寇荣贤

（周至县水务局 陕西 周至 710400）

1 引言

周至县水力资源十分丰富，理论蕴藏量达34万kW，可开发量10.4万kW。多年来，由于地理条件优越，水电建设发展较快，现已建成大小水电站35座，总装机5.4万kW。这些电站对周至的经济发展起到了举足轻重的作用。水电工程建设普遍利用溢流坝抬高水位，拦截引水，溢流泄洪，因此，溢流坝成为水电工程的主要工程之一。由于以前水电工程建设不规范，工程设计不尽合理，不同程度地出现了一些“四无”电站，存在严重的安全隐患，个别电站甚至出现溃坝事件，给下游群众的生命财产安全造成严重损失。所以，溢流坝的设计成为工程建设中确保水工建筑物安全、经济、合理的关键因素。溢流坝的设计实际就是溢流坝剖面设计，坝面曲线设计。而坝面曲线设计离不开溢流坝坝面泄流计算，不同的坝顶水深，会产生不同的下泄流量，如何选定坝顶水深作为定型水头Hd，从而确定坝面曲线，成为溢流坝设计安全、经济、合理的关键。本文就对定型水头Hd的确定方法予以探讨。

2 Hd确定的必要性

目前，水电工程的溢流坝设计主要采用WES实用曲线。WES实用堰型流量系数大，堰面负压小，便于设计施工，具有较大的优越性。但在实际工作中，由于河道洪水流量变化无常，堰顶水头变幅较大，要准确确定溢流坝堰面曲线比较困难。定型水头Hd的确定，不是偏大，就是偏小，往往设计的溢流坝不是偏肥，就是偏瘦，造成投资过大或存在不安全因素。如何选定定型水头Hd，对溢流坝的造价及安全有着很大的影响。为了更加准确的进行溢流坝水力计算，更加合理的进行溢流坝剖面设计，使工程更加安全，经济，需对Hd的确定方法进行探讨。

3 Hd确定的方法

定型水头Hd的大小，对溢流坝的造价及安全有很大影响。根据一般教课书和资料，对于低堰，Hd=（0.65～0.75）Hmax。在使用过程中，当H＞Hd时，加大了堰的泄流能力，堰的剖面也比较经济，堰面产生较小负压是允许的，不致发生破坏性气蚀和振动。如何选定Hd的配比系数，是溢流坝水力设计的关键。

利用堰顶负压值来控制定型水头Hd的大小。根据不同的规程规范，进行负压值比较。

（1）按照重力坝设计规范，堰顶负压不得低于-3m～-6m，对于不同的H/Hd值，可能出现的最大负压值如表1，将表中数据点绘在图中，得H/Hd—hp/Hd关系曲线，如图1。

（2）按照美国陆军工程兵团水力设计准则，建议在最大水头Hmax下，堰顶最小负压不低于-6.1m，以保证无空穴运行。因此，对于低坝，负压以不低于-6m为宜。对于水力设计准则中不同的H/Hd值，可能出现的最大负压值如表2，将表中数据点绘在图中，得H/Hd—hp/Hd关系曲线，如图1。

（3）根据图中曲线比较可以看出，在H/Hd相同的情况下，重力坝设计规范的负压低于水力设计准则提供的负压值，所以按重力坝设计规范偏于安全。在计算之初，最高水位和负压均为未知，所以定型水头Hd要经过试算确定。在得到比较经济的坝型，同时达到最大泄流量的情况下，应选用较小的定型水头，以使负压在允许的最低负压值附近。另外，校核洪水是很少遇到的，而且历时很短。因此，由此方法确定的坝型是更加安全可靠、经济合理的。

4 应用实例

根据介绍的溢流坝水力计算方法，现以建成的周至县沙梁子水电站溢流坝的水力设计为例进行分析。

4.1 基本资料

根据沙梁子水电站所处的河流位置，经过水文分析计算并考虑到工程要求，确定以下计算参数：设计洪水流量1930m3/s；校核洪水流量2850m3/s；设计堰顶高程810.0m；坝下游天然河床高程806.5m；设计坝长75m。

表1 H/Hd—hp/Hd关系曲线表

表2 H/Hd—hp/Hd关系曲线表

表3 不同堰顶水位下泄流量计算表 单位：m

4.2 溢流坝泄流计算

（1）Hd的确定

根据H/Hd—hp/Hd关系曲线图，按照允许的最低负压值要求，取 hp/Hd=-0.6，则Hd=hp/-0.6，Hd介于5～10之间，假定Hd=5.5m，然后进行试算。

（2）堰高P1的确定

根据已知资料，溢流堰顶高程810.0m，坝址处河床高程806.5m，上游堰高P1=810.0m-806.5m=3.5m。由于其运行后很快会被泥沙淤平，观察已成低坝工程运行情况，其淤沙较坝顶低约0.3m左右，考虑下泄洪水时，一部分泥沙会被水流带走，深度估计为0.2m。所以，确定上游堰高P1=0.5m，下游堰高P2=3.5m。

（3）泄流量计算

以堰顶水头H=4m为例计算如下。

假定流量Q=1440m3/s行近流速=4.267m/s总水头

流量系数m随着堰上水头变化而变化，当堰上水头等于Hd时，流量系数md由P1/Hd的比值查图确定。已知P1/Hd=0.5/5.5=0.091，查图得 md=0.42。由 Ho/Hd=4.93/5.5=0.896，查图得m/md=0.986，求得m=0.42×0.986=0.414。

淹没系数бs,由假定的Q=1440m3/s流量，按天然河床求得坝下游水位高程813.14m，得hs=813.14-810.00=3.14m，根据hs/Ho=3.14/4.93和P2/Ho=3.5/4.93，查图得бs=0.976。

侧收缩系数ε1，按经验公式计算：

式中，n——闸孔数目，n=1；

Ka——边墩影响系数，查表得Ka=0.1；

Kp——闸墩影响系数，无闸墩，Kp=0；

B——闸孔宽度，b=75m。所以，Q=ε1бsmnb′Ho3/2=0.986×0.976×0.414×1×75××4.933/2

=1448m3/s（符合要求）

按照上述计算方法，求出不同水位的下泄流量，结果见表3。

同理，分别假定Hd=5.0m，6.0m，6.5m，7.0m进行试算。经比较，Hd=5.5m是求得的满足设计校核洪水下泄流量，满足允许最低负压值要求的最小定型水头。按照所求的最小定型水头进行溢流坝剖面设计。

4.3 计算结果分析

根据溢流堰泄流计算结果分析，校核洪水时的堰上总水头Ho=7.877m，那么Hd/Hmax=5.5/7.877=0.7,符合 Hd=（0.65～0.75）Hmax的要求。

由 Hmax/Hd=7.877/5.5=1.432，查图 1得hp/Hd=-0.62，那么 hp=-0.62×5.5=-3.41m，符合重力坝允许负压值在-3m～-6m之间的要求。所以，所求的定型水头Hd=5.5m是合理的，以此参数进行溢流坝的坝面曲线设计是安全、经济的。

5 结语

通过对溢流坝设计中定型水头Hd确定方法的探讨，可以看出，合理的定型水头Hd对水电站的经济性和安全性起着积极的决定性作用。周至县沙梁子水电站溢流坝通过以上方法进行设计，不仅为业主节约了一定的资金，而且经过多年的运行，证明安全可靠，进一步验证了按此方法确定的定型水头Hd是合理、可行的。因此，按照该方法进行溢流坝设计值得其它同类工程参考借鉴。陕西水利