蘇布雷水電站尾水渠水力學(xué)分析

王樹平,陳世才,喻 暢

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

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蘇布雷水電站尾水渠水力學(xué)分析

王樹平,陳世才,喻 暢

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

蘇布雷水電站尾水渠長度較長，布置較復(fù)雜，要求在滿足尾水出流功能的同時要盡量改善尾水流態(tài)，降低水頭損失以滿足電站水輪機及發(fā)電機出力要求，并盡量減少開挖及混凝土工程量。本文針對經(jīng)多方比較確定的尾水渠推薦布置方案進(jìn)行尾水渠水力學(xué)分析，計算水頭損失，推求渠道水面線，驗證了各工況下尾水閘前水位能滿足水輪機及發(fā)電機出力要求，尾水渠布置及底板、邊墻的襯砌范圍設(shè)置是合適的。

長尾水渠；恒定非均勻漸變流；當(dāng)量糙率；水頭損失；水面線

1 工程概況

蘇布雷水電站位于科特迪瓦西南部，薩桑德拉河中下游河段納瓦(Nawa)瀑布附近，壩址距首都阿比讓約350 km，水庫集水面積約6.2萬km2，為日調(diào)節(jié)電站。電站廠房型式為地面廠房，廠內(nèi)安裝3臺混流式機組，單機容量90 MW，總裝機容量270 MW。

電站尾水渠沿原河床開挖形成，總長約2 072.67 m。尾水渠由反坡段、漸變段、順坡段及出口段組成，斷面形狀由梯形漸變到矩形，底寬為24～66.8 m，起始端高程為89.6 m，末端高程為101.5 m，渠道開挖基礎(chǔ)均為基巖。尾水渠出口上游側(cè)有一跨河橋，該橋需拆除并原址重建。渠道通過底板及局部邊墻混凝土襯砌的方式來降低糙率，保證機組出力要求。尾水渠布置見圖1。

圖1 蘇布雷水電站尾水渠布置

為滿足水輪機與發(fā)電機出力要求，在尾水渠出口上游側(cè)橋梁原址重建的前提下，根據(jù)業(yè)主的要求，采用美國規(guī)范對尾水渠進(jìn)行了水頭損失計算和水面線推求，驗證尾水水位是否滿足出力要求以及尾水渠結(jié)構(gòu)布置的合理性。

2 計算基本資料及參數(shù)選取

2.1 流 量

廠房單機引用流量為238 m3/s，PMF洪水流量為5 500 m3/s，上游河道生態(tài)流量按50 m3/s過流。

尾水渠出口水位流量關(guān)系曲線采用招標(biāo)文件中的水位流量關(guān)系曲線(見圖2)。

2.2 出力要求

為滿足電站三臺機滿發(fā)情況下，單機水輪機出力90 MW和單機發(fā)電機出力90 MW的要求，需要限制尾水最高水位，經(jīng)計算，控制水位見表1。

2.3 糙率的選取

渠道糙率對于尾水渠水力學(xué)分析至關(guān)重要，本項目為國外工程，糙率按美國墾務(wù)局《混凝土重力壩設(shè)計》以及美國陸軍工程兵團(tuán)《溢洪道設(shè)計》中相關(guān)要求進(jìn)行選取。

圖2 尾水渠出口水位流量關(guān)系曲線

項 目數(shù)值水庫正常蓄水位/m152．0引水鋼管水力損失/m0．9尾水管出口閘門口局部損失/m0．3重力加速度/m2·s-19．78水的密度/kg·m-3997水輪機流量/m3238水輪機效率/%94發(fā)電機效率/%98水輪機出力/MW90發(fā)電機出力/MW90水輪機出力90MW對應(yīng)尾水位/m109．5發(fā)電機出力90MW對應(yīng)尾水位/m108．7

2.3.1 國外規(guī)范中的糙率取值

(1)美國墾務(wù)局《混凝土重力壩設(shè)計》給出的設(shè)計人工渠道常用的糙率n值見表2：

表2 美國墾務(wù)局設(shè)計人工渠道常用的n值

(2)美國陸軍工程兵團(tuán)《溢洪道設(shè)計EM 1110-2-1603》給出的有效糙率k值換算成n值的計算：

式中f——為阻尼系數(shù)，為無量綱參數(shù)；

R——為水渠的水力半徑，單位為英尺。

換算得到的n值見表3。

(3)綜合以上標(biāo)準(zhǔn)對糙率的規(guī)定，不襯砌明渠邊墻、底板糙率n值取偏于保守的0.033；襯砌后糙率n值取0.014。

2.3.2 當(dāng)量糙率的計算

尾水渠結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足水力要求的同時，應(yīng)盡量減少開挖及混凝土工程量，尾水渠各分段采用不同的襯砌形式。渠道濕周各部分的糙率不同時，可采用下述方法求得當(dāng)量糙率n當(dāng)作為全斷面統(tǒng)一的糙率，進(jìn)行水力計算。

