淺談水力計(jì)算在臨設(shè)場(chǎng)地布置方案中的應(yīng)用

周南龍（廣東水電二局股份有限公司，廣州　511340）

淺談水力計(jì)算在臨設(shè)場(chǎng)地布置方案中的應(yīng)用

周南龍
（廣東水電二局股份有限公司，廣州511340）

摘要：在山區(qū)水電站臨時(shí)設(shè)施建設(shè)中，受地形條件限制沒(méi)有較為寬闊平坦的場(chǎng)地用來(lái)布置臨時(shí)生產(chǎn)生活設(shè)施，為此只能布置在相對(duì)寬闊的河灘地，故需通過(guò)水力計(jì)算以確定場(chǎng)地填筑高程，同時(shí)預(yù)留足夠的河道過(guò)流寬度以滿足防洪要求。

關(guān)鍵詞：水力計(jì)算;場(chǎng)地布置方案;應(yīng)用

1　概述

金水河四級(jí)水電站項(xiàng)目位于山區(qū)，項(xiàng)目部生活區(qū)擬建于河灘地上，實(shí)測(cè)河道水面高程為317.0m，河灘地高程為317.7m，通過(guò)查閱洪水資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察，該處河灘地在汛期將被淹沒(méi)。故在此布置臨時(shí)生活區(qū)必須考慮汛期的防洪安全問(wèn)題，需要通過(guò)水力計(jì)算以確定場(chǎng)地填筑高程，同時(shí)預(yù)留足夠的河道過(guò)流寬度以滿足防洪要求。在本項(xiàng)目場(chǎng)地布置方案中，圍堰堰頂高程水力計(jì)算及過(guò)流計(jì)算得到了充分的應(yīng)用。

2　方案設(shè)計(jì)思路

本方案先確定建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)，再在該洪水標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)用試算法，先假定河流的過(guò)流水深H，計(jì)算得出河流流速v，根據(jù)流量公式，代入計(jì)算出的流速v，可計(jì)算出過(guò)流面積Sx，從而得出過(guò)流水深Hx，通過(guò)比較H與Hx的關(guān)系，通過(guò)逐步代換使其兩者接近，此時(shí)的水深Hx即為滿足汛期過(guò)流水深。通過(guò)汛期過(guò)流水深Hx我們可以計(jì)算出相應(yīng)的汛期水位高程，用所求得的汛期水位高程加上超高即為我們需要確定的場(chǎng)地填筑高程。

3　洪水位高程確定

（1）洪水標(biāo)準(zhǔn)。生活區(qū)為臨時(shí)設(shè)施，其使用期為2～3年，故相應(yīng)的該場(chǎng)地使用年限亦為2～3年，同時(shí)考慮到場(chǎng)地過(guò)水或被沖毀導(dǎo)致的后果，查閱《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)工程失事造成的后果及影響工期，使用年限在1.5～3年之間，因此將其歸為4級(jí)臨時(shí)性水工建筑物。又因場(chǎng)地結(jié)構(gòu)類型為土石結(jié)構(gòu)，參照《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》查知此工程洪水重現(xiàn)期在10～20年。從“可行性研究報(bào)告”中可知該控制斷面10年一遇洪峰流量為850m3，20年一遇洪峰流量為1070m3，因其取值是按照?qǐng)D表法保守取大值，同時(shí)結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)度綜合分析及遇超標(biāo)洪水的應(yīng)急措施，所以本方案采用10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；

（2）計(jì)算參數(shù)。

1）流量qq=S*v式中：S—河流過(guò)流斷面面積；v—河流流速；q—河流流量，此處取10年一遇設(shè)計(jì)洪水流量850m3/s。

2）過(guò)流斷面S

本河段過(guò)流斷面擬定為梯形斷面，右岸邊坡比暫1:0.5，場(chǎng)地邊坡比取1:2.0，擬拓寬河流河底寬度至20m。

S=（L1+L2）*H/2

式中：L1—過(guò)流斷面底部寬度；L2—過(guò)流斷面水面寬度；H—現(xiàn)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—水力半徑；i—水力坡降。

