水电站拦污栅水头损失的计算.pdf

1 9 9 8年第 3期 西北水 电 总 6 5期 水电站拦污栅水头损失的计算问题 z 。，7 勘 测 m 关 键 调 水 电 兰 茎 竖 塑 垄 兰 塑 塞 查 塑 至 墼 铆 摘要 噩 鑫 电站拦樗橱承头损失计算问题的分析，给出了其计算方法及正确选择水头损失系数的 计算公式。1，问题提 出 水 电站进水 口设置拦污橱 的目的，在于 防 止水流中所挟带的树木、杂草、杂草与泥沙混合 物、冰块等污物进入水轮机。而拦污栅的布置、结构型式和过栅流速是影响拦污栅水头损失的 主要因素。众所周知，计算拦污栅水头损失(m)的 开司其 曼(K i r s c h me r)公式：2 =(1)式中 栅前平均流速水头，m；拦污栅水头损失系数。1 1 橱面前沿行近流速。当进 水 口设计 流量为。I(m s)，其栅面前 沿的行近流速 C m s)：鲁=式中 拦污栅设计计算面积，m ；。拦污栅设计计算高度，；L 0 孔 口净跨，m。为 了水流平顺，潜孔拦污栅的设计计算高 度，通 常 比拦 污栅 水工孔 口净高 要高 一 些，即：，-(主梁高度)。1 2 允许过橱流速 允许过栅流速取决于拦污栅的清污方式和 收幡 日期 t l 0 9 8 0 2 0 8 22 一 设计技术标准。为使拦污栅的过栅水头损失大 小达到经济合理，目前所采用的允许过栅流速 见表 1。衰 l 允许过瀛遮(m，s)蒲污方式 允许过鼍藏遘 不考虑清愕 0 5 人工请污 m 6 o B 提柑请污 机槭请污 1 0 1 2 5 拦污栅水工孔 口尺寸 o XL o 的选 择是 以 允许过栅流速 界定的。其过栅流速(m s)计算：=彘=彘 I v。(3)式 中q 进水 口设计流量，m。s；F o 拦污栅水工孔口面积，；拦污栅水工孔口高度，m；L 口 拦污栅水工孔口净跨，；K一一 拦污栅过水面积系数。不考虑污物时：K=(1-C，)式中G拦污栅结构件搪挡系数，见表 2。衰 2 拦 污结构件摭挡系数(m)3 0 3 0 6 O 6 O 9 0 l 9 0 cr 0 2 O 0 2 2 m 2 0 2 6 注：表 2 仅用于确定拦悸栅水工孔口 尺寸时估算使用 情度为 士 6 。选定的拦污栅水工孔 口尺寸应符台孔 口尺 寸标准 然而拦污栅水头损失系数 的计算，则 维普资讯 各有千秋了。2 拦污栅水头损失系数 拦污栅水头损失系数，取决于栅条断面形 状、断面尺寸、栅条净距、主梁框架型式、进栅水 流方向以及结构和污物遮挡栅叶面积的程度。拦 污栅水头损失的阻力有两部分组成：一 是栅条阻力；二是主粱框架阻力 因此，拦污栅 的水头损失系数应当考虑 由这两部分的因素组 成。2 1 只有栅条结构的拦污栅 的栅条水头损失 系数 当栅面与水流方 向相垂直 的露顶 式拦污 栅，其 W S A陆 军工程兵 团的水头损 失系数，可按栅条挡水面积 与拦污栅水工孔 口面 积 之 比 4，在 曲线 图中查 出“，也 可在表 3 中查出。表 3 水头 损失象数 =旦F o 请条断面形状代号-2 3 0 1 0 0 0 1 25 0 0 75 0 0 9 5 0 0 6 5 0 1 2 5 0 1 80 0 l l 5 0 n 5 0 0 9 5 0 1 5 0 0 2 4 0 0 l 6 0 0 I 8 0 0 1 3 5 0 1 7 5 0 3 1 0 0 2 1 5 0 2 2 5 0 1 8 5 0 2 0 0 0 3 80 0 2 8 5 0 2 B 5 0 2 5 0 2 2 5 0 帕 5 0 3 G O 0 3 4 5 0 3 1 0 O 2 5 0 0 56 0 0 4 5 0 41 5 0 3 8 0 0 2 7 5 0 6 6 0 0 5 4 0 0 4 9 5 0 4 G 0 0 3 0 0 0 7 B S 0 6 4 0 0 5 B 0 0 5 5 0 0 3 25 0 9 1 0 0?5 0 0 6 70 0 B 5 0 3 5 0 1 0 5 5 0 B O 0 7 B 5 0 7 5 0 0 3 7 5 1 0 0 0 0 9 0 0 0 86 0 0 4 0 0 1 I 3 5 1 0 4 0 0 9 75 。据 条 断 面 形 状 代 号，l 矩 形 断 面 其 宽 厚 比：5 O l 2 矩 形 断 面 其 宽 厚 比 辛一 1 3 图 形 断 面 f 矩 形 断 面 碰 水 方 向 略 喧 圊 形 的 其 宽 厚 比 l 一 l 0 9。