大流量底格栏栅坝取水设计探讨

第 2 3卷第 3期2 0 04年 9月

四川水Sc u n ih a

力发电

Vo . 3 1 2,No 3 .Se ., 0 0 4 p 2

W a e Po r tr we

大流量底格栏栅坝取水设计探讨彭薇薇(国家电力公司成都勘测设汁研究院 . j四 I I成都 6 0;2 l( ) 7摘要：大流量底格栏栅坝取水在国内已建工程中尚不多见 .可供借鉴的资料较少 .随着近几年山区中小河流的水电开发 .格栏底

栅坝的运用也越来越多。结合四川田湾河大发水电站底格栏栅坝设计及模型试验研究 .底格栏栅坝设计中的水力计算、体参对坝数选择、水廊道结构型式、取断面尺寸及纵坡选择等进行了一些探讨关键词：格栏栅坝；底取水廊道；计；力计算；设水模型试验；发水电站大中图分类号： TV2 2 TV6 9 2; 4文献标识码： B 文章编号： 0 12 8 ( 0 4 0—0 8 0 1 0— 1 4 2 0 ) 30 5— 3

1大发水电站底格栏栅坝的选择大发水电站位于大渡河右岸一级支流田湾河下游，田湾河流域梯级开发中的最末一级电站，单是为一

设计条件下，排取水廊道流量分配为：一排两第取水 6, 5第二排取水 3 5经计算，河道来流量 5/。 9在小于等于 5/ ( . 7m。s 1 3倍设计取水流量 ),水均时来可全部进入取水廊道。

发电工程，供水、溉、无灌防洪等综合利用要求。电田湾河属山区河流，有河道纵坡大、床覆盖具河

站装机容量 2 0MW,计引用流量 4 ./。 4设 3 7m。s

() 2取水廊道无压流水力计算。设计条件下，廊道内应保证为无压流。廊道内水流流态为空间变量变速流，与侧槽溢洪道水流形态相似，工程设计中在多采用差分法计算推求廊道内水面曲线，而计算从廊道内水深、速等水力要素，复核确定廊道的宽流并度、度及纵坡等参数。差分法的表达式为：高 △^一：一VI+ )+L厂 △ z

层深厚、流泥沙含量较高、线支沟泥石流发育等水沿特点，此，计采用了对突发的泥石流适应性较因设强、石流对坝体稳定安

全影响和破坏较小以及坝泥体型式对地基承载力要求较低的底格栏栅坝作为电站取水建筑物。

1 1底格栏栅坝设计计算 .底格栏栅坝设计的首要条件是要保证小于、等于设计流量的河道来流量能全部进入取水廊道用于

(

Vz - ) 1() 4

Q2=Q1 q △ z+ √了：

() 5 () 6

引水发电，次是宣泄洪水，其确保坝身安全，外，此还应满足工程引水防沙、冲、淤等要求。抗防( )水廊道进流量计算。水廊道进流量的大 1取取小与廊道内水流状态有关。设计条件下，在为增加进

式中/ z为两计算断面距离； k Ah为两计算断面水头差； V:别为两计算断面的流速； Q: V、分 Q、分别为两计算断面的流量；了为两计算断面的平均水力坡降；侧向人流的单宽流量；、分别为两计 q为 算断面流速及水力半径的平均值；为糙率系数。 () 1() 2

流量，道内应保证为无压流，道进流量按比能不廊廊变原理进行计算，算公式如下：计____ ___ ____ __。一

Q过膏一 o b p l√2 Ho gHo k。= Hf O 1/ 3 2

依据计算结果，定取水廊道宽度为 2m,坡确 纵为 1,道深度为 1 8 5 9m。 0廊 .~ . ( )水廊道有压流水力计算。着河道来流量 3取随的增加，顶水头加大，入廊道内的流量增加。当栅进流量大到一定程度，游渠道水位淹没廊道出口时，下 廊道内出现有压流。廊道有压流水力计算的主要目 的是确定在各级洪水情况下进入廊道内的流量，从而设计引水渠断面及弃水建筑物规模，且为廊道并出口闸门设计及廊道结构设计提供水压资料。经计算，发水电站在河道来流量为 1 1 m。s大 4/ (年洪水 ),道进流量为 7 /,明廊道具常时廊 9m。s表有较强的超引能力。

H'IB j o— 一m

‘ 3 )

式中 Q过为一条廊道的进流量；为过栅流量系膏

数；为栅隙率；廊道宽度；廊道长度；为 P b为为 H。栅条顶面平均水头

;水头修正系数 (般取 0 7走为一 .5~

0 9 ) H为坝顶水头 (宽顶堰公式计算 ) Q .2;。按；

为河道来流量；为宽顶堰流量系数；为坝顶长 m B

度。虑污物卡栅等的影响及安全储备，设计条件考在下，条廊道进流量总和应大于等于设计取水流量两的 1 3倍， 5/。 .即 7m。s收稿日期： 0 40— 5 2 0— 425 8

