水电站工程改建管理论文
时间：2022-08-09 12:02:41
1．工程概况
郭家滩水电站改建工程位于江西省修水县，是修河干流上一座以发电为主的电站。水库正常蓄水位107.5m，设计洪水位(p=2%)110.28m，校核洪水位(p=0.2%)113.0m，总库容2.62x108m3，电站装机容量10MW；根据本工程下游河床宽度、河床允许抗冲能力、闸墩应力条件和泄洪能力要求，确定工程泄洪建筑物型式为三孔泄水闸和橡胶坝联合泄洪的型式，其中三孔泄水闸每孔净宽11.0m，堰顶高程98.50m,为驼峰堰，设平面闸门挡水，采用底流消能方式消能；橡胶坝堰顶高程104.0m,采用WES实用堰，曲线方程为Y=0.08538X1.85，总宽度85.0m，每17m设一伸缩缝，采用橡胶坝挡水，其正常蓄水位107.5m以下挡水高度3.5m，超高0.2m，采用面流消能方式消能。
本工程在洪水过程中，运行调度原则是先启用三孔闸，后启用橡胶坝泄洪，即当三孔泄水闸全开后，水库水位还可能超过正常蓄水位107.5m情况下，才启用橡胶坝泄洪；采用这种方式运行，一方面减少橡胶坝运行次数，另一方面为启用橡胶坝泄洪时下游形成面流消能创造条件，并且采用面流消能相对橡胶坝采用底流消能方案可节省较多投资。
2．橡胶坝泄流进行面流消能计算
2.1计算条件及原则
根据本工程实际情况，拟采用高坎面流消能，挑角θ=00，根据三孔闸与橡胶坝联合运行工况，采用上游水位107.5m，109.0m，110.5m，111.5m，113.0m，114.0m六个流量进行计算，水位~流量关系见表1，下游护坦顶面高程为95.0m。
表1水位~流量关系表
组号
流量Q（m3/s）
上游水位（m）
上游水位（m）
1
884
107.50
104.39
2
1507
109.00
105.75
3
2231
110.50
107.26
4
2760
111.50
108.28
5
3604
113.00
109.80
6
4160
114.00
110.80
2.2计算过程
（一）按坎高a=0判别下游水深是否可能产生面流衔接
计算按坎高a=0时的底流衔接跃后水深hc’’，并列出相应下游水深ht，其结果见表2，从表2中可以看出各级流量下的ht均大于hc’’，说明有可能获得面流流态衔接。
表2跃后水深hc’’计算成果表
组号
1
2
3
4
5
6
流量Q（m3/s）
884
1507
2231
2760
3604
4160
单宽流量q（m3/s）
10.4
17.73
26.25
32.47
42.40
48.94
下游水深ht（m）
9.39
10.75
12.26
13.28
14.80
15.80
跃后水深hc’’（m）
4.65
6.07
7.39
8.24
9.44
10.18
临界水深hk（m）
2.26
3.23
4.19
4.83
5.78
6.35
（二）坎高a的选择
（1）计算各级流量Q及对应下游水深ht产生自由面流消能的界限坎高a1（坎处无闸墩），由下式计算：
a1=hokp—2h1—ht—2(ht2—A)1/2…………………(1)
式中：a1—形成自由面流的界限坝高；
hokp={1+（6Fr12+1）1/2}h1/3
h1—坎上水深，可由坎上总水头S与临界水深hk的比值查《水力学计算手册》图4-2-3中得出h1/hk，可得出h1，其中流速系数φ=0.80。
A—2Fr12h13（α1/h1—αt/t2）
其中：Fr12=（hk/h1）3
α1、αt为动能修正系数，一般取值为1.0。
t2=α1+h1
计算步骤：假定一个a1值，通过试算，得出按式（1）计算的a1值，两个a1值相近即为计算结果a1值，各级流量的a1值计算结果见表3。
表3各级流量的a1值计算成果表
组号
流量q
（m3/s.m）
h1
（m）
Fr12
hokp
（m）
A
（m2）
ht
（m）
a1
（m）
1
10.40
1.65
2.57
2.78
11.50
9.39
7.60
2
17.73
2.63
1.85
3.93
18.94
10.75
7.57
3
26.25
3.65
1.52
5.08
27.39
12.26
7.70
4
32.47
4.45
1.28
5.86
32.05
13.28
7.71
5
42.40
5.72
1.03
7.07
38.45
14.80
7.66
6
48.94
6.35
1.00
7.72
44.63
15.80
7.85
