淺析益地龍達(dá)河底欄柵取水壩水力學(xué)問題

摘 要：根據(jù)水力學(xué)原理，對(duì)底欄柵進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算，計(jì)算包括廊道進(jìn)水流量計(jì)算、聯(lián)合泄流計(jì)算、廊道水面線計(jì)算等內(nèi)容，通過計(jì)算為龍達(dá)河底欄柵取水壩的結(jié)構(gòu)尺寸擬定提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：底欄柵 水力計(jì)算 水面線 廊道。

1 引言

底欄柵式引水（又叫跌落式引水），即在溢流堰頂鋪設(shè)欄柵，水流透過柵孔跌落于壩內(nèi)廊道，并經(jīng)過水閘流入渠道。凡大于柵孔的礫石或粗砂被阻于柵外，隨過堰水流排至河道下游;小于柵孔的粗砂進(jìn)入渠道，并由渠道沉砂池或排沙閘等進(jìn)行處理。這種形式用于沙礫和漂石多、河道比降陡的山溪性河流上的中小型引水工程（引水流量通常在10立方米/秒以下，有條件的地方引水流量可達(dá)到30立方米/秒）。底欄柵式引水是發(fā)展山區(qū)水利的一種較好的布置形式，值得研究推廣。

2 工程概況

龍達(dá)河取水壩主要為益地水電站水力發(fā)電提供部分水資源，取水壩布置型式采用底欄柵式。根據(jù)DL 5180- 2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，龍達(dá)河取水建筑物按4級(jí)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)取水流量為9.6m3/s，考慮沿程滲漏損失約0.4m3/s（按取水流量的4%考慮），則取設(shè)計(jì)流量為10.0m3/s。

本工程通過底欄柵取水，并與明渠、側(cè)堰以及沉沙池等其他樞紐的聯(lián)合使用，控制設(shè)計(jì)使用流量，對(duì)底欄柵進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算，可以為取水建筑物底欄柵的結(jié)構(gòu)尺寸擬定提供依據(jù)。

3 廊道進(jìn)水流量的計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)布置，初擬廊道寬度b=2.0m，柵條為梯形鋼柵條，高為40mm，上底寬為14mm，下底寬為6mm，上底間隙為12mm，下底間隙為20mm，取柵條傾斜坡度i=0.1。由于欄柵間隙常被礫石、樹枝、雜草等堵住，實(shí)際采用的取水口長(zhǎng)度可比計(jì)算值增加約30%。

根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)（灌區(qū)建筑物）》，當(dāng)過柵水流部分進(jìn)入廊道時(shí)，其計(jì)算公式：

式中 μ——欄柵孔口的流量系數(shù);

L——欄柵長(zhǎng)度（垂直于河道水流方向）（m）;

b——欄柵水平投影寬度（m）;

P——欄柵間隙系數(shù);

s——柵條間隙寬（mm）;

t——柵條寬（mm）;

——欄柵頂部的平均水深，，其中h1、h2分別為欄柵上、下游邊緣水深。

根據(jù)E.A扎馬林試驗(yàn)研究，h1比相應(yīng)臨界水深hk1應(yīng)小10%，h2比相應(yīng)臨界水深hk2應(yīng)小27%，則：

式中：hk1、hk2——欄柵上、下游邊緣臨界水深;

Q1、Q2——欄柵上、下游流量;

當(dāng)過柵流量全部進(jìn)入廊道時(shí)，h2=0，則式（2-3）為：

根據(jù)柵條形式，查《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)（灌區(qū)建筑物）》表38-2-12：取μ=0.41。

Q1=10.0m3/s，b=2.0m

將以上數(shù)據(jù)代入公式（3-3），計(jì)算得：L=16.211m。

考慮欄柵間隙常被礫石、樹枝、雜草等堵住，實(shí)際采用的取水口長(zhǎng)度增加30%，L=16.211×1.3=21.075m，則取L=22m。

根據(jù)地形地質(zhì)、工程結(jié)構(gòu)布置條件，取水壩段左側(cè)布置寬21.0m的溢流堰。將取水段和溢流段視為寬頂堰，二者聯(lián)合泄流，通過寬頂堰公式計(jì)算下泄流量。

寬頂堰按下式計(jì)算：

式中：Q——流量，m3/s;

b——溢流堰總凈寬，m;

h0——計(jì)入行進(jìn)流速的堰上水頭，m;

m——流量系數(shù)，，（）;m=3.6，;

