1对水电站工程设计的主要影响
1．1对枢纽消能防冲的影响由溢流坝、底孔、水闸或隧洞等泄水建筑物下泄的水流，挟带着巨大的动能，具有较高的流速。为了节省造价，这类建筑物的过水宽度总是小于原河床宽度，单宽流量被加大了，能量也就更为集中。如果不采取有效措施加以消除，势必会刷深河槽、冲毁河堤甚至使闸、坝等建筑物遭到破坏。这种高速集中的水流与下游正常流动之间存在一个过渡和衔接的问题。水流衔接的过程必然伴随着很大的能量消耗。研究衔接消能的机理，寻求优良的衔接消能方式是为了对泄出水流进行有效控制，尽可能避免对河床、河岸的严重冲刷以及下游的不利流动状态。衔接消能方式大致分为底流型、面流型、挑流型，实际工程中还有几种方式共存的混合型方式。下游水位流量关系曲线对消能建筑物的影响主要有2种:①确定泄水建筑物的防洪高程，如某水电站下游消能防冲建筑物水垫塘及二道坝为2级建筑物，按重现期100年一遇洪水设计，水垫塘边墙衬砌顶高程按重现期500年一遇洪水控制，则根据下游水位流量关系曲线查算相应防洪水位;②确定泄水建筑物的具体尺寸和相应工程量。下游水位流量关系曲线对于泄水建筑物消能的3种类型作用不完全相同。其中下游水位流量关系曲线对底流式消能影响最大，对挑流式消能影响较小。在底流式消能方式中，下游水位流量关系的作用有2点:①作为判别坝下游的水流衔接形式的条件，由于通常以建筑物下游的收缩断面作为分析水流衔接形式的控制断面，因此水跃的位置决定于坝趾收缩断面水深的共轭水深与下游断面水深的相对大小。共轭水深与下游断面水深的关系又决定了是临界式水跃衔接、远驱式水跃衔接、淹没式水跃衔接哪一种形式;②消力池水力计算，包括消力池深度和消力坎高基础计算。在挑流式消能方式中，下游水位流量关系作用主要表现在计算挑流射程、冲刷坑深度、挑坎尺寸及确定挑坎形式。在面流式消能方式中，下游水位流量关系的作用主要表现在计算坎井高程及计算池底尺寸。在消能计算中，主要使用水位流量关系的中高水段，当中高水段水位流量关系曲线偏高时，虽然对防洪是安全的，但对于消能设施的设计是不安全的。这是因为，由坝前泄洪水位与下游水位流量关系查算的水位两者之间的差决定了消能设施的尺寸，当下游水位流量关系偏高，由此计算的水头差就小，使得消能设施的尺寸减小，对工程消能产生不利的影响。总之，下游水位流量关系曲线是进行消能设计分析计算的基础;是进行消力池深度、冲刷坑深度等计算及工程量确定的基础;也是消能建筑物防洪安全的保证。1．2对确定机组安装高程的影响水轮机类型，按主轴装置方式划分为立式水轮机和卧式水轮机。根据能量转换的特征，分为反击式和冲击式两大类。反击式水轮机根据水流流经转轮的方式不同又分为轴流式(轴流定桨式，轴流转桨式)、混流式、斜流式、贯流式(贯流定桨式，贯流转桨式)几种。冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同可分为水斗式(切击式)、斜击式和双击式3种。水轮机安装高程是水电站设计中的一个重要的参数，水轮机安装高程选择是否合适，对于水电站工程量和造价、运行质量和发电量大小、水轮机设备寿命等都有重要影响。安装高程如果定得偏高，则使水电站的运行范围受到一定的限制，并会产生严重的空蚀现象。安装高程偏低，将使水电站厂房的基础开挖深度及开挖方量加大。机组安装高程必须满足空蚀所要求的吸出高度，但并不意味着安装高程越低越好，安装高程越低，土建工程量就越大。对反击式水轮机的安装高程选择合理，可使机组在运行中避免和减轻空蚀现象。对冲击式机组来说，机组安装高程不是关键因素。因此，一般主要研究反击式水轮机的安装高程。立式水轮机的安装高程是指导叶高度中心面高程，卧式水轮机的安装高程是指水轮机主轴中心线所在水平面高程。确定反击式水轮机的安装高程，首先要确定水轮机的吸出高度，而水轮机的吸出高度是指转轮中压力最低点到下游水面的垂直距离。水轮机安装高程T为安装高度Hs'加下游尾水位高程H，即:T=H+Hs'(1)式中:H为下游尾水位高程，m;Hs'为安装高度，m。设计中，通常用Hs'(或用安装高程)来表示水轮机的安装位置。