（2）计算各级流量q及对应下游水深ht产生淹没面流的界限界限坎高a4，由下式计算：
a4=—hokp+[（hokp—h1）hokp+ht2—A]1/2………(2)
计算步骤同a1，计算A值时，t2=a4+hokp：各级流量的a4值计算结果见表4。
表4各级流量的a4值计算成果表
组号
流量q
（m3/s.m）
h1
（m）
Fr12
hokp
（m）
A
（m2）
ht
（m）
a1
（m）
1
10.40
1.31
5.13
2.90
15.02
9.39
5.92
2
17.73
2.10
3.64
4.04
25.32
10.75
5.86
3
26.25
2.98
2.79
5.18
36.30
12.26
6.02
4
32.47
3.58
2.47
5.93
44.38
13.28
6.14
5
42.40
4.74
1.81
7.02
52.75
14.80
6.48
6
48.94
5.34
1.69
7.71
60.42
15.80
6.69
(3)计算计算各级流量下要求的最小坎高amin。
由挑角θ=00，可由《水力学计算手册》图4-4-2查得。
以第一组为例：首先计算得E0/hk=12.5/2.26=5.52(E0—堰上总水头=上游水位—95.0),查图4-4-2得出当流速系数φ=0.80时，amin/hk=0.7，amin=0.7x2.26=1.58m，同理，可得出其它流量的amin值，计算结果见表5。
表5各级流量的amin值计算成果表
组号
hk
（m）
E0
（m）
E0/hk
amin/hk
amin
（m）
1
2.26
12.5
5.52
0.70
1.59
2
3.23
14.00
4.34
0.40
1.29
3
4.19
15.50
3.70
4
4.83
16.50
3.41
5
5.28
18.00
3.12
6
6.35
19.00
3.00
（4）选择坎高
根据计算得出的a1、a4值判定，a1值较大，不符合本工程的实际情况，因此，本工程设计按淹没面流区间设计，即a值按a≤0.95a4，a≥amin范围选择。其中：a4值取各级流量计算值的大值，从表4中得出a4=6.69m；amin值取取各级流量计算值的大值，从表5中得出amin=1.59m；因此，a值选择范围为1.59<a<0.95x6.69即1.59<a<6.63m，本工程选择a=3.0m。
（5）按上述取得a=3.0m进行流态复核：
当a=3.0m时，按公式（3）、（4）列表计算界限水深ht4、ht5”。
ht4=[a2+2(a+h1/2)hokp+A]1/2………………………….(3)
ht4—第四临界流态（产生淹没面流）时界限水深值
ht5”=a+ht4………………………………….…………………………………..(4)
ht4—第五临界流态（产生回复底流）时界限水深值
按淹没面流区间设计时，各级流量对应的下游水深ht
应满足1.05ht4≤ht≤ht5”。ht4、ht5”计算结果见表6。
表5各级流量的ht4、ht5”值计算成果表
组号
流量q
（m3/s.m）
a
（m）
S
（m）
h1
（m）
Fr12
hokp
（m）
Ht
（m）
A
（m2）
1.54ht4
（m）
ht5”
（m）
1
10.40
3
9.5
1.03
10.62
3.10
9.39
18.71
7.39
10.0
2
17.73
3
11
1.68
7.11
4.26
10.8
30.8
8.94
11.5
3
26.25
3
12.5
2.38
5.49
5.41
12.3
44.5
10.4
12.9
4
32.47
3
13.5
2.88
4.75
6.16
13.3
53.9
11.4
13.9
5
42.4
3
15
3.75
3.64
7.23
14.8
65.0
12.6
15.0
6
48.94
3
16
4.13
3.64
7.96
15.8
77.4
13.6
15.9
由表6中可知，各级流量下的下游水深ht均满足1.05ht4≤ht≤ht5”的条件。
2.3计算结论：
由上述计算可知，在坎高a=3.0m时，挑角θ=00时，能满足面流消能的条件，面流消能设计区间为淹没面流区间。
3．结语
上述面流消能计算是基于水流为平面问题的假定，设计时还应注意闸门运用方面对水流流态的改变，由于面流流态变化复杂且不稳定，所以本工程还应通过模型试验给予验证。
参考文献：
[1]武汉水利电力学院水力学教研室.水力学计算手册.北京：水利出版社.1980.12.