火电厂取水配套工程滚水坝的设计及应用.pdf

江西煤炭科技 J I ANGXI COAL S CI ENCE TE CHNOLOGY 2 0 1 4年第 1 期 NO．1 2 01 4 火电厂取水配窖工程滚水坝帕设计及应用 黄 家林 ， 付 学锋 江西省 电力设计 院， 江西 南 昌 3 3 0 0 9 6 摘 要 介绍某火 电厂取水工程 中滚水坝 的设计及水力计算方 法， 可供类似取水工程 的设计借鉴 。 关键词 火电厂 ； 取水 ； 滚水坝 中图分类号 T V6 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 6 2 5 7 2 2 0 1 4 0 1 0 0 6 0 0 4 Ap p l i c a t i o n a n d De s i g n o f Ro l l e r Da m o f W a t e r Ta ki n g Co n s t r u c t i o n i n P o we r Pl a n t Hu a n g J i a l i n， F u Xu e f e n g J i a n g x i E l e c t r i c P o we r De s i g n I n s t i t u t e ，Na n c h a n g， J i a n g x i 3 3 0 0 9 6 Ab s t r a c t Ta k i n g wa t e r t a k i n g c o n s t r u c t i o n o f s o me p o we r p l a n t f o r i n s t a n c e ，t h e p a p e r e x p o u n ds t h e d e s i g n o f r o l l e r d a m a n d h y d r a u l i c c a l c u l a t i o n ，whi c h p r o v i d e s r e f e r e n c e s f o r t he d e s i g n o f s i mi l a r wa t e r t a k i n g c o n s t r u c t i o n ． Ke y wo r d s p o we r p l a n t ； wa t e r t a k i n g； r o l l e r d a m 滚水坝 ， 即溢流坝 ， 在水利工程 中应用相 当广泛 ， 主要 作用是抬 高上 游水 位 ， 以满 足上 游 区域 灌 溉及 取水 等要 求 。火力发 电厂在江河取水时 ， 当水 深及 天然来水 量不能 满足要求时 ， 则可 以在 取水 口下 游设 置滚水 坝 ， 形成 一定 的调节库容及抬高水位 以满足取水要求 。 1取 水 工程 概 述 某火力 发 电厂 规 划 容 量 为 26 6 0 Mw 26 6 0 MW， 本 期新 建 2 6 6 0 MW 国 产超 临界 燃 煤 发 电机 组 。 电厂本期最大取水量约 2 1 0 0 m。 ／ h 5 ． 0 1 0 m。 ／ d 左右 ， 电厂取水 自袁河 潭 田滚 水 坝上游 约 2 0 0 m 处 。河道 枯水 期天然来水流量 Q一0 ． 0 7 m。 ／ s 2 5 2 m。 ／ h ， 无法满足 电厂 取水水量 的要求 。经水资源论证 及取水 专题 比较 ， 电厂取 水 需依靠上游 山口岩水库调节放水 及修建 滚水坝 ， 在取水 河段形成 1 3 1 0 m。以上调节库容 。 山口岩水利 枢纽 工程 是一 座 以防洪 、 供 水 为 主， 兼 顾 发 电、 灌溉等综合 利用 的大 1 I 型水 利枢 纽工 程 ， 为多 年 调节水库 。