下游水深只有1.89 m，小于h″c，這時(shí)仍有必要修建消力池，防止下游河床沖刷。

2)降低護(hù)坦形成的消力池［8］

設(shè)一系列池深d，然后分別由(4)、(5)式求出相應(yīng)的hc1和，代入(6)式計(jì)算ΔZ，試算得d=2.5 m。

3)消力池的底板高程確定

消力池的底板高程△H=2353.50－2.5=2 351.90 m。

4)池長(zhǎng)L的計(jì)算

消力池的長(zhǎng)度必須保證水躍不越出池外，所以消力池的長(zhǎng)度可以從水躍長(zhǎng)度出發(fā)來考慮。但消力池內(nèi)的水躍受到消力池末端的垂直壁面產(chǎn)生的一個(gè)反向作用力，減少了水躍長(zhǎng)度。所以消力池內(nèi)的水躍長(zhǎng)度僅為平底渠道中自由水躍長(zhǎng)度的70%～80%。

由此可得:自由水躍長(zhǎng)度為L(zhǎng)j=6.1h″c=6.1×3.45= 21.0 m;

Lk=(0.7～0.8)×21.0=(14.7～16.8)m，取消力池的水平長(zhǎng)度為16.0 m。

5)消力池邊墻的確定

消力池中最大水深為躍后水深3.45 m，邊墻超高一般取(0.5～1.5)m，所以邊墻高度為(3.95～4.95)m，取溢流堰消力池右邊擋水墻高度為5 m，長(zhǎng)為16 m。但是，如果表孔、泄洪沖砂閘以及溢流壩在校核水位同時(shí)運(yùn)行時(shí)，那么溢流堰消力池右邊擋水墻高度應(yīng)以通過最大洪水時(shí)的下游水位加上超高確定(見表孔設(shè)計(jì))。消力池左邊墻高度和長(zhǎng)度按表孔設(shè)計(jì)要求為準(zhǔn)。

6)消力池的構(gòu)造

根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)6》中消力池的構(gòu)造及布置要求進(jìn)行選取，其選取結(jié)果如下:消力池底板厚度0.8 m，底板表層設(shè)30 cm混凝土。消力池底設(shè)排水孔，孔距2 m，梅花型布置。底板與基礎(chǔ)之間設(shè)無紡?fù)凉げ甲鳛榉礊V材料。

7)海漫的長(zhǎng)度

根據(jù)海漫長(zhǎng)度Lp的估算方法Lp=(8.5～12.5)ht。式中Lp為海漫長(zhǎng)度，m;ht為下游水深，將ht=1.89 m代入海漫長(zhǎng)度公式得

Lp=(8.5～12.5)×1.89=(16.065～23.625)m;本設(shè)計(jì)由于溢流堰的設(shè)計(jì)流量較小，防沖能力要求較小，則取Lp=20 m。

［1］ 索麗生，任華旭，胡明.水利水電工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指南［J］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2000.

［2］ 韓玙，葉林.水利水電工程學(xué)習(xí)指導(dǎo)(下冊(cè))［J］.西安:陜西人民出版社，2005.