学科滩水库枢纽水力设计

林晓红，雷忠义

(黑龙江省巴彦县水务局，黑龙江巴彦151800)

学科滩水电站位于青海省互助土族自治县境内。工程所在地位于黄河二级支流大通河中游互助土族自治县巴扎乡甘禅口附近。引水枢纽距甘禅口2.0 km，发电枢纽距甘禅口0.8 km，是一座混合式水电站。

在黄河二级支流大通河中游段上修建学科滩水电站对于缓解西宁电网用电紧张局面，促进本地区民族经济的发展是有着十分重要的意义。

1 土石坝的设计

1.1 建筑物的组成

挡水建筑物:土石坝、溢流坝、左岸付坝;泄水建筑物:溢流坝;水电站引水建筑物:引水发电隧洞;泄洪冲砂闸。

1.2 筑坝材料

沙卵砾石:坝址上下游河床覆盖有丰富的沙卵砾石，便于就地取材。

1.3 土石坝坝顶高程

通过已对土石坝的坝顶高程进行的计算，计算结果取土石坝坝顶高程为2 371.68 m。

1.4 坝顶宽及马道设计

坝顶宽B=5 m，坝高h=2371.68－2353.50=18.18 m，低坝，上游坎坡采用不变坡率1∶2.5;下游坎坡不设马道，且下游采用不变坡率n=1∶1.8。坝顶采用碎石路面，厚0.5 m，上游设混凝土防浪墙，防浪墙与砌石护坡紧密连接。

1.5 坝体排水形式

采用棱体排水，该区石料丰富，下游水位在设计尾水位时为2 357.60m，校核尾水位时为2 359.00 m。棱体排水内坡为1∶1，外坡取为 1∶1.5，上宽 b取1.8 m，棱体高程为2 358.50 m。

1.6 反滤层

水平反滤层为0.3 m，铅直或倾斜反滤层取0.5 m。

1.7 护坡形式

上游采用砌石护坡，厚取0.3 m，护坡自坝顶伸至死水位以下3 m，高程为2 362.00 m，下游采用干砌石护坡厚为0.3 m。上下游各设厚0.2 m碎石的垫层，后坝脚设有3.0 m厚的超径块石扩坡，护坡顶高程为2 362.00 m，坝后还可以堆放一些开挖石料，其作用为防冲刷和压坡稳定。

2 溢流坝的设计

2.1 堰形设计

本实用堰与反弧段采用1∶0.7的斜坡相连。堰面末端与陡坡连接点的位置可按下式确定:

由上式求得:xc=1.991 m，yc=1.537 m。WES曲线计算如表1:

表1 WES曲线计算值

溢流堰上游采用三圆弧，其三圆弧的参数为

2.2 反弧段半径确定

坝址处的流速可按下式确定

式中:E0为收缩断面处的总能量;忽略行近流速水头，已知校核水位为2 370.60 m，下游河床高程为2 353.50 m，E0= 17.1 m;qc为单宽流量，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。

则坝址处的流速为

由(2.3)得

2.3 消能设计

1)由于水头较低，采用底流式消能［7］。消能设施选用消力池，消力池布置于与反弧段相连接，消力池的宽度取为与溢流坝同宽，即B0=23.5 m。

由已知hc=0.197 m;hc的共轭水深为:

由上式得

如果所有泄水建筑物在校核洪水位时均泄流，这时下游水深ht=2357.60－2353.00=4.6 m，因ht＞h″c，所以产生淹没水跃，故不需建消力池。

但是在实际运行中，有可能会出现其他建筑物闸门尚未开启，而仅仅是溢流堰泄流，这时下游水深只有1.89 m，小于h″c，这时仍有必要修建消力池，防止下游河床冲刷。

2)降低护坦形成的消力池［8］

设一系列池深d，然后分别由(4)、(5)式求出相应的hc1和，代入(6)式计算ΔZ，试算得d=2.5 m。

3)消力池的底板高程确定

消力池的底板高程△H=2353.50－2.5=2 351.90 m。

4)池长L的计算

消力池的长度必须保证水跃不越出池外，所以消力池的长度可以从水跃长度出发来考虑。但消力池内的水跃受到消力池末端的垂直壁面产生的一个反向作用力，减少了水跃长度。所以消力池内的水跃长度仅为平底渠道中自由水跃长度的70%～80%。

由此可得:自由水跃长度为Lj=6.1h″c=6.1×3.45= 21.0 m;

Lk=(0.7～0.8)×21.0=(14.7～16.8)m，取消力池的水平长度为16.0 m。

5)消力池边墙的确定

消力池中最大水深为跃后水深3.45 m，边墙超高一般取(0.5～1.5)m，所以边墙高度为(3.95～4.95)m，取溢流堰消力池右边挡水墙高度为5 m，长为16 m。但是，如果表孔、泄洪冲砂闸以及溢流坝在校核水位同时运行时，那么溢流堰消力池右边挡水墙高度应以通过最大洪水时的下游水位加上超高确定(见表孔设计)。消力池左边墙高度和长度按表孔设计要求为准。

6)消力池的构造

根据《水工设计手册6》中消力池的构造及布置要求进行选取，其选取结果如下:消力池底板厚度0.8 m，底板表层设30 cm混凝土。消力池底设排水孔，孔距2 m，梅花型布置。底板与基础之间设无纺土工布作为反滤材料。

7)海漫的长度

根据海漫长度Lp的估算方法Lp=(8.5～12.5)ht。式中Lp为海漫长度，m;ht为下游水深，将ht=1.89 m代入海漫长度公式得

Lp=(8.5～12.5)×1.89=(16.065～23.625)m;本设计由于溢流堰的设计流量较小，防冲能力要求较小，则取Lp=20 m。

［1］ 索丽生，任华旭，胡明.水利水电工程专业毕业设计指南［J］.北京:中国水利水电出版社，2000.

［2］ 韩玙，叶林.水利水电工程学习指导(下册)［J］.西安:陕西人民出版社，2005.