奎拥沟一级水电站首部枢纽底栏栅坝尺寸的确定

姚 强

（湖南水总水利水电建设有限公司 长沙市 410007）

1 水电站简要介绍

奎拥沟一级水电站位于四川省甘孜州丹巴县，为高水头引水式电站，开发任务主要为发电，兼顾下游环境用水的需求。流域面积242.9 km2，干流河道全长26.5 km，河道平均比降67.32‰。装机2台，利用落差为470 m，设计引用流量为5.5 m3/s，装机容量21 MW，保证出力3.108 MW，多年平均发电量为9 458.4万kW·h，年利用小时 4 504 h，工程等别为四等小（Ⅰ）型工程，水电站首部枢纽设计引用流量为1.98 m3/s。

2 水电站首部枢纽

2.1 水电站首部枢纽水文

奎拥沟流域隶属革什杂河流域，该流域径流主要由降雨补给，其次为冰川融雪及地下水补给。由于流域内森林资源丰富、对径流的滞蓄能力较强，故本流域径流较为丰沛，枯季径流稳定，年际变化不大。根据参证站布科站1960～2000年径流系列，最大年平均流量为75.1m3/s，多年年平均流量为53.7 m3/s，最小年平均流量为35.5 m3/s。

布科水文站多年平均流量为53.7 m3/s，年径流深为672.3 mm。径流年内分配不均，丰水期（5～11月）主要为降水补给，径流占年径流的86.8%，枯水期（12月～次年4月）主要由地下水及高山冰川融雪水补给，径流占年径流的13.2%。每年4月以后径流随降雨量的增加而逐渐增大，6～9月水量最丰，5、10月次之，11月起因降水减少，径流开始以地下水补给为主，稳定退水至次年4月。其中1～3月为最枯，径流仅占年径流的7.1%。全年2月或3月份出现最枯水量，仅占年径流的2.3%。表1为坝址径流成果表。

表1 坝址径流成果表

由于流域内森林资源丰富、对径流的滞蓄能力较强，故本流域径流较为丰沛，枯季径流稳定，年际变化不大。

2.2 水电站首部枢纽地形地质

坝址两岸地形比较完整、对称，无深切冲沟，山体雄厚，两岸山顶高程均为（4 200～4 500）m，岸坡角45°～60°，河谷呈基本对称的“V”字形。坝址区基岩岩性为中生界三叠系中统杂谷脑组（T2z）灰、深灰色石英砂岩，第四系洪冲积物（Qpl+al）由漂卵（砾）石组成，在河床连续分布，一般厚度（2～8）m；崩坡积（Qcod+dl）的含粘土块碎石分布于山坡，厚度一般（2～5）m，近河床部位稍厚为 （5～8）m。坝址地处奎拥沟向斜SW翼，无区域性断层通过。岩层产状总体为N11°～22°W/NE∠44°～69°，呈单斜构造，岩层斜切河谷。

2.3 河流泥沙

奎拥沟流域为高原高山地貌，地势陡峻，河流两岸高山对峙。流域内森林覆盖，植被较好。人类活动影响小，水土保持良好。河流泥沙主要来源于汛期降雨时表土的侵蚀和河流对河床的冲刷，以及滑坡、崩塌等重力侵蚀。奎拥沟流域产沙能力低，河流泥沙集中于汛期，枯期含沙量小，有时河水清澈见底。根据布科站1967年、1970年、1971年3年实测资料建立水沙关系展延该站输沙率系列为1960～2000年（表2），计算得年平均输沙率11.5 kg/s，年输沙量36.27万t，多年平均含沙量为0.47 kg/m3。

表2 坝址处悬移质年输沙量计算成果表

3 坝型选择

底栏栅坝在我国应用较广，我国从1958年在新疆修建第一座底栏栅坝以来，在西北地区及南方山区的农田灌溉及小水电建设中得到了迅速推广。该坝型适用于坡地较陡，河床为卵石的山溪性河流，当水流中带有大量的卵石、砾石及粗砂时，建底栏栅坝可以防止大量泥沙入渠。底栏栅坝和溢流堰、沉沙池等水工建筑物组成底栏栅式枢纽，该枢纽的工作特点：当河水从坝顶溢流时，部分或全部水流经栏栅空隙进入廊道，然后由廊道一段流入渠道。河流中的推移质，除细颗粒随水流进入廊道外，其余的砾石及卵石则随水流由栏栅顶冲向下游，而进入廊道的细沙则由设在干渠上的沉砂池排入原河道，在廊道和渠道的连接处，设有闸门，以控制入渠流量。底栏栅坝具有结构简单，施工方便及造价低廉等优点。而奎拥沟一级水电站位于甘孜州的山区河道上，坡度较陡，首部枢纽设计引用流量不大，很适合在这个地方建底栏栅坝。

表3 底栏栅计算引进流量成果表

4 尺寸的确定

4.1 底栏栅坝长度L的确定

底栏栅坝前最大堰坎高度小于0.9 m，为简化计算采用宽顶堰型公式，根据《取水工程》，E.A.扎马林、BB方捷耶夫的计算公式，底栏栅坝按静水压力分布来考虑，计算公式如下：

式中Q——进入廊道的流量（m3/s）；

μ——孔口流量系数；

b——栏栅水平投影长度，b=1.5 m。

l——栏栅垂直水流方向的宽度。

hcp——栏栅上的平均水深。

μ——孔口流量系数，随栅条的坡度、形状及水流情况而变，设μ0为栅条水平时的流量系数，栅条设计为倾斜i=0.1条件，相应的μ=μ0-0.li；设计的栅条高度为40mm，栅高与栅隙高度比等于于4，取μ0=0.5。

hcp——栏栅上的平均水深，按公式hcp=0.8及h2分别为底栏栅的上下游边缘水深；其余符号同前。

通过计算，底栏栅水力计算引进流量成果见表3。

4.2 廊道水面曲线的确定

底栏栅式水流（栅顶过水断面为矩形）为一典型的空间的恒定渐变沿程减变沿程减变量流（附图）。

附图 底栏栅水流剖面图（b=1.5 m）

廊道引水流量Q=1.98 m/s，廊道长度为L=15 m，宽度为b=1.5 m，单宽流量为 0.25 m3/s，糙率n=0.017。

当h=h2且h2＞0时，有部分河水流到下游，上式即为栅顶水面曲线方程，可得到x～h对应关系。

式中 K=2 μp(当 cosβ≠0),K=4 μp(当 cosβ=0)；

i——栅顶底坡；

μ——流量系数，对于梯形栅条可取μ=0.55～0.65；

P——间隙系数，P=S/（S+t），t为栅条上顶宽，S为栅条间隙宽，一般P=0.3～0.51；

β——入栅水流与栅条之夹角；

E（或Ho）——比能函数，E=h1+αV22/2 g，取α=1；

H——栅顶任一断面和水深。底栏栅坝进水廊道水面线计算成果详见表4。

从表4可以看出，底栏栅坝过水廊道的深度满足净空要求，正常条件下，廊道中的水流状态基本符合无压流条件。

表4 底栏栅进水廊道水面线计算成果表

5 结 语

在中国西部地区，有很多山区河流，这些河流蕴藏着丰富的水能资源，随着西部大开发的深入，越来越多的水能资源得以开发，而具有结构简单、施工方便及造价低廉等优点的底栏栅坝在山区河流开发中也会得要更为广泛的应用。

1 宋祖诏，张思俊，詹美礼.取水工程[M].北京：中国水利水电出版社，2002.