水库 调 节库 容为 0 ． 6 0 4 1 0 m 。 ， 可 满足 水库 下游工农业 、 生 态用 水水 量 的要 求 。在 非 主灌 溉 期 的 1 1 月～次年 3月 ， 山 口岩水库的下泄 水量为 满足河道 内生态 用水和电厂取水而放水 ， 此二项用水的 日平均流量 为 1 ． 3 8 m 。 ／ s ， 相应 的山 口岩水库 日下泄最小水量为 1 2 1 0 m。 。 6 0 潭 田滚水坝位于 山 口岩 水 利枢纽 下 游约 3 ． 5 k m 处 ， 坝顶高程为 1 4 2 ． 0 m， 该滚水 坝建 于 2 O 世 纪 6 0 年代 ， 由于 年久失修 ， 滚水坝多处倒塌 ， 因未 建排 沙闸 ， 坝前 泥沙 已淤 积 同滚水坝顶 面 平 ， 河 道 两侧 岸堤 顶 面高 程为 1 4 5 ． 2 m。 若不清淤直接将下游 的潭 田滚 水坝加 高 3 m， 则 蓄水后 水 面标高为 1 4 5 ． 0 m， 无法满 足岸堤 的防洪要 求 。本 工程 取 水河段两侧岸堤 新修 不久 ， 翻修 及加 高 的工程 量大 、 投 资 高 ， 因此考虑河道清淤 ， 降低河床 标高 ， 同时新建 一座 3 m 高滚水坝 的方案 。清淤后 ， 滚水坝前水深 3 m， 库 内蓄水库 容约 1 3 ． 2 1 0 m ， 能满足本工程取水要求 。 2滚 水 坝 设 计 新建滚水坝为混凝 土坝 ， 坝 长 8 3 ． 3 m， 设 计 清淤后 的 坝址前河床高程为 1 4 0 ． 5 m， 滚水 坝坝顶 高程为 1 4 3 ． 5 m， 坝底高程为 1 3 9 ． 0 m。非闸孔 溢流坝 段断 面采用 实用 堰 ， 为获得较大 的流量 系数 ， 选择 曲线形 实用堰 。坝体上游 坝 坡采用 1 0 ， 即堰体上游 挡水 面为铅 直 ， 堰 体下 游 曲面采 用幂 函数 曲线 ， 与下游河床 的衔接采用 反弧段衔接 。 新建滚水 坝共需设 置 5 个 泄洪 排沙 闸 门， 闸孔净 宽 3 m， 闸 门高 3 m， 中墩及边 墩宽度 1 ． 2 m， 墩头 采用半 圆形 。 坝顶 以上 1 4 9 ． 0 m高程处设置 闸门操 作平 台及走道板 ， 走 道板与左岸相接 。上游 山口岩水 电站 泄洪时 ， 泄洪排 沙闸 门开启 ， 用于排沙及确保滚水 坝上游 河道岸 堤在设 计洪 水 标 准下仍能发挥 防洪作 用 。 滚水坝下游设 置 9 ． 0 m长 防冲护坦 ， 护坦后端设置 0 ． 5 IT I 高的消力墙 。护坦及消力墙采用钢筋 混凝 土结构 。水 流经护坦消能后 ， 仍 留有一 定 的剩余 能量 ， 流速分 布不 均 匀 ， 脉动仍较剧烈 ， 具有一定 的冲刷 能力 ， 在 护坦后设 置 了 l O m长海漫 防冲加 固 。 滚水坝设计断面见 图 1 。 图 1 滚水坝断面 3 计 算依 据及 内容 取水河段 两岸的河堤 高度是 按照 2 O年一遇 的洪 水标 准设计 的 ， 新建 滚水坝后 ， 仍然要 保证 当 2 O年一遇 洪水发 生时 ， 坝前水 位不 应超 过 该河 堤设 计洪 水 位 ， 本文 水力 计 算 以此 为水 位控制 的依据 。 3 ． 1 T程级别与建筑物级别 根 据 水 电 枢 纽 工 程 等 级 划 分 及 设 计 安 全 标 准 D L 5 1 8 0 2 0 0 3 并 结 合 本 滚 水 坝 为火 电厂 取 水 配套 工 程 ， 需提 高一个等级 ， 故本 滚水 坝 的工 程等 级确定 为 四等 ， 工程 规模为小 1 型 工程 ， 滚水 坝 主体 建筑 物为 4级 建筑 物 ， 相 应结构安 全 级别 为 Ⅲ级 ； 消力 池及 海漫 为 5级 次要 建 筑物 ， 相应结构安 全级 别为 Ⅲ级。 