注；露璜式拦污鼍 水工孔口高度为设计巍量下的水位到孔口底坎的匪 冉 i 同时也是拦 污栅设计计算高度 当栅面与水流方向相垂直的潜孔式或露顶 式拦污栅的开司其曼水头损失系数：岛=()S i n a (4)式中 栅条断面形状系数，见表 4；a 一 栅条净距，mm；d 一 栅条厚度，mm；拦污栅与水平面所成的角度 当栅面与水流方向不相垂直而形成的角度 时如下图所示，拦污栅水头损失系数 厶：厶=鼠S _ n a (5)式中 o-栅面与水流方向有夹角时的影响 系数，见表 5 计及夹角 影响的栅条断面形状 系数，见表 4。栅 条典望断面图 表 4 扭条形状系数 g 杏 拇条形状 2 2 1 8 3 1 6 7 l 0 3 0 92 o 7 6 1 7 9 1 0 0 0 0 7 3 5 0 6 3 5 0 I 6 0 35 6 0 29 8 0 7 1 5 注e 和 值均在 B O 5的条件下得 出的 表 5 影响系数 水流进 浅角度 +d 0 1 0 1 5 2 o 2 5 3 o m 5 0 2 34 2 4 0 2 B 2 5 7 2 6 8 2 B0 2 9 5 0 5 5 l 75 l 8 0 】8 5 1 9 0 2 0 0 2 l 0 2 2 5 0 6 0 1 3 5 1 3 8 1 2 1 4 8 1 5 5 l 6 5 1 7 9 0 6 5 1 O 0 1 0 5 】0 】_ l 2 1 2 0 1 3 0 1 4 0 0 7 0 0 7 8 0 8 0 0 B5 0 8 9 0 9 5 l 0 5 l 1 7 0 7 5 0 6 0 0 6 2 0 65 n 7 0 0 7 5 0 B 5 0 9 5 0 B 0 0 3 7 0 0 0 5 0 5 0 0 5 5 0 6 4 0 7 5 0 8 5 0 2 4 0 2 5 0 30 0 3 6 0 2 0 5 0 0 6 0 2 2 栅面与水流方向相垂直，计及栅条、主粱 框架和污物遮挡影响的实腹主横粱潜孔式拦污 栅的水头损失系数 2 2 】布尔可夫 丘津娜公式 导=(击 一 1)23 e。维普资讯 +c 式中 流速系数，c，一0 9 7；拦污栅结构件遮挡系数，C 产 。；F 拦污栅结构件遮挡的面积 F，拦污栅设计计算面积 拦污栅结构件 使水流收缩系数，对矩形栅条，考虑一定安全系数，=0 0 8 0 1 0，当拦 污栅遮挡 面积达 3 0 及其 以上时，G。可忽 略不计 c 水流突 然扩大的 冲击系数，c一 1 1 1 2-当考虑污衡堵塞拦污栅时，采用增加 的 方法计算 C，。式(6)简化为：=0 0 6 3()+1 2 i _=2 2 2 栅面与 水流方向有夹角时的别列津斯 基公式 一(参)(1 1 6 ib+1 2 1 詈+4 0 3)(7)式中、同(5)式 拦 污栅结构 件与污物 总遮 挡面 积；拦污栅设计计算面积；6 栅条断面宽度；n 栅条净距。当不计及污物时：=c，当 计及污 物 时：鲁一 +G 一 ，C 式中 污物堵塞面积 占拦污栅设计计算 面积 的比值。3 举例 验证 3 1 新疆托海水电站拦污撕有关系数 1)发电洞设计总流量，口 一1 5 2 4 m。s；一2 d 一 2)进水口设置两孔拦污栅，每孔拦污橱的 流量，。=7 6 2 m 。；3)拦污栅水工孔 口尺寸，F 0=h 0 =1 1 0 m 7 5 m；4)拦污栅设计计算尺寸，=一 1 1 7 8 m 7 5 m t 5)垂直水平面布置，并栅面与水流方向 相垂直，每孔栅叶分 4 节组成，每节为双主 粱框 架，共 8个主粱；6)主粱为工字型实腹板粱，主粱高度 一 7 5 0 tar o，上下翼板宽度 6 =2 4 0 m m；7)栅条净距，d 一1 0 5 tar o；8)矩形栅条，共 6 8 个，其宽度 6 1 0 0 mm，厚度 d l 0 m r o，6 一1 0 9)清污方式为提栅清污。3 2 计算 1)拦污栅设计计算面积：F，=l 1 78 7 5 88 3 5 m 2)栅面前沿行近漉速：一 7 6 2 8 8 3 5 0 8 6 3 m s 3)流速水头：堡=_ 0 0 3 8 r o2 g 2 9 81 一 4)栅条与主粱遮挡的面积：F =(0 0 1 1 1 7 8 6 8)+(0 2 4 7 5 7 5)=2 1 5 1 m 5)结构件遮挡系数：C，一 2 1 5 1 8 8 3 5 0 2 4 6)：0 9 1 39 1 3 而i 干而。