前池侧堰过流能力计算及体型优化设计研究

王 新，胥 慧

(1.黑龙江省三江工程建设管理局，松花江项目处；2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，水电站处结构一室)

渠道引水式电站对于非自动调节引水渠道末端与前池连接段一般布置前池侧堰，当电站在设计流量下正常水位运行时侧堰不溢流，当电站突然丢弃全部负荷或部分负荷时，全部流量或部分流量从侧堰溢流。电站丢弃负荷时，可能对厂房或输电线路造成重大事故，因此，合理设计前池侧堰对于电站安全起到决定性作用。

1 工程简介

某电站厂房前池侧堰为浆砌石外包钢筋混凝土结构，渠道前池侧堰过流计算中，渠道的设计水位282.00m，最大引用流量Q=60m3/s,考虑满足发电要求，溢流堰顶高程选择282.10m，建基面高程为277.20m，堰座落在弱风化的玄武岩层上，最大坝高为4.9m，坝基底宽6.2m，底板厚度0.8m。堰型采用WES曲线型实用堰，迎水面的混凝土厚度0.3m，背水面混凝土厚度0.5m。坝前设置防渗素混凝土铺盖，铺盖长度9.92m, 消能采用底流消能。溢流堰底部采用铅丝笼护砌，海漫段长度25m。前池侧堰的设计水位282.00m，电站厂区地面高程284.45m。前池侧堰纵剖布置图见图1。

图1 前池侧堰纵剖布置图

2 过流能力计算

WES堰型过流能力计算公式：

(1)

式中：Q为坝顶溢流流量m3/s；m0为流量系数，m0=0.472；σs为淹没系数；ε1为侧收缩系数；L为坝长；H0为不计行近流速的总水头。

2.1 堰上水头

在电站突然停机时候，涌波水位不允许淹没厂房，因此涌高后的水位加波浪高度≤284.50m,安全超高为0.5m，侧堰待水流稳定后全部流量从侧堰溢流出时为计算工况，此时侧堰堰上首末水头近似看作相等，拟定堰前稳定水位H1=0.95m。

2.2 流量系数

P1/H1≥1.33，称为高堰，计算中可不计行进流速水头。在这种情况下，当实际的工作全水头等于设计水头，即H0/H1=1时，流量系数md=0.502，本次计算取0.94m0=0.472。

2.3 淹没系数

文章所述前池侧堰上水流不受下游水位及护坦高程影响，属于为自由出流，计算过程中淹没系数σs=1。

2.4 侧收缩系数

考虑边墩及闸墩头部对过流能力的影响，需计算侧收缩系数ε1，经验公式：

(2)

式中：n为堰孔数，n=3；H0为堰顶全水头；Ka为边墩形状系数，Ka=0.25；Kp为闸墩形状系数，Kp=1；b’为堰顶净宽。经试算ε1=0.9593。

依据WES堰型过流能力公式，选取相应参数，试算堰上水头0.95m时前池侧堰的过流能力和长度，具体结果见表1。

表1 过流能力计算成果表

由以上计算可以知道，堰设计下泄流量均大于电站机组同时突然停机时候的最大引用流量Q=60.0m3/s，满足要求。

3 体型设计

文章中所设计的前池侧堰采用WES型实用堰，上游坝面铅直。堰顶O点上游曲线，采用三段复合圆弧相接，可使堰顶曲线与堰上游面平滑连接，改善堰面压强分布，减小负压。堰顶O点下游曲线由公式(3)计算，k=0.5，n=1.85。图2为前池侧堰体型设计曲线段剖面示意图。

图2 前池侧堰体型设计曲线段剖面示意图

从图2上控制点的坐标可知，设计水头Hd直接影响前池侧堰的剖面曲线的坐标值，而设计水头是电站全部丢弃负荷时，侧堰待水流稳定后全部流量从侧堰溢流出相应的堰上水头，但在溢流堰实际应用时，堰上水头可能随着流量Q的改变而变化[1]。因此，选定的设计水头Hd必须满足在允许的水头变化范围内，既有足够的过流能力，又不会使堰面产生过大的负压。工程中经常采用的设计水头Hd=(0.75-0.95)Hmax(Hmax与过流能力计算时的H0值相同)，文章分别采用0.72m、0.81m以及0.95m作为前池侧堰剖面体型设计的设计水头。表2为三段复合圆弧水平距离和相应半径。

表2 复合圆弧水平距离及相应半径值

O点下游堰面为开敞式，堰面曲线公式：

xn=KHdn-1y

(3)

式中：n=1.85,K=1/k=2(P1/Hd>1)。分别将设计水头代入计算得出以O点为起点的曲线OC对应的X，Y值，具体结果见表3。

表3 曲线OC坐标值

续表3 曲线OC坐标值

直线段CD的设计主要取决于溢流堰的稳定性，常用坡度为1∶0.7-1∶0.6，文章计算时采用1∶0.7，反弧段DE的作用是使直线段CD与下游河底平滑连接，避免水流直冲河床，并且起到下游消能作用[2]。前池侧堰体型设计直线段控制坐标点和反弧段半径的计算公式及结果见表4。

依据以上已知条件和由公式计算出的结果分别绘制设计水头0.72m、0.81m、0.95m对应的的前池侧堰剖面图，如图3所示。

表4 直线段控制坐标及反弧段半径值

(a)体型1(0.72m)

(b)体型2(0.81m)

(c)体型3(0.95m)

从以上表格中数据及图可以得出，如果以最大水头作为设计水头，Hd取0.95m，虽然可以保证前池侧堰堰面不出现负压，但是由于机组同时丢弃全部负荷这一机率较小，而实际工作水头小于设计水头，堰面压强一般高于大气压强，流量系数减小，并且前池侧堰剖面偏肥，经济性较差。反之，如果以0.72m作为设计水头时前池侧堰剖面偏瘦，但已经接近工程经验规定的下限值。取设计水头0.81m介于二者之间。因此，从安全和经济上综合考虑，文章以0.81m作为设计水头进行前池侧堰堰面设计比较合理。

4 结 语

文章针对电站前池与引渠之间设置的前池侧堰工程具体情况，对前池侧堰进行过流能力计算，以及体型优化设计。通过计算结果表明，合理拟定电站突然丢弃负荷时水流稳定的水位，并且保证涌波水位不淹没原来厂房的前提下，是试算得出经济合理堰长的关键。同时验证了工程中经常选取(0.75-0.95)Hmax作为设计水头是影响溢流堰体型设计的关键。因此，合理设计溢流堰对于工程经济和安全具有重要意义。