底栏栅坝廊道水力计算方法浅析

舒革非，韩沛东，李金龙

(四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院，四川 德阳，618000)



底栏栅坝廊道水力计算方法浅析

舒革非，韩沛东，李金龙

(四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院，四川 德阳，618000)

底栏栅坝是一种最简单而又最经济的取水枢纽，在我国运用较广，根据若果朗水利工程底栏栅坝取水枢纽的设计研究，特别分析对比了底栏栅坝廊道无压状态时的水力计算与实际工程的布置，对于合理选择底栏栅坝水力计算的方法具有参考意义。

底栏栅坝 廊道 无压 水力计算

1 工程概况

阿坝县若果朗水利工程位于阿柯河流域，由一座取水枢纽、一条输水干渠、四条支渠及渠系建筑物等组成，干渠全长20.819km，灌溉面积0.334万hm2，干渠渠首设计流量2.05m3/s。该工程规模为Ⅲ等(中型)水利工程。

2 基本地质条件

阿柯河库区河流总体流向N31°E，河床高程3411.00m～3420.00m，河床平均比降4.2‰，枯水期河水面宽一般20.0m～40.0m，谷底宽90.0m～160.0m，河谷两岸呈不对称“U”型谷。右岸基岩裸露，岸坡坡角一般40～50°，左岸多发育Ⅱ、Ⅲ级阶地，阶面向河谷微倾，倾角4°～7°，沿河谷呈带状分布。

库区河床广泛分布第四系全新统现代河流冲积(Q42al)、近代河流冲积(Q41al)、上更新统河流冲积(Q3al)，库周山体基岩为三叠系中统扎尕山群(T2zg)地层。

3 取水建筑物布置

阿柯河工程河段汛期洪量大、流量集中，库区泥沙以悬移质为主，由地勘成果可知，取水枢纽河段河床覆盖层相对较深，根据枢纽区的水文及工程地质等条件，经技术经济比较，推荐采用底栏栅坝拦河取水。

底格栏栅坝垂直于河床布置，采用溢流坝型式，基础置于碾压后的漂卵砾石夹砂层上。坝轴线长60.0m，溢流坝顶高程为3414.20m，栏栅坝段布置在溢流坝右侧，顶高程为3413.90m，栏栅段长6.0m，顶宽2.7m，其内布置进水廊道，进水廊道采用矩形横断面，宽1.5m，长6.0m，纵坡1∶15，廊道末端接纵坡为1∶400的引水暗渠，引水暗渠末端设置节制闸一座，沉沙池紧接节制闸布置，沉砂池末端设置干渠进水闸和冲沙闸；底栏栅坝上游侧河床设长15.0m铺盖，下游侧设长13.0m消力池和长35.0mM10浆砌卵石海漫，海漫末端设防冲槽。取水枢纽布置详见图1和图2。

4 廊道水力计算

底栏栅坝由栏栅处进水，经无压廊道进入沉沙池，最后进入干渠，渠首水位受廊道内水头损失的影响；进入廊道的水流由于脉动、扰动和掺混，水流运动比较复杂，其特性与廊道底坡、过水断面的形状和尺寸大小有关，廊道内水面曲线的计算，有近似等流速法和差分法两种常用的方法，下面分别用这两种方法进行计算并比较。

4.1 近似等流速法计算

图1 取水枢纽平面布置

图2 取水枢纵剖面

将廊道的非均匀变流量沿长度方向分为几段，假定各段上流量为一常数，根据流量、廊道宽度，就能计算出每段的水深、水头损失及底部各点高程，连接各点高程，则得廊道底部纵坡。一般廊道底部纵坡在廊道开始处比较陡，出口处缓，形成一弧形的纵坡。但为了方便施工，将弧形改为折线。根据已知的廊道宽度和长度。即可用明渠流谢才公式计算分段水头损失△h。现将廊道分为5段，每段长度△x=1.0m。

△h=i△x=Vcp2△x/Ccp2Rcp

C=R/n

计算成果见表1。由计算可知，当采用近似等流速法计算时的总水头损失为0.06m。

表1 廊道内水头损失计算成果

4.2 差分法计算

廊道内水流情况与侧槽溢洪道的侧槽水流形态基本相似，所以可以应用计算侧槽内水面曲线的方法来计算廊道内的水面曲线。计算侧槽内水面曲线的方法很多，现用海因兹所提出的差分方法进行计算。

差分法的表达式为[2]：

Q2=Q1+q△s

式中： △s——计算流段长度，m；

△t——计算流段△s两端面的水位差，m；

ν1、ν2——分别为计算流段上下游断面平均流速，m/s；

R1、R2——分别为计算流段上下游断面平均水力半径，m；

Q1、Q2——分别为计算流段上下游断面所通过的流量，m3/s；

q——入流的单宽流量，m3/(s·m)。

缓坡廊道中水面曲线是从出口面水深h1向上游推算的，因此，必须首先确定廊道出口断面水深，但它受水流衔接方式的影响，廊道出口断面水深计算见表2。廊道水面线推求最终结果见表3，由计算可知，当采用差分法计算时的总水头损失为0.25m。

表2 廊道出口断面水深计算表

表3 廊道水面曲线计算表

4.3 计算成果对比分析

由计算结果可以看出，在取水流量、栏栅尺寸与廊道尺寸完全相同的情况下，用近似等流速法计算出来的水头损失为0.06m，用差分法计算出来的水头损失为0.25m，近似等流速法所计算的水头损失仅为差分法所计算的水头损的24%，这是因为近似等流速法计算的水头损失值仅考虑了加大糙率的摩擦损失，而忽略了廊道内沿程的冲击旋射和紊流引起的水头损失，故与实际工程出入较大。由于底栏栅进流量的大小与廊道的流态密切相关，为保证渠首的进流量及水位，本工程推荐采用差分法进行廊道内水面曲线的推求。

5 结语

底栏栅坝廊道水力计算，是确定整个取水枢纽进流量及水头损失的重要环节，本文通过实际工程的布置及水力计算的对比分析，结合工程实际情况，选择更为合理的底栏栅坝廊道水力计算方法，以保证取水枢纽取水的可靠性，对于今后设计底栏栅坝具有参考意义。

〔1〕宋祖诏，张思俊，詹美礼.取水输水建筑物丛书取水工程[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

〔2〕SL253-2000，溢洪道设计规范[S].

舒革非(1969.2-)，男，四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院工程师，从事水利水电工程设计工作；韩沛东(1989.12-)，男，四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院助理工程师，从事水利水电工程设计工作；

李金龙(1988.06-)，男，四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院助理工程师，从事水利水电工程设计工作。■

TV222.2∶TV131.4

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2095-1809(2017)04-0037-03