。水 闸枢 纽工 程等别 为 Ⅲ级 ， 工程规模为 中型。 。 3 ． 2 洪水设计标 准 按照 水 利水 电 等 级 划 分 及 洪 水 标 准 S L一 5 2 5 2 0 0 0 ， 结合 防洪 标准 G B 5 O 2 O l 一9 4 的要 求 ， 滚水 坝 主 体工程设计洪水 P 一2 5 0年一遇 ， 校核洪水 P 一0 ． 5 2 0 0年一遇 。考 虑 到滚水 坝 为火 电厂 取水 配套 工 程 ， 根 据 大 中型火力发电厂设计规范 GB 5 0 6 6 O 一2 0 1 1 相关规 定 ， 本滚水 坝主体构筑物设计洪水 与取 水构筑物一致 ， 取 P l 1 0 0年一 遇 ， 校 核洪 水 P一0 ． 1 ％ 1 0 0 0年 一遇 。 下游 消能防冲建 筑 物洪 水标 准 采用 2 O年一 遇洪 水 设计 。 水 闸对应 的设计洪水重 现期 为 2 0 3 0年 ， 校核洪水 重现期 2 O ～1 0 0年。 。为便 于计 算 ， 本工程 水 闸 的设计 及 校核 洪 水 标准采用与滚水坝 坝体同 。 3 ． 3 基本水位资料 表 1 特征水位 4 计 算过程 滚水坝 的计算包括 水力计算 和结构计算两 部分 ， 由于 该工程滚水坝坝高低 ， 地 基较好 ， 结构计算 较简 单 ， 本文 中 略去结构计算 的内容 ， 着重介绍水力计算 的内容 。 4 ． 1 消能工 的设计 设计工况 当滚水坝上游 山口岩水库开闸泄洪时， 滚水坝 开闸泄洪排沙 ， 此 时洪水分别通过闸孔 和坝顶宣泄 。根据水 流在流速较大时不 易扩散 的特点 ， 近似地认为通过闸孔的水 流和通过坝顶的水流可以分别单独进行水力计算“ 。 4 ． 2消能工的水力计算 4 ． 2 ． 1 通过闸孔和坝顶的流量计算公式 通过闸孔的水流流量计算公式为 Q e B ／ 2 g H o 1 -- ， 式 中 ￡ 为垂直 向收缩 系数 ； 为闸孔流速 系数 ； e 为 闸门的 开度 ， m； H。 为闸前总水头 ， m； g 为 重力加速度 ， m ／ s , B为 闸孔宽度 。 61 H 。 _ H 警， 2 式 中 H 为闸前水 头 ， m； a 。为动能校正 系数 ， 取 1 ． 0 5； V o为 行 进流速 ， m。 若闸门 的开度 e大 于设计洪水 位 ， 则通 过 闸孔 的水 流 为侧 向收缩 的 自由 出流 ， 这 种 水‘流有 和 宽 顶 堰相 同的 特 点 ， 相 当于无坎款顶堰 ， 其流量计算公 式为 QmB 一， 3 式中 m为无坎宽顶堰流量系数 考虑了侧向收缩的影响 。 通过滚水坝坝顶水流流量计算公式为 Qd 锄 B 一， 4 式中 为淹没系数； e为侧 向收缩系数； m为实用堰流量系数。 ￡ 一1 一 O ． 2 [ n - 1 t； 。 ] Ho ， 5 式 中 n为孔 数 ； j ； 。 为 闸墩 系数 ； 为边墩 系 数 ； b为每 孔 宽 ， m。 H。 _ h - F一 ， 6 式中 h为坝顶 水头 ， 1T I 。 4 ． 2 ． 2 确定闸 坝 前水位 由于 闸 坝 前水位 H未知 ， 无法分别直接求 出通过 闸 孔和坝顶 的流量 Q。但通 过闸孔和坝 顶的总流量 已知 ， 可 假设一个闸 坝 前 水 位 ， 分别 求 出闸孔 和坝 顶 的过 流量 ， 若求 出的两者流量之和与 已知 的总流量相 等 ， 则假设 的闸 坝 前水位为实际 闸 坝 前水位 。 假设闸 坝 前水位 H一4 ． 2 I T I 。河床标高为 1 4 O ． 5 I n ， 下游水面标高为 1 4 2 ． 