設(shè)總濕周x的各組成部分x1、x2…xN所對應(yīng)的糙率分別為n1、n2…nN,其中最大的糙率為nmax，最

表3 美國陸軍工程兵團(tuán)有效糙率k值及換算n值

小的糙率為nmin，其當(dāng)量糙率的計算公式如下：

當(dāng)nmax/nmin≤2時：

當(dāng)nmax/nmin>2時：

3 水力學(xué)分析

3.1 局部水頭損失計算

式中 ξ——局部水頭損失系數(shù);

v——水流流速或平均流速。

(2)橋墩局部水頭損失。對尾水渠靠近出口處的跨河橋，根據(jù)橋及橋墩的結(jié)構(gòu)形式，本計算中對橋墩的局部水頭損失采用攔污柵模型：

式中 β——柵條形狀系數(shù);

s——柵條寬度；

b——柵條間距；

α——柵面傾角；

v——過柵平均流速。

(3)局部水頭損失計算結(jié)果。根據(jù)尾水渠的布置，分別對各個產(chǎn)生局部水頭損失的部位進(jìn)行計算，結(jié)果見表4。

表4 尾水渠局部水頭損失計算

3.2 尾水渠水面曲線推求

尾水渠按渠道非均勻流進(jìn)行水面線推求，主要是求出沿程各斷面的水深，即水面曲線。

棱柱形渠道水面曲線的基本微分方程：

式中h——水深/m；

l——流程長度/m；

J——水力坡度；

Fr——佛汝德數(shù)。

水面曲線的定量計算：用分段求和法求水面曲線，即把非均勻流分成若干段，利用能量方程由控制水深的一端逐段向另一端推算。其基本計算公式為：

式中 Δli——流段長度,m；

vi、vi+1——分別表示斷面平均流速,m·s-1；

非棱柱形渠道水面曲線的計算：同樣采用分段求和法，因此計算公式同棱柱形渠道。計算方法如下：

假設(shè)起始斷面和終止斷面的底寬與邊墻系數(shù)分別為：b1、b2、m1、m2，再把漸變段分成n段，每小段的長度為Δl。則第n段和第n+1段的底寬分別為：

bn=b1+(b2-b1)nΔl/l

bn+1=b1+(b2-b1)(n+1)Δl/l

mn=m1+(m2-m1)nΔl/l

mn+1=m1+(m2-m1)(n+1)Δl/l

式中l(wèi)——渠道總長，m；

Δl——每段流程長，m。

設(shè)n斷面的水深已知為hn，由bn、mn可算出Esn。

只需計算出n+1斷面的Cn+1、Rn+1、νn+1、En+1即可，而它們均是hn+1的函數(shù)。

3.3 計算成果及分析

3.3.1 計算成果

根據(jù)以上水文資料及計算方法，分別推算了一臺機、兩臺機、三臺機及PMF洪水工況下的尾水渠水面線，推求得尾水渠入口(廠房尾水管出口)水位見表5。

其中，三臺機發(fā)電工況下推求得水面線見圖3。

3.3.2 成果分析

根據(jù)以上分析計算，三臺機發(fā)電情況下，水面線推求得尾水管出口水位為108.62m，能夠同時滿足水輪機及發(fā)電機出力滿發(fā)要求；PMF洪水情況下，尾

表5 尾水管出口水位推算值

圖3 尾水渠水面線示意

水管出口水位為111.69m，低于廠區(qū)地面高程115.40m，滿足廠房防洪要求。

根據(jù)水力學(xué)分析，尾水渠各分段采用不同的襯砌形式，結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足水力要求的同時，減少了開挖及混凝土工程量，尾水渠布置及底板、邊墻的襯砌范圍設(shè)置是合適的。三臺機發(fā)電工況下，分別滿足水輪機和發(fā)電機出力滿發(fā)尾水位要求的尾水渠底板和邊墻襯砌范圍(見表6)。

表6 尾水渠底板及邊墻襯砌長度

4 結(jié) 語

蘇布雷水電站尾水渠長度超過2km，是少有的長尾水渠電站。通過水力學(xué)分析，表明尾水渠水位能夠滿足電站出力要求及防洪要求，驗證了結(jié)構(gòu)布置的合理性。工程設(shè)計相關(guān)的尾水渠計算書、結(jié)構(gòu)及開挖圖已經(jīng)獲得了咨詢工程師的認(rèn)可，正在進(jìn)行施工。本設(shè)計中采用國外規(guī)范的計算方法及參數(shù)要求進(jìn)行尾水渠水力學(xué)分析，對今后類似的國外水電站尾水渠水力學(xué)計算分析有一定借鑒作用。

[1] 吳持恭.水力學(xué)[M].高等教育出版社，1982.

[2] 李榮.關(guān)于影響曼寧糙率系數(shù)n值的水力因素探討[J].水利學(xué)報,1989,(12):62-66.

[3]UNITEDSTATESDEPARTMENTOFTHEINTERIOR.DESIGNOFGRAVITYDAMS[J].AWaterResourcesTechnicalPublication,1976.

[4]DepartmentoftheArmyU.S.ArmyCorpsofEngineersEM1110-2-1603,HYDRAULICDESIGNOFSPILLWAYS[J].DistributionRestrictionStatement, 1992.

2016-03-21

王樹平(1977-)，男，吉林白山人，高級工程師，從事水工設(shè)計工作。

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