1．工程概况

郭家滩水电站改建工程位于江西省修水县，是修河干流上一座以发电为主的电站。水库正常蓄水位107.5m，设计洪水位(p=2%)110.28m，校核洪水位(p=0.2%)113.0m，总库容2.62x10⁸m³，电站装机容量10MW；根据本工程下游河床宽度、河床允许抗冲能力、闸墩应力条件和泄洪能力要求，确定工程泄洪建筑物型式为三孔泄水闸和橡胶坝联合泄洪的型式，其中三孔泄水闸每孔净宽11.0m，堰顶高程98.50m,为驼峰堰，设平面闸门挡水，采用底流消能方式消能；橡胶坝堰顶高程104.0m,采用WES实用堰，曲线方程为Y=0.08538X^1.85，总宽度85.0m，每17m设一伸缩缝，采用橡胶坝挡水，其正常蓄水位107.5m以下挡水高度3.5m，超高0.2m，采用面流消能方式消能。

本工程在洪水过程中，运行调度原则是先启用三孔闸，后启用橡胶坝泄洪，即当三孔泄水闸全开后，水库水位还可能超过正常蓄水位107.5m情况下，才启用橡胶坝泄洪；采用这种方式运行，一方面减少橡胶坝运行次数，另一方面为启用橡胶坝泄洪时下游形成面流消能创造条件，并且采用面流消能相对橡胶坝采用底流消能方案可节省较多投资。

2．橡胶坝泄流进行面流消能计算

2.1计算条件及原则

根据本工程实际情况，拟采用高坎面流消能，挑角θ=0⁰，根据三孔闸与橡胶坝联合运行工况，采用上游水位107.5m，109.0m，110.5m，111.5m，113.0m，114.0m六个流量进行计算，水位~流量关系见表1，下游护坦顶面高程为95.0m。

表1 水位~流量关系表

2.2计算过程

（一）按坎高a=0判别下游水深是否可能产生面流衔接

计算按坎高a=0时的底流衔接跃后水深h_c’’，并列出相应下游水深h_t，其结果见表2，从表2中可以看出各级流量下的h_t均大于h_c’’，说明有可能获得面流流态衔接。

表2 跃后水深h_c’’计算成果表

（二）坎高a的选择

（1）  计算各级流量Q及对应下游水深h_t产生自由面流消能的界限坎高a₁（坎处无闸墩），由下式计算：

a₁=h_okp—2h₁—h_t—2(h_t²—A)^1/2…………………(1)

式中：a₁—形成自由面流的界限坝高；

h_okp={1+（6Fr₁²+1）^1/2}h₁/3

h₁—坎上水深，可由坎上总水头S与临界水深h_k的比值查《水力学计算手册》图4-2-3中得出h₁/h_k，可得出h₁，其中流速系数φ=0.80。

A—2 Fr₁²h₁³（α₁/h₁—α_t/t₂）

其中：Fr₁²=（h_k/ h₁）³

α₁、α_t为动能修正系数，一般取值为1.0。

t₂=α₁+h₁

计算步骤：假定一个a₁值，通过试算，得出按式（1）计算的a₁值，两个a₁值相近即为计算结果a₁值，各级流量的a₁值计算结果见表3。

表3 各级流量的a₁值计算成果表

（2）计算各级流量q及对应下游水深h_t产生淹没面流的界限界限坎高a₄，由下式计算：

a₄=—h_okp+[（ h_okp—h₁）h_okp+h_t²—A]^1/2………(2)

计算步骤同a₁，计算A值时，t₂= a₄+ h_okp：各级流量的a₄值计算结果见表4。

表4 各级流量的a₄值计算成果表

(3)计算计算各级流量下要求的最小坎高a_min。

由挑角θ=0⁰_，可由《水力学计算手册》图4-4-2查得。

以第一组为例：首先计算得E₀/ h_k=12.5/2.26=5.52(E₀—堰上总水头=上游水位—95.0), 查图4-4-2得出当流速系数φ=0.80时，a_min / h_k=0.7，a_min =0.7x2.26=1.58m，同理，可得出其它流量的a_min 值，计算结果见表5。

表5 各级流量的a_min值计算成果表

（4）选择坎高

根据计算得出的a₁、a₄值判定，a₁值较大，不符合本工程的实际情况，因此，本工程设计按淹没面流区间设计，即a值按a≤0.95a₄，a≥a_min范围选择。其中：a₄值取各级流量计算值的大值，从表4中得出a₄=6.69m；a_min值取取各级流量计算值的大值，从表5中得出a_min=1.59m；因此，a值选择范围为1.59<a<0.95x6.69即1.59<a<6.63m，本工程选择a=3.0m。

（5）按上述取得a=3.0m进行流态复核：

当a=3.0m时，按公式（3）、（4）列表计算界限水深h_t4、h_t5”。

h_t4=[a²+2(a+h₁/2) h_okp+A]^1/2………………………….(3)

h_t4—第四临界流态（产生淹没面流）时界限水深值

h_t5”=a+ h_{t4………………………………….…………………………………..(4)}

h_t4—第五临界流态（产生回复底流）时界限水深值

按淹没面流区间设计时，各级流量对应的下游水深h_t

应满足1.05 h_t4≤h_t≤h_t5”。 h_t4、h_t5”计算结果见表6。

表5 各级流量的h_t4、h_t5”值计算成果表