5 4 m。 1 计算通过 闸孔 的流量 Q 。 已知 闸门开度 e 一4 ． 5 m， 闸门净宽 b 一3 ． 0 m， Bn 3 5 3 1 5 m， 闸墩 厚 1 ． 2 1 3 3 ． ， Q 5 一2 5 2 m ／ s ， 河宽 L 一 7 9 ． 3 m， 一 1 ． O 5， g 一9 ． 8 m ／ s 。 V o Q5 ／ LH 一2 5 2 ／ 7 9 ． 3 4 ． 2 一0 ． 7 5 7 m／ s ； 将 v 。 、 。 、 g 、 H 的值代 人式 2 中， 得 H。 一4 ． 2 3 1 m； b ／ B o 一3 ／ 4 0 ． 7 5 ， 查表 本 文中的查表项均见 引文“ 中 ， 下文 同 中得 mo ． 3 7 。 将 IT I 、 B 、 g 、 H 。的值代入式 3 中得 Q 一2 1 3 ． 8 1 m 。 ／ s 。 2 计算通过坝顶 的流量 Q Q3 。 通过坝 顶的流量分 两部分 ， 一 部分为顶部设有 闸门检 修平 台及走道板 的坝段 ， 即左岸 坝段 ， 流 量为 Q 2 。一部分 为没有设检修走道 的坝段 ， 即右岸坝段 ， 流量为 Q { 。 计算 Q 2 ， 已知 n 5 ’ b 一5 ． 2 m， B b Xn 一2 6 ． 0 1T I ， a 一 3 ． 0 m ， a o 一 1 ． 0 5， h H a 一 4 ． 2 3 ． 0 1 ．2 12 1 ， V o 一 0 ． 7 5 7 m／ s ， 下游水位为 2 ． 0 4 m， a l 一3 ． 0 m， h 一2 ． 0 4 一a l 一一0 ． 9 6 m 。 6 2 将 h 、 a 。 、 V o 、 g的值代入式 4 6 中， 得 H。 一1 ． 2 3 1 ml 由 h 。 ／H。 一0 ． 8 4 5 ， 走道板支墩 采用半 圆形 ， 查表得 一0 ． 4 5； 一 0 ． 7。 将 n 、 b 、 H。 、 t o 、 j 的值代 入式 5 中得 ￡ 一0 ． 9 7 6 ； Hd 定 型水头 一1 ． 5 3 m 取最大 静水头 的 0 ． 8 5倍 ， 最大 静水 头为水面与堤坝平的水头 ， 此时行进 流速 为 1 ． 0 1 IT I ／ s ， 静 水头为 1 4 5 ． 3 1 4 0 ． 5 - 3 1 ． 8 m 。 由 H。 ／ Hd 一1 ． 2 3 1 ／ 1 ． 5 3 0 ． 8 0 4， a ／ Hd 一3 ／ 1 ． 5 3 1 ． 9 6 1 ， 查 表得 m一0 ． 4 8 6 。 由 a ／ H。 一3 ． 0 ／ 1 ． 2 3 1 2 ． 4 3 8 ， h 。 ／ H。 一一1 ． 0 4 ／ 1 ． 2 3 1 一一 0 ． 8 4 5 ， 查表得 d 一1 。 将 d 、 ￡ 、 m、 B 、 g 、 H。的值 代 人式 5 中 得 Q 2 7 4 ． 5 7 m。 ／ s 。 计算 Q 3 ， 已知 n 一1 ， B b 一2 8 ． 3 1T I 其余 已知条 件 IT I 、 o 、 g和 H。与计算 Q2时一致 。 将 n 、 b 、 H。 、 。 、 的值代人式 4 中得 e O ． 9 9 4 ； 将 d 、 e 、 m、 B 、 g 、 H。的值 代 人式 5 中 得 Q 3 8 2 ． 6 3 IT I 。 ／ s 。 3 判定假定 的坝前水位是否正确 。 Q Q1 0 ． 2 Q。 一2 1 3 ． 8 1 7 4 ． 5 7 8 2 ． 6 3 3 7 1 ． 0 1 m 。 ／ s ， 说 明假设 的 H 偏 大 ， 重新 假设 H 值 ， 重 复 步 骤 a 、 b 、 C 的计算 ， 直到 Q≈Q 5 为止 。