( )格栏栅坝泄流能力计算。格栏栅坝断面 4底底

型式采用堰顶加宽、坡放缓的实用堰，泄流能力坝其按宽顶堰公式计算：Q= EmB a H oZ 3 1 () 7

颗粒较粗的山区河流上； ( )格栏栅坝加溢流坝的混合布置型式，用 2底适于河道较宽、水流量较大，流含沙量较大，水洪水引流量较小的河流上；

式中

￡为侧收缩系数； a为淹没系数。 根据底格栏栅坝的布置，定坝顶长度与取水选

( )格栏栅坝加冲沙闸的混合布置型式，于 3底对河流水量较大，沙量较高，水流量比较大的情含引况，了提高防沙效果，采用这种布置型式。为常2 3底格栏栅坝断面型式及尺寸，

廊道长度：致， 4经计算，发水电站在设计为 1m。大取水流量时堰顶水深为 0 6宣泄设计洪水流量， 3m,时堰顶水深为 4 9m,泄校核洪水流量时堰顶水 .宣深为 6 3设计及校核洪水时不考虑底格栏栅坝， 5m(取水 )。 1 2底格栏栅坝水工模型试验研究，

( )格栏栅坝断面型式一般采用堰顶加宽、 1底坝坡放缓的实用堰，宽后的堰顶能满足取水廊道布加置要求，坡一般为 1 ~2 ;坝 0 O ( )格栏栅坝高度应根据引水流量大小、移 2底推

径流式水电站采用底格栏栅坝取水在国内已有若干工程实例，取水流量均不大 (般为 2 2但一~ O m。s。大发水电站底格栏栅坝设计取水流量为/)

质多少、道纵坡及冲沙条件等综合布置拟定，般河一为 2 6m;~

4,/,国内尚无先例，供借鉴的工程资料 3 7m。s在可也较少。为验证底格栏栅坝及取水廊道各项设计参数

的正确性，确保大发水电站底格栏栅坝能按设并计要求引取流量，计单位委托四川大学高速水力设学国家重点实验室进行了大发水电站底格栏栅坝动床水工模型试验研究。 模型试验结果表明，设计方案在无淤积和无原

( )格栏栅坝宽度应根据洪水流量大小、床 3底河地质条件、坝体稳定条件等因素综合计算拟定，般一为 15,~2倍坝高。

2 4取水廊道及栅条参数，( )道数量视取水流量大小及原河床宽度而 1廊定，般为 1一~2排。设计条件下，排取水廊道的在两流量分配大致为：一排取水 6 ,二排取水第 5第35;

卡栅情况下基本能满足取水要求，由于取水廊道但高度不足，道阻水比较严重，坝前不均匀淤积和廊在卡栅情况下，以保证取水流量。经研究比较，取难对水廊道断面型式及纵坡进行了调整。改进后的设计方案通过模型试验验证表明，当来流量为 4 ./ 3 7m。 S时，水比达到 9, ,比原方案有较大的改引 98相

( )道基本断面为矩形，度为 1 5 但 2廊宽，~2m。

为了改善进流条件及增加进流量，将上下游边墙可修正为 6。 O的斜面或曲面； O~7。 () 3廊道纵坡一般为 5~1 ,道深度应保 5廊

证在设计条件下，廊道内水流存在自由表面，无压为流；

善，完全能满足引水要求。 2底格栏栅坝取水设计中几个主要问题的探讨大发水电站采用底格栏栅坝取水，要设计参主数均通过模型试验得到验证，根据试验结果对部并分参数进行了调整和修改，继又在田湾河仁宗海相和金窝水电站首部枢纽设计中采用了底格栏栅坝取水方式，目前，些工程正在兴建中。在这些工程设这

( )条形状一般采用流量系数较大、于加工 4栅易的倒梯形截面，面宽度 1~2 顶 5 5mm,面宽度与顶底面宽度之比为 1 5高度与顶面宽度之比为 1/,,, 0 3栅隙宽 8 5mm,隙率 0 3 .。~2栅，~0 52 5底格栏栅坝水力设计 .

( )道进流量是按廊道为无压流

情况采用比 1廊能不变原理进行计算，算假定：流断面总比能沿计水水平栏栅长度方向不变，入栏栅的流速与断面总进比能成正比；

计中，者收集并查阅了部分相关资料文献，底格笔对栏栅坝设计中的几个主要问题有如下粗浅认识。2 1底格栏栅坝取水适用条件，

( )格栏栅坝取水多用于山区中小型河流， 1底尤其是对泥石流多发河流底格栏栅坝有较强适应性； ( )道纵坡陡为 2~ 5,床推移质中细 2河 河颗粒泥沙含量不能太高。根据经验，径小于 1 粒 omm的细颗粒泥沙不宜超过 1。 52 2底格栏栅坝布置型式 .

