黄登水电站截流水力学计算分析

王金磊，王静静

（1．天津普泽工程咨询有限责任公司，天津 300210；2．三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002）

黄登水电站截流水力学计算分析

王金磊1，王静静2

（1．天津普泽工程咨询有限责任公司，天津 300210；2．三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002）

该文采用水量和能量平衡原理建立计算模型，对黄登水电站截流进行了水力学分析，计算结果与试验成果基本吻合。类似方法亦可在单个泄流建筑物水力计算分析中采用。

截流；黄登水电站；水力学；计算模型

1 提出问题

黄登水电站位于云南省兰坪县境内，采用堤坝式开发，是澜沧江上游古水至苗尾河段水电梯级开发方案的第五级水电站，以发电为主。坝址控制流域面积9．19万km3，多年平均流量901m3/s。拦河大坝为混凝土重力坝，最大坝高203m，最大坝段底宽约161m，坝体混凝土总量354万m3，枢纽主要由混凝土重力坝、坝身泄洪放空建筑物、左岸地下引水发电系统等建筑物组成，属Ⅰ等大（1）型工程。

工程截流标准采用10a一遇，11月中旬平均流量Q＝695m3/s。工程设计采用河床一次拦断截流，截流后的第一个枯水期由截流戗堤加高的枯水围堰挡水，1＃导流洞过流。1＃导流隧洞的进口高程为1473．0m，洞身长1121．959m，洞身为方圆型断面，断面尺寸为16m×20m，顶拱中心角120°。进口引渠长8m，采用钢筋混凝土贴坡衬砌，衬砌厚度均为1．5m；闸室段长22m，进水塔高55m；洞身渐变段长30m，隧洞底坡为0．362%；出口底板高程1469．0m，出口引渠长135m，其中前15m为与洞身同断面的明洞段，引渠采用钢筋混凝土贴坡衬砌，边墙及底板的衬砌厚度均为2．0m。

分流建筑物的泄流能力是模型计算的关键，以往计算过程往往假设导流建筑物进出口水位与龙口上下游水位近似相等，而本工程导流洞出口距离龙口下游距离相对较远，先采用逐段试算法计算出龙口下游水位，经过计算得到的龙口下游水位与导流洞出口水位差别不大，在此基础上根据水量和能量平衡方程进行截流水力学计算，求解各水力学要素。

2 计算模型的建立

2．1 基本原理

为简化计算过程，假定龙口上游水位等于导流隧洞进口水位；龙口下游水位与导流隧洞出口水位近似相等不计截流戗堤渗流量。

根据水量和能量平衡基本原理，有以下平衡方程：

式中Q0为河道截流时的总来水流量；Qn为龙口流量；Qf为分流建筑物泄水总流量；Q隧洞进口为隧洞进口流量；Q隧洞出口为隧洞出口流量；ΔZ分流为分流建筑物上下游水位落差；ΔZ隧洞进口为隧洞进口上下游水位落差；ΔZ隧洞出口为隧洞出口上下游水位落差；ΔZ截流为截流上下游水位落差；ΔZ龙口为龙口上下游水位落差。

2．2 龙口下游水深

由于黄登截流模型试验中，龙口下游距离导流隧洞进出口较远，上文假设龙口下游水位与隧洞出口水位相同是否产生较大误差。故采用逐段试算法计算出龙口下游水位与隧洞出口残埂处的下游水位进行比较。逐段式算法水面线计算公式：

式中 Esd，Esu分别表示Δs流段的下游及上游断面的断面比能；为流段的平均水力坡度。

在截流流量Q＝695m3/s，隧洞进出口无残埂的工况下，计算得到的龙口下游水位为1474．1m，隧洞出口下游水位为1472．1m。由于两者相差不大，故可假设龙口下游水位约等于隧洞出口下游水位。

2．3 分流建筑物泄流能力

本工程截流期间，分流建筑物为右岸1＃导流隧洞。截流流量Q＝695m3／s时，由于下游水位1472．1m小于隧洞进口底板高程1473．0m，所以枯期导流隧洞导流按照非淹没出流计算，枯期隧洞内为无压流，且认为隧洞为短洞，故隧洞泄流能力不受洞长影响，进口水流为宽顶堰流，故流量Q的计算公式：