假定 H3 ． 7 3 m， 重 新试算 。 经计算 Q 2 3 4 ． 4 8 m 。 ／ s ， Q 3 3 7 ． 8 5 m。 ／ s 。得 Q Q1 Q2 Q3 1 7 9 ． 7 83 4 ． 4 83 7 ． 9 5 2 5 2 ． 2 1 m。 ／ s ≈ Q 5 一2 5 2 I n 。 ／ s ， 说 明假设 的 H值 为正解 。即坝前 水位 H 一 3 ． 7 3 I T I 。 4 ． 2 ． 3 判断坝后水流 的水跃形式 根据 坝前断 面和坝后收缩 断面的能量方 程 ， 可推 出下 列公式“ T。 一 h q 2 ， 7 T。 _ h a ， 8 式 中 T 0 为坝前 总水 头 ， m； 为泄水 建 筑 物流 速 系数 ； h 为收缩 断面水 深 ， m； q为单宽 流量 ， r n 3 ／ s 。 已知 a 一3 m， h H a 一3 ． 7 3 一a 一0 ． 7 3 m， a 一1 ． 0 5 ， g 一9 ． 8 1 T I ／ s ， q 一1 ． 3 4 1 1 2 1 。 I s 因为 Q3 坝段 流速较 大 ， 故 选 此段作 为控制段 ， v 。 一0 ． 8 5 2 m／ s ， 下游水位为 1 4 2 ． 5 4 12 1 。 将 h 、 a 、 a 、 V o 、 g的值代入式 8 得 T o 一3 ． 7 7 m； 此 坝段 为侧 向收缩 的 自由出流 ， 查表得 一0 ． 9 5 。 将 T 。 、 g 、 q的值代人式 7 中得 h 一0 ． 1 6 8 12 1 。 共 轭水深 及费劳德数的计算公 式如下“ 一 厕一1 ， 居 ， 9 1 0 式中 h 。 。 。 为与 对应 的第二共 轭水深 ， m； F 。 为与 h 。 对 应 的弗劳德数 ； v 为与 h 。 。 对 应 的流 速 ， m／ s ； v 一 q ／ h 。 一1 ． 3 4 1 ／ 0 ． 1 6 8 7 ． 9 8 2 m／ s 。 将 a 、 v 舶 、 g 、 h 的值代入式 1 O 中得 F 一6 ． 3 7 5 。 将 F h 。 。 的值代 入式 9 中得 h 。 。 1 ． 4 3 3 m4 ． 5 ， 坝顶下泄 的部分 水 流容 易潜入水 下成 为 流速 较高 的潜 流 ， 对 下 游 产生 冲刷 ， 为 防止 这种现 象发 生 ， 下 游设 置 防 冲护坦 ， 护 坦后 端 设 置 0 ． 5 1T I 高 的消能墙 。 4 ． 2 ． 4判断闸后水流 的水跃形式 已知 a h H 一3 ． 7 3 m， a 一1 ． O 5 ， g 一9 ． 8 m ／ s ， q Ql ／ B1 7 9 ． 7 8 ／ 1 5 一l 1 ． 9 8 m ／ s ， V o 一0 ． 8 5 2 m／ s ， 下游水 位 为 2 ． 0 4 m。 将 h 、 a 、 a 、 V o 、 g的值代入 式 8 得 T 。 一3 ． 7 7 m； 此坝 段 为无坎 款顶堰 自由出流 ， 查表 得 一1 。 将 T o 、 叭 g 、 q的值代 入式 7 中得 h 一2 ． 6 0 m； v 。 一 q ／ h 一1 1 ． 9 8 ／ 2 ． 6 0 4 ． 6 1 m／ s 。 将 a 、 v 。 。 、 g、 h 。 。 的值代入式 1 O 中得 F 一0 ． 9 3 6 1 ， 属 于缓 流 ， 下游无需设置 消能防冲设施 。 4 ． 2 ． 5护坦 长度的计算 护坦 的长度 取决 于 水 跃 的长度 。水跃 的长 度计 算 公 式 为㈨ l l i 一 6 ． 9 h 一 h 一6 ． 