( )重卡栅及坝前不均匀淤积对廊道进流量 2严影响较大，别是来小流量情况下影响更甚。保证特为

小于等于设计流量的河道来流量能全部进入取水廊道引用发电，计中应考虑 3 的取水安全储备；设 O

() 3廊道内无压流水力计算多采用差分法，基其本假定为：流流向为单一的，考虑横向流速的影水不响，面采用平均水深，面流速均匀分布，水压水断动强按静水压强规律分布，沿廊道长度方向进流均匀；5 9

( )格栏栅坝横贯全河床的布置型式，般用 1底一于河道较窄、水流量较小，流含沙量不大、沙洪水泥

() 4差分法需要在已知一个断面的水力要素后，

算，流量分配多依靠已建工程经验数据或模型试而

采用试算法推求另一断面的水深等要素。在实际工程设计中，先计算确定廊道出口断面水深，计算方应其法视廊道出口水流衔接方式的不同而分两种情况；

验资料，之取水廊道水力学条件比较复杂，响因加影素较多，因此，工程设计中需进行多方案的水力设在计计算及经济比较，能最终选定经济合理的布置才方案及结构参数。 通过对大发水电站底格栏栅坝取水的设计及模型试验，由点及面，底格栏栅坝取水设计中的普遍对及共同性问题进行了归纳，提出了探讨性的解决并方法及建议，同行参考供参考文献：[]宋祖诏 .杏陶， 1许张思俊，编著 .渠道工程

(二版 ) M]北第[ .京：利电力出版社， 9 8水 l8.

( )道有压流计算先假定廊道内压力水头线 5廊的形状，后选择相应的进流量计算公式，压力水然而

头线的形状及位置均为变数，与廊道的几何尺寸、来流量及进流量情况有关；

() 6栏栅坝坝顶泄流能力按宽顶堰公式计算，流量系数取值 0 4左右。中小洪水考虑廊道取水和坝 .顶溢流共同泄洪；洪水可只考虑坝顶泄洪。大3结语

[]周素真 .自堂， 2石马有国，编著 .水枢纽工程[ .武汉：取 M]武汉水利电力大学出版社， 0 0 20 .

大流量底格栏栅坝取水往往受河道地形地质条

件的限制，常需设置 2排甚至 3排取水廊道才能通满足取水要来。多排取水廊道的水力设计和计算多

作者简介；彭薇薇 ( 9 0 )女，川安岳人，家电力公司成都勘测设计研究院 17. .四国工程师 .士 .事水电工程水工建筑物设计工作 .学从

采用先确定各廊道流量分配再按单排廊道进行计(接第 5上 5页 )

骨料分离现象严重，混凝土的质量有一定的影响。对作者简介； 温祖国 ( 90 )男，东揭西人，东省水利水电第二工程局工程 1 7一，广广师，事水利水电工程施工技术工作.从

2c骨料无法满足施工的现象，致三级配骨料比 m导例不能按理想的 3:4:3要求施工，加上其它原再

因(真空溜槽真空度不够，料形状较差等)如骨出现 (接第 5上 7页 ) 胶处出现>^,出现模式 ( )则 5的破坏； 4若在界 ()面处出现了超过弹簧模型承受能力的应力，将出则现模式 () () 1、 2的破坏。3 6裂缝的处理模型 .

裂缝的处理模型采用单元内部弥散裂缝的模式。种模式的基本思想是在出现裂缝后，假定材这仍料是连续的，样就可以用处理连续介质力学的方这法进行处理。即：定某一单元内的应力 (际上是假实某一代表点的应力 )过开裂应力，认为整个单元超则 (这一应力点周围的一定区域 )或开裂。亦即认为裂

缝是分布于整个单元内部的，微

小的、此平行是彼的，且是连续的。而 4有限元数值模型

图 5数值模拟流程图

通过对植筋锚固系统的工作原理、坏机理、破破坏形式进行分析和研究，合现有的粘结锚固理论、结 有限元分析原理，植筋锚固系统建立起合适的材为

有限元数值模拟的基本思路是应用混凝土全量形式的非线性弹性本构关系进行程序的设计。将弹

料模型和数学模型，而为数值模拟分析奠定了理从论基础，工程实践提供了依据。为参考文献：[]张志强 . I V 6植筋锚固技术 E3筑结构 .0 1 3 ( ) 1 FS 3O J建 20 .19. E 3吕西林 .国芳，晓涵钢筋混凝土结构非线性有限元理论 2金吴与应用[ . 1海： M] -同济大学出版社， 9 9 l9.

性本构关系中的材料参数：弹性模量、松比或体积泊

模量、切模量由常量改为随应力状态变化的数值剪表达式，个数值表达式可采用由试验数据得出的这经验公式，根据材料的实际性能和受力特性进行并

参数的调整。其数值模拟流程见图 5。5结语 6 Q

作者简介： 郭晓飞 ( 9 6 )女 .东聊城人 .济大学结构工程在读硬士研究 17一 .山同生，究方向；构工程 .研结

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