式中 m为自由出流的流量系数，一般取0．32～0．36，由于该导流隧洞进口处较平顺，故此处取0．32；b为隧洞过水断面宽度，b0＝16m；H0为以隧洞进口断面底板高程起算的上游总水头，从施工导流观点出发，可近似认为等于上游水深H。

2．4 截流水力学计算

截流水力计算的目的是计算龙口合龙过程中不同束窄口门宽度时的水力学指标，如龙口泄流量、龙口平均流速、落差、上游水位、单宽流量、单宽能量等，据此计算不同施工区段抛投材料的粒径。

2．4．1 非龙口段

束窄河床泄流量Q%f按无坎宽顶堰流流量公式计算：

非淹没流（按宽顶堰流计算）：

式中 m为自由出流的流量系数，查表m＝0．30；b为口门平均过水宽度；H0为包括行近流速水头的堰前水头，可近似认为等于上游水深H。

当堰顶以上的下游水深hs＞0．8H0时，宽顶堰为淹没流，计算公式：

式中 φ为流速系数，查表φ＝0．80；b为口门平均过水宽度；hs为龙口下游水深；H0为包括行近流速水头的堰前水头，可近似认为等于上游水深H。

2．4．2 龙口段

龙口泄流量Qn按式（9）计算：

式中 b为龙口平均过水宽度；H0为龙口上游水头，如有护底，则从护底表面起算；m为流量系数，进口圆顺的窄戗堤，按列别捷夫试验资料，而在实际计算中，一般采用m＝0．30～0．32，在该工程中，取m＝0．30。 σs为淹没系数，其值与淹没界限有关，参照有关资料及水工模型试验成果：当自由出流时σs＝1；淹没出流情况可以根据龙口下游水深hs与H0的比值查表确定。

3 计算模型

3．1 隧洞泄流能力计算

根据已知的水位流量关系，由河道上游来流量求得泄洪洞出口下游水位；由泄洪洞出口向上游推算泄洪洞泄流能力，并满足水量及能量平衡，最终求得泄洪洞进口水位，即为隧洞泄流能力。

3．2 截流计算

根据下游水位、龙口宽度、底部高程等，假定一个上游水位H′上，此时截流流量为Q截流；由第2步求得分流建筑物泄流能力Q分流和龙口泄流量Q龙口；根据水流流态计算龙口上游水深H上，检验假定上游水深，直到令H′上＝H上；根据公式分别计算不同的龙口水力参数。

4 计算结果验证

将计算结果与黄登水电站实体模型试验成果进行比较。黄登水电站截流水力学参数计算值见表1。截流试验成果与计算结果对比见表2。

表1 截流水力学参数计算值

表2 截流试验与计算结果水力学参数对比

计算工况为截流设计流量695m3/s，导流洞进出口无残埂。

考虑到计算过程的假定、模型误差及实验误差等因素，计算结果与试验成果基本吻合。

5 结语

由于本工程导流洞出口离戗堤下游距离较远，故采用逐段试算法公式计算出戗堤下游水位，经比较，两者水位差值并不大，于是本文假设两者相等。根据水量和能量平衡的基本原理建立计算模型，计算结果与试验成果基本吻合。由此可见，与黄登截流模型试验相似的单个泄流建筑物泄流水力分析，可根据水量和能量平衡方程，采用类似的方法进行计算。

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［11］吴持恭．水力学［M］．北京：高等教育出版社，2003．

Hydraulic Calculation about the River Closure Model Test of Huangdeng Hydropower Station

WANG Jin－lei1，WANG Jing－jing2
（1．Puze Tianjin Engineering Consulting Corporation，Tianjin300210，China；2．College of Hydraulic＆Environmental Engineering of Three Gorges University，Yichang443002，China）

Based on the law of conservation of water and energy， setting a model to hydrodynamic anlysis the river closure of Huangdeng hydropower station．The result is approximately equal to the model test result．Hydrodynamic caculation of single discharge buildings can be performed in conceptually similar ways．

river closure； Huangdeng hydropower station； hydraulics； calcutation model

TV131．4

A

1672－9900（2012）01－0069-03

2011-12-07

王金磊（1986—），男（汉族），天津蓟县人，本科，主要从事水利工程建设管理工作，（Tel）13012234146。