9 h 。 。 。 一 h 。 。 ， 1 1 式 中 l ； 为水跃长度 ， m； l 为护 坦长度 ， m； h 为 收缩 断面 水 深 第一共轭水深 ， m； h 为第二共轭 水深 。 将 h 。 。 。 、 h 代 入式 4 1 1 中， 得 L 一8 ． 7 2 8 m。l 一8 ． 7 2 8 m。设置护坦 的长 度应 大于 8 ． 7 2 8 m， 本工程 取护坦长 度 9 ． 0 m。 4 ． 2 ． 6 下泄流量 与跃 后水深及水跃长度 的关 系 根据不 同的下泄流量和下游水深 ， 可 以按 上文 中 3 ． 3 ． 1 3 ． 3 ． 5小节计 算 出下游 的跃 后水 深及水 跃 长度 。将 数 据列入表 2 。 表 2下泄流■与跃后 水深及水跃长度 的关系 从表 2中可 以看 出， 跃 后水深 及水跃 长度随着 下泄流 量 的增大而增大 。因此 可以认 为 ， 当发生低 于或 等于设计 标准 2 O年一 遇 的洪水 时 ， 水跃均发生 在护坦 内 ， 且 均为淹 没水跃 ， 不会 对下游形成 不利 冲刷 ， 采 用 2 O年一遇 的洪水 流量作为消能工的设计标准是合理 的 4 ． 2 ． 7 海漫长度计算 水流经过 护坦发 生淹没水跃 消能后 ， 虽然 消除了大部 分的多余能量 ， 但仍 留有 一定 的剩余 能量 ， 特 别是 流 速分 布不均匀 ， 脉动仍较剧烈 ， 具有一定 的 冲刷 能力 ， 因此护坦 后面扔需要设置海漫 防冲加 固， 以使水流均匀扩散 。 海漫长度计算公式为。 L 。 一 K 。 4 q 。 ．． ， 1 2 式 中 L 。为海 漫长度 ， m； q 。 为消力池 末端单 宽流量 ， m。 ／ s ； K 。 为海漫长度计算系数 ， 可取 K 值 8 ； AH’ 为上下游水位 差 ， m。 已知 K。 一8， q 一q 一1 ． 3 4 1 1 T I 。 ／ s ， A H’ 一3 ． 7 3 2 ． 0 4 1 ． 6 9 m 。 将 K 。 、 q 、 △H’ 的值代入式 1 2 中得 L 。 一9 ． 2 4 3 m， 海 漫长度取 1 0 ． 0 I T I 。 5 结 语 本文通过 对过坝 流量 、 过 闸流量 的计算确定 了坝前水 位 ， 满足 了 2 0年一 遇 洪水 时新 坝建后 的水位 不超 过 未建 新 坝前的洪水水 位 ， 两岸 防洪堤 不需 要 另外 加高 ； 通过 对 滚水坝下游的 水跃形 式 的判 断 ， 采 取相 应 的消能 工设 计 。 对于同一河道断面 出现多 种过流形 式 的水 流 ， 其 中某 种形 式的过流流量无 法 直接 计算 ， 应假 设一 个坝 前水 位 ， 然后 采用试算的方 式计 算各 过 流形式 的流量 。希 望本 文 中采 用的水力学计 算方 法及 滚水 坝 的设计 能 为今后 类似 工程 提供参考 。 参考文献 1 ]D L 5 1 8 0 2 0 0 3水 电枢纽 工程等级划分 及设计 安全标准 。 北 京 中国出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ]S L 2 6 5 2 0 0 1水 闸设计 规范． 北 京 中国水利 水 电 出版 社 20 01 ． [ 3 3 GB 5 0 2 0 1 9 4防洪标准． 北京 中国计划 出版社 ， 1 9 9 4 ． 4 3李家星 ， 赵振兴． 水力学． 南京 河海大学 出版社 ， 2 0 0 1 ． 作者简 介 黄家林 ， 男 ， 高级 工程 师 ， 现任 职江 西省 电力设 计院 发 电工程部 副主任。 收稿 日期 2 0 1 3 1 O 一2 3 编辑 胡 中祺 6 3 。