浅析底格栏栅坝水力计算
时间：2023-04-22 20:55:02 来源：千叶帆 本文已影响人
毛利鑫，何铁炎
（湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007）
大湖坪水库位于安化县东坪镇大湖村境内的资水支流槎溪上，水库库容697万m3，灌溉面积13 221亩、多年平均供水量864万m3，是具有供水、灌溉、生态等效益的Ⅳ等工程。槎溪在大湖坪村分为两支，左右两支控制集雨面积分别为3.3 km2、16.3 km2，本文介绍的引水副坝坝址处在左支河流上。
槎溪左支河道狭窄，溪流底宽仅3～4 m，两岸边坡较陡，无适合布置溢洪道的垭口，泄洪建筑物需布置在河床段；
相对于河床宽度，坝址洪水流量大，且由于坝矮库小，计算於沙量大于有效库容，采用常规坝前取水口，取水效率低，且需经常性进行冲砂。根据河道特点，采用底栏栅坝。该坝型适用于坡度较陡，河床为砾石、卵石的山溪性河流，当水流中带有大量的砾石、卵石及粗砂时，底栏栅可以防止大量泥沙入渠。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，然后由廊道一端流入引水隧洞。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部冲向下游，而进入廊道的细沙则沉淀在引水隧洞闸门前的沉沙井里，再在沉沙井底部设置冲砂孔通至下游河道。设计布置参见图1、图2、图3。
图1 底格栏栅坝平面布置图
图2 底格栏栅坝下游立视图
图3 底格栏栅坝剖视图
3.1 引水流量确定
本工程引水坝与右岸引水隧洞连接，洞轴线与坝轴线平行。隧洞洞径选择与引水量以及施工断面相关。由于本工程引水量相对较小，全年150.7万m3，约占槎溪左支多年平均径流量49.6%，因此洞径选择时以最小施工断面控制，最终选择隧洞开挖断面2.2 m×2.5 m，考虑局部衬砌后隧洞净空尺寸1.6 m×2.0 m。隧洞最终衬砌方式根据地质条件分三种情况：Ⅱ类围岩，不采取工程措施，仅对岩壁松动碎岩进行清理；
Ⅲ类围岩，采取喷锚支护；
Ⅳ、Ⅴ类围岩采用混凝土全断面浇筑衬砌支护，根据三种衬砌方式，采用不同的过水断面以及糙率综合计算无压隧洞最大过流能力为5.2 m3/s。
3.2 输水廊道长度确定
本工程输水廊道长度考虑与溢流坝段长度一致，因此转化为确定溢流坝段长度即可。引水坝泄流需满足隧洞不引水条件下，坝体能独立进行泄流，泄流能力按如下公式计算：
式中 Q泄——下泄流量，因为不考虑水库调蓄能力，也即为河道来流量；
ε——侧收缩系数；
σ——淹没系数；
m——宽顶堰流量系数；
B——溢流段长度，也即需确定的廊道长度；
g——重力加速度；
H0——考虑行进流速水头的堰顶水头。该拦河水闸建筑物级别为5级[1～2]。由于该引水坝年供水量小，且最大坝高5.1 m，重要性一般，可考虑取低限。最终选择设计洪水标准为10年一遇，洪峰流量25.9 m3/s，校核洪水标准为20年一遇，洪峰流量32.5 m3/s；
结合实际河床，综合比选合适的堰顶高程以及泄流宽度，最终选择泄流宽度10 m，满足过流能力，亦即输水廊道长度取为10 m。
3.3 输水廊道宽度及深度确定
廊道宽度可根据廊道长度、引水流量、格栅条件以及廊道压力状态进行确定，采用E.A.扎马林计算方法，该方法假定流经底格栏栅表面水流的内部压力按静水压力分布考虑，进入廊道水流的铅直方向流速仅与该点压力有关[3～4]。因此，进入廊道的流量为：
式中 Q进——进入廊道的流量（m3/s）；
μ——流量系数，随栅条的坡度、形状及水流情况而变，本工程栅条断面采用梯形、栅条高度与栅隙宽度比为5，栅条坡度为1∶10，据此条件，取μ为0.41；
P——栏栅间隙系数[P=s/（s+t），s为栅隙，t为栅条宽度，本工程s、t分别采用10 mm、15 mm]；
B——栏栅的水平投影长度，也即需确定的输水廊道近似宽度；
L——栏栅垂直水流方向的宽度，本工程取与输水廊道长度一致，为10 m；
hcp——栏栅上的平均水深[hcp=（h1+h2）/2=0.8（hk′+h′′）/2，h1、h2分别为栏栅上、下游边缘水深；
hk′、h′′分别为栏栅上、下游边缘临界水深，hk′=（q12/g）1/3；
hk′′=（q22/g）1/3；
q1=Q1/L；
q2=Q2/L=（Q1-Q进）/L，Q1、Q2分别为栏栅上、下游边缘流量]。
现根据上游河道不同来流量进行计算，并选择三组B值。计算成果见表1。
表1 计算成果表
根据计算成果可知，当天然河道来流量为6.9 m3/s时，要满足廊道引水量达到6.9 m3/s时，廊道宽需2.5 m。考虑施工及运行时检修方便，B推荐为1.6 m宽，此时要满足廊道引水量达到6.9 m3/s时，上游河道来流量需达到8.8 m3/s，小于上游常遇洪水13.4 m3/s。当上游河道来流大于6.9 m3/s时，廊道进水流量从6.9 m3/s增至13 m3/s。考虑隧洞引水安全，进流量大于6.9 m3/s时，可利用右侧设置的冲砂孔宣泄部分洪水和隧洞进口工作闸门控制引水流量。
根据以上计算分析，最终选择廊道宽度值为1.6m，在上游来流大于6.9 m3/s时，能保证格栅进流能力满足引水需要，同时较多的流量通过右侧冲砂孔宣泄至下游。
廊道深度根据引流量6.9 m3/s以及右侧隧洞进口水深1.2 m作为边界条件，由于廊道内水流情况与侧槽溢洪道的侧槽水流形态基本相似，故可应用计算侧槽内水面曲线的方法来计算廊道内的水面曲线。计算方法采用海因兹所提出的差分法。计算公式如下：
式中 △x——计算流程长度；
△z——计算流程△x两端断面的水位差；
v1、v2——计算流程上、下游断面的平均流速；
Q1、Q2——计算流程上、下游断面通过的流量，Q2=Q1+q△x；
q——侧向入流的单宽流量。代入相关数据，经计算，水深0.8～1.2 m，最终拟定取水廊道尺寸为宽1.6 m，长10 m，左侧起始深度1.2 m，右侧末端深度1.8 m，纵坡6%。
底格栏栅坝具有设计形式简单，造价低廉，施工方便快捷，运行管理方便灵活，检修容易，多适用于河床较窄、水深较浅、河底纵坡较大、大颗粒推移质特别多、取水量比例较大的山溪河流。本文通过实际工程，详细介绍了底格栏栅坝的形式选择及尺寸拟定、水力设计等，对于类似工程具有参考意义。
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