查閱資料可得知本設(shè)計(jì)中的天然河道相應(yīng)河道粗糙率n=0.04～0.05，本設(shè)計(jì)取均值n=0.045根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量水力坡降i=0.55%水力半徑可由假定H深度計(jì)算得出，其基本公式為：r=S/（a+L1+b）

式中：S—過(guò)流斷面面積；L1—過(guò)流斷面表面寬度；a—右岸坡長(zhǎng)；b—左岸坡長(zhǎng)。

4）汛期過(guò)流水深H試算

假設(shè)河流水位高度H為2.5m，可得出：

河流過(guò)流斷面面積：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

將上式計(jì)算的流速v代入流量公式計(jì)算過(guò)流斷面面積S1及過(guò)流水深H1：

通過(guò)解以上方程得出：H1=10.5m＞H=2.5m，故重新代入Hx計(jì)算，通過(guò)上述方法代入試算得出最終的過(guò)流深度H=6.7m。

5）洪水位高程

4　場(chǎng)地填筑高程確定

（1）概述。本方案中的場(chǎng)地為不過(guò)水場(chǎng)地，可以參照不過(guò)水圍堰的方式進(jìn)行計(jì)算。其堰頂高程H等于設(shè)計(jì)洪水的靜水位H水加安全超高再加波浪高度。其中：波浪高度包括風(fēng)浪沿圍堰邊坡的爬高和風(fēng)浪壅高。即按下式計(jì)算:

H=H水+A+R+e

式中：H水—洪水位高程；A—安全超高；R—波浪在壩坡上的爬高；e—風(fēng)壅增水高度。

（2）安全超高A。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，不過(guò)水的臨時(shí)性擋水建筑物的安全加高值按規(guī)范確定。因本圍堰為土石結(jié)構(gòu)的4級(jí)臨時(shí)性水工建筑物，所以安全加高A應(yīng)采用0.5m。

（3）波浪爬高R。波浪爬高參照莆田試驗(yàn)站公式，其中重要的參數(shù)取值為：W—風(fēng)速，水面上10m高度處10m in的平均風(fēng)速，m/ s。按照規(guī)范要求，對(duì)4、5級(jí)建筑物,正常運(yùn)用條件下，采用多年平均最大風(fēng)速的1.5倍，查閱《金水河四級(jí)電站招標(biāo)文件》可知本流域內(nèi)多年平均最大風(fēng)速為23m/s，經(jīng)計(jì)算W為34.5m/s；D—風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，本設(shè)計(jì)取200m；Hm—水域平均水深，本設(shè)計(jì)為6.7m；由此可以求出平均波浪爬高R=0.429m。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A.1.12可知4、5級(jí)壩采用累積頻率為5%的爬高值，R5%與平均波浪爬高Rm的比例關(guān)系為1.84：1。所以可得：

（4）風(fēng)浪涌高e

式中：K——綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；

β——計(jì)算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角，按正向來(lái)波計(jì)算，取0°；

代入數(shù)據(jù)可得：e=0.007m

（5）場(chǎng)地填筑高程

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

故最終確定場(chǎng)地填筑高程為322.5m，同時(shí)預(yù)留河道寬度能夠滿足防洪過(guò)流要求。

5　結(jié)論

通過(guò)將水力計(jì)算理論運(yùn)用到本項(xiàng)目場(chǎng)地布置方案中，為該方案的科學(xué)性提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)經(jīng)過(guò)汛期的考驗(yàn)，該場(chǎng)地經(jīng)受起了洪水的考驗(yàn)，實(shí)踐證明該方案可行，為以后類似的方案設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].中國(guó)水利水電出版社, 2000:252.

[2]碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)水利水電出版社,2001:274.

[3]水電水利工程圍堰設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].中國(guó)電力出版社,DL/T5087-1999.