ε——側(cè)收縮系數(shù)，計(jì)算公式如下：

當(dāng)b/B<0.2時(shí)，用b/B=0.2計(jì)算，當(dāng)p/H>3.0時(shí)，用p/H=3.0計(jì)算。

式中：

α——系數(shù)，閘墩（或邊墩）墩頭為矩形，寬頂堰進(jìn)口邊緣為直角時(shí)，α=0.19;閘墩（或邊墩）墩頭為曲線形，寬頂堰進(jìn)口邊緣為直角或圓弧時(shí)，α=0.10。

B——上游引渠寬，對(duì)于梯形斷面，近似用一半水深處的渠道寬，即B=b′0+mh/2，b′0為底寬，m為邊坡系數(shù)，h為渠道水深。

當(dāng)取水段上通過10.0 m3/s流量時(shí)，代人公式（2-4）和（2-5）得：H0=0.454m。

4 廊道斷面設(shè)計(jì)

下面采用《水工設(shè)計(jì)手冊(cè) （泄水與過壩建筑物）》P6-220棱柱體側(cè)槽的水力設(shè)計(jì)中的近似方法來(lái)確定控制斷面。以設(shè)計(jì)引用流量為控制流量來(lái)計(jì)算廊道深度。

4.1 廊道內(nèi)流態(tài)判別

式中：

Ak、Bk——控制斷面的過水?dāng)嗝娣e和水面寬度，m2、m;

Q——各斷面處的實(shí)際流量，m3/s;

i0——側(cè)槽底坡;

L——側(cè)槽長(zhǎng)度，m。

要確定廊道深度，必須先知道控制斷面的位置，根據(jù)控制斷面位置計(jì)算水面線，再根據(jù)水面線確定廊道深度?？刂茢嗝嫖恢每梢杂门R界曲線法求得。

具體步驟如下：

1）按已知的Q、i0、L，算出式（2-6）的右端值，即;

2）將側(cè)槽分為若干計(jì)算斷面，列表計(jì)算各斷面的Ak、Bk;

3）繪制Ak·Bk～x關(guān)系曲線;

4）在曲線上取，即可求出相應(yīng)的x=xk，定出控制斷面的位置;

5）若在Ak·Bk～x曲線上無(wú)可解之點(diǎn)，說(shuō)明側(cè)槽內(nèi)全為緩流，則在槽末接一水平段，水平段長(zhǎng)度可以取3～4倍臨界水深或更長(zhǎng)一些。

詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見圖1。

當(dāng)引進(jìn)流量為10.0m3/s時(shí)：

由圖可知，在曲線上無(wú)可解之點(diǎn)，故槽內(nèi)全為緩流。

設(shè)計(jì)引用流量對(duì)應(yīng)的臨界水深：

側(cè)槽末接平臺(tái)長(zhǎng)度可取4倍hk即5.464m，結(jié)合結(jié)構(gòu)布置最終確定。

4.2廊道水面線計(jì)算

無(wú)壓流廊道內(nèi)的水流為變量流，在作近似計(jì)算時(shí)，側(cè)槽末端斷面水深按下式定出：

式中：

n——系數(shù)，查《水力計(jì)算手冊(cè)》第二版表6-2-1，得n=1.3。

hk——臨界水深。

根據(jù)側(cè)槽末端水深hL，采用差分法進(jìn)行水面線計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4-2：

式中：

Δs——計(jì)算流程長(zhǎng)度，m;

Δz——計(jì)算流程Δs兩端斷面的水位差，m;

J——計(jì)算流程內(nèi)的平均水力坡降，;

v1，v2——計(jì)算流程上、下游斷面的平均流速，m/s;

Q1，Q2——計(jì)算流程上、下游斷面通過的流量，m3/s;

q——側(cè)向流入廊道的單寬流量，m3/s。

根據(jù)計(jì)算的水面線結(jié)果，加上安全超高1.0m，故

h=1.905+1.0=2.905m

為安全起見，取廊道高度h=3.2m。

5 結(jié)論

底欄柵取水壩在工程中得到廣泛的運(yùn)用，其水力學(xué)計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的問題，本文以益地龍達(dá)河工程為例，淺述了底欄柵取水中的水力學(xué)計(jì)算過程。本文中為了計(jì)算簡(jiǎn)便，存在一定結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化假定，故還需進(jìn)一步深入探討。

參考文獻(xiàn)

[1]《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)（灌區(qū)建筑物）》;

[2]《水力計(jì)算手冊(cè)》第二版;

[3]彭薇薇，大流量底格攔柵壩探討，《四川水利發(fā)電》，2004.9。

作者簡(jiǎn)介：

王兵鋒（1986-），男，湖北棗陽(yáng)人，大學(xué)本科，工程師，主要從事土建設(shè)計(jì)。