3 3 验算过橱流速 1)当不计污物 时：一 丽 一 1 1 4 m s E v，=1 2 r n s 2)当计及污物遮挡 C。=2 5 时：K 一 1一(+一)；l 一(0 2 4+0 2 5 0 2 4 0 2 5)=0 5 7 矗一 而=1 5 1 m s 一 百 1 。按式(4)、(5)、(6)和式(7)(下转第4 7两)维普资讯 吉 (1 6)观爰 i 布置在今天的拱坝设计 中应是一十主要 内容 玛坝有一些观测资料，例如水准测量，位移测量 等等，这些实测资料提供了大擐工作的重要情报，否则 我 们不可能有今天对玛坝破坏 机制的认识 如果玛坝 是现代建成，那么只需设置不多的设蘸+倒如锤线系统(含倒锤)、多点位移计、裂缝计、赫 水及地下 水观 测等，对及时控制和说 明大坝工作情况会有很大帮助；就是大 坝仍 然失事，那么世界水工 界对该坝破坏机制 的认 识，也会提高一十层次。(1 7)监涮和预报工作十分重要。这条原则不仅要 贯彻在设计布置与策划中+尤其应 该在运行管理中。不 能放过任何一 点点 迹象或兆头，必须对之莲一进 行研 究和做出判断，水 坝的事故往往事先是有迹象的。男外设计单位和管理单位的 沟通 也报重要。从设 计者来说，应该把设计主要情况向管理者说清楚，比如 大坝基础的允许位移是 1 0 n m，要让管理者建立一十 报 强烈的大坝转异概念。从男一十侧面说，虽然今天巳经 进 入市场经济的大潮，但管理单位应该 与设计单位建立 密切 的合作关系+及时把 观测到的重要情 况告诉设计单 位 如果设想管理者探知允许位移仅只是 l O m m+或者 设想柯思 贝利尔公司知道 中央部分坝基位移，早在 1 9 5 9年 7月 巳经 非高水位 即超 限的 事实，不是在 失事 后而是在失事前，那么恶性事故或可避 免；或 者损 失大 大减小。对于管理者 和设 计者，搞好观测管理都是重要 的。对于重要拱坝，勘测设计单位与主要专家 能及时掌 握到主 要运行情 况这 一 点，必须 得到认 识和 真正的 尊 重，措蘸上给予保证。(1 8)应该说，谁要违背 了 自然规 律，谁就要受到惩 罚 玛坝崩垮 了t 留下的是 4 2 1 具尸体和一片废墟，但是 真正承担责任 的实际究竟是谁 呢?并不是决策失误者，恰恰是 下游 什么也 不明白就瞬 阊被 强迫 夺走生由 的无 辜百姓，并整个社会。水坝工程与其它工程相比有其特 殊性+水坝的破坏是 巨灾性 的(在中国尤其如此)，任何 个人或单 位的荣辱与责任，绝对无法抵偿(上接 第 2 4页)计 算的水头损失系数及水头损 失成果+列入表 6。表 6 计算的水头掼失聚敷及水头掼失成果表 公式代号 厶 )备注(4)o 1 0 5 0 0 0 4 (5)o 2 4 0 0 0 0 9 =0。(6)0 6 3 0 01 8 (7)0 7 0 0 06 一 o。从表 6 计算结果对比，可以看出使用式(6)计算，是符合实际的。4 结 论(1)水 电站具有栅条结构和框架结构的拦 污栅水头损失计算，采用式(4)布尔可夫丘 津娜公式计算水头损失系数，得出的损失水头 与只考虑栅条形状影响的水头损失系数所得出 的损失水头相比较，前者较为后者符合实际情 况。(2)选 用水头损失系数计算公式 时，应符 合公式的使用条件，否则计 算成果是错误 的。(3)计算过程中，要明确拦污栅水工孔 口 面积：L o 和拦污栅设计计算面积=的不同，且正确使用。(4)水流进流条件对拦污栅水头损失影响 是很大的，所 以应采用栅面与水流方 向相垂直 的布置方式。如果形成夹角，不但增加水 流阻 力，还会使栅条受力变坏，尤其加大了栅条侧向 不稳定性。(5)目前国内尚缺少计算拦污栅水头损失 的包容栅条 形状、框架结构和污物遮挡程度影 响困素的总的水头损失系数计 算公式，故对重 大工程，应通过试验确定。5 参考文献 l 王洁昭等译、美 国陆军工程 兵团 水力设计准 刚、北 京 水利出敝社，1 9 8 2 2 6 2 苏 抄文著 陆望程等译 水电站机械设备布 置、北 京；水利电力部规划设计院出版，1 9 8 4；8 2 8 4 维普资讯