浅谈水力计算在临设场地布置方案中的应用

周南龙（广东水电二局股份有限公司，广州　511340）

浅谈水力计算在临设场地布置方案中的应用

周南龙
（广东水电二局股份有限公司，广州511340）

摘要：在山区水电站临时设施建设中，受地形条件限制没有较为宽阔平坦的场地用来布置临时生产生活设施，为此只能布置在相对宽阔的河滩地，故需通过水力计算以确定场地填筑高程，同时预留足够的河道过流宽度以满足防洪要求。

关键词：水力计算;场地布置方案;应用

1　概述

金水河四级水电站项目位于山区，项目部生活区拟建于河滩地上，实测河道水面高程为317.0m，河滩地高程为317.7m，通过查阅洪水资料及现场实地勘察，该处河滩地在汛期将被淹没。故在此布置临时生活区必须考虑汛期的防洪安全问题，需要通过水力计算以确定场地填筑高程，同时预留足够的河道过流宽度以满足防洪要求。在本项目场地布置方案中，围堰堰顶高程水力计算及过流计算得到了充分的应用。

2　方案设计思路

本方案先确定建筑物的洪水标准，再在该洪水标准下运用试算法，先假定河流的过流水深H，计算得出河流流速v，根据流量公式，代入计算出的流速v，可计算出过流面积Sx，从而得出过流水深Hx，通过比较H与Hx的关系，通过逐步代换使其两者接近，此时的水深Hx即为满足汛期过流水深。通过汛期过流水深Hx我们可以计算出相应的汛期水位高程，用所求得的汛期水位高程加上超高即为我们需要确定的场地填筑高程。

3　洪水位高程确定

（1）洪水标准。生活区为临时设施，其使用期为2～3年，故相应的该场地使用年限亦为2～3年，同时考虑到场地过水或被冲毁导致的后果，查阅《水利水电工程等级划分及洪水标准》，根据工程失事造成的后果及影响工期，使用年限在1.5～3年之间，因此将其归为4级临时性水工建筑物。又因场地结构类型为土石结构，参照《水利水电工程等级划分及洪水标准》查知此工程洪水重现期在10～20年。从“可行性研究报告”中可知该控制断面10年一遇洪峰流量为850m³，20年一遇洪峰流量为1070m³，因其取值是按照图表法保守取大值，同时结合风险度综合分析及遇超标洪水的应急措施，所以本方案采用10年一遇洪水标准进行设计；

（2）计算参数。

1）流量qq=S*v式中：S—河流过流断面面积；v—河流流速；q—河流流量，此处取10年一遇设计洪水流量850m3/s。

2）过流断面S

本河段过流断面拟定为梯形断面，右岸边坡比暂1:0.5，场地边坡比取1:2.0，拟拓宽河流河底宽度至20m。

S=（L1+L2）*H/2

式中：L1—过流断面底部宽度；L2—过流断面水面宽度；H—现有河流水位高度。

3）流速v

v=1/n*r2/3*i1/2

式中：n—河道粗糙率；r—水力半径；i—水力坡降。

查阅资料可得知本设计中的天然河道相应河道粗糙率n=0.04～0.05，本设计取均值n=0.045根据现场测量水力坡降i=0.55%水力半径可由假定H深度计算得出，其基本公式为：r=S/（a+L1+b）

式中：S—过流断面面积；L1—过流断面表面宽度；a—右岸坡长；b—左岸坡长。

4）汛期过流水深H试算

假设河流水位高度H为2.5m，可得出：

河流过流断面面积：S=（L1+L2）*H/2=（20+26.25）*2.5/2= 57.81㎡

流速：v=1/n*r2/3*i1/2=2.65m/s

将上式计算的流速v代入流量公式计算过流断面面积S1及过流水深H1：

通过解以上方程得出：H1=10.5m＞H=2.5m，故重新代入Hx计算，通过上述方法代入试算得出最终的过流深度H=6.7m。

5）洪水位高程

4　场地填筑高程确定

（1）概述。本方案中的场地为不过水场地，可以参照不过水围堰的方式进行计算。其堰顶高程H等于设计洪水的静水位H水加安全超高再加波浪高度。其中：波浪高度包括风浪沿围堰边坡的爬高和风浪壅高。即按下式计算:

H=H水+A+R+e

式中：H水—洪水位高程；A—安全超高；R—波浪在坝坡上的爬高；e—风壅增水高度。

（2）安全超高A。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》，不过水的临时性挡水建筑物的安全加高值按规范确定。因本围堰为土石结构的4级临时性水工建筑物，所以安全加高A应采用0.5m。

（3）波浪爬高R。波浪爬高参照莆田试验站公式，其中重要的参数取值为：W—风速，水面上10m高度处10m in的平均风速，m/ s。按照规范要求，对4、5级建筑物,正常运用条件下，采用多年平均最大风速的1.5倍，查阅《金水河四级电站招标文件》可知本流域内多年平均最大风速为23m/s，经计算W为34.5m/s；D—风区长度，本设计取200m；Hm—水域平均水深，本设计为6.7m；由此可以求出平均波浪爬高R=0.429m。根据《碾压式土石坝设计规范》附录A.1.12可知4、5级坝采用累积频率为5%的爬高值，R5%与平均波浪爬高Rm的比例关系为1.84：1。所以可得：

（4）风浪涌高e

式中：K——综合摩阻系数，取3.6×10-6；

β——计算风向与坝轴线法线的夹角，按正向来波计算，取0°；

代入数据可得：e=0.007m

（5）场地填筑高程

H=H水+A+R+e=321.2+0.5+0.79+0.007=322.5m

故最终确定场地填筑高程为322.5m，同时预留河道宽度能够满足防洪过流要求。

5　结论

通过将水力计算理论运用到本项目场地布置方案中，为该方案的科学性提供了理论基础。同时经过汛期的考验，该场地经受起了洪水的考验，实践证明该方案可行，为以后类似的方案设计积累了经验。

参考文献：

[1]水利水电工程等级划分及洪水标准[S].中国水利水电出版社, 2000:252.

[2]碾压式土石坝设计规范[S].中国水利水电出版社,2001:274.

[3]水电水利工程围堰设计导则[S].中国电力出版社,DL/T5087-1999.