各种型式水轮机的安装高度可表示为:Hs'=Hs+DX(2)式中:Hs为吸出高度，m;DX为与立式水轮机或卧式水轮机尺寸有关的参数。吸出高度Hs通常由公式(3)计算:Hs=10．0－kσσH－▽900(3)式中:σ为模型空蚀系数，由水轮机制造厂根据模型试验得到;H为运行中水电站的水头，m;▽为水轮机安装地点的海拔高程，m;▽/900为考虑水电站高程高于海平面的修正值，m。kσ为电站的装置空蚀系数σy与模型空蚀系数σ的比值。确定水轮机安装高程的尾水位通常称为设计尾水位。设计尾水位是根据水轮机的过流量从下游尾水位流量关系曲线中查得的。一般情况下水轮机的过流量可按电站装机台数来确定，如电站装机台数为1台或2台时，水轮机的过流量按1台机50%额定流量确定;电站装机台数为3台或4台时，水轮机的过流量按1台机的额定流量确定;电站装机台数为5台以上时，水轮机的过流量按1．5～2台机额定流量确定。综上可以看出，反击式水轮机安装高程与下游尾水位高程密切相关。而下游尾水位高程是通过下游尾水位流量关系曲线查得，且使用的是下游尾水位流量关系的低水部分。如果下游尾水位流量关系曲线低水部分偏高，会使水轮机安装高程定得偏高，产生严重的空蚀现象，影响水电站的运行质量以及水轮机的寿命。如果下游尾水位流量关系曲线低水部分偏低，会使水轮机安装高程定得偏低，必然加大水电站厂房的基础开挖深度及开挖方量，无谓增加工程费用。1．3对施工设计的影响(1)对下游围堰堰顶高程的确定水电站下游围堰高程是由水位流量关系确定的，根据导流设计标准确定的设计洪水，查水位流量关系对应的水位，作为下游围堰设计洪水的静水位，再考虑波浪高度及安全超高，综合确定下游围堰堰顶高程。因此，若水位流量关系偏低，下游围堰堰顶高程则偏低，影响工程施工期的安全。若水位流量关系偏高，下游围堰堰顶高程则偏高，工程施工费用增加，造成浪费。(2)对导流洞流态的影响导流洞流态不同，其水力设计要求及计算方法也有所差异。导流洞内的流态决定于隧洞横断面形状、尺寸、洞身的长度、底坡大小、进出口布置型式、流量及上下游水位等各种因素。一般地，根据导流洞进口断面水头及导流洞高度来判别为无压流、有压流和不稳定流。HA0＜1．2，为无压流HA0＞1．5，为有压流1．2＜HA0＜1．5，为不稳定流式中:H为从导流洞进口断面底部算起的水头，m;A0为导流洞高度，m。有压流可分为自由出流和淹没出流。自由出流和淹没出流的判别式较为复杂，可简化为下游水位高于洞口出口为淹没流。当水位流量关系变化大时，可能会使导流洞内的流态有较大的改变。若水位流量关系偏高，导流洞会由自由出流变为淹没出流，则会增加工程费用，造成浪费。(3)对度汛的影响水电站的工程度汛设计水位，一般是根据河道天然水位流量关系由设计洪水查得设计断面的相应水位得到的。水电站施工期间，由于施工堆碴影响，使得河道地形变化明显，河道束窄较大，过洪断面明显减小，洪水位较天然状况明显升高，从而对工程施工度汛产生较大风险。因此施工单位应根据河道堆碴及地形变化情况，及时复核水位流量关系，以确保施工人员、机械安全。应布设基本水尺和设计断面水尺，实测河道地形(纵、横断面)，对设计断面的水位流量关系进行复核，满足工程度汛的要求。1．5对推求河道水面线及对尾水疏挖的影响(1)对推求河道水面线的影响推求河道水面线是规划设计中经常遇到的工作。美国陆军工程兵团〔TheU．S．ArmyCorpsofEngineers)水文工程中心(HydrologicEngineeringCenter，简称HEC)开发的HEC－ＲAS软件可以较好地模拟计算天然河道的水面线。HEC－ＲAS是一维恒定/非恒定流的水力模型，主要用于明渠河道流动分析和洪泛平原区域的确定。HEC－ＲAS可以对单个河段，树枝状河网系统或者环状河网系统进行模拟。可充分考虑诸如池塘、泵站、桥梁、涵洞、堰、闸门等建筑物的影响，甚至可以模拟结冰影响，对于河道水力模拟的适用性和可靠性的提高具有显著的效果。对于恒定流来说，计算原理基于一维能量方程，逐断面采用直接步进法推求。对于非恒定流，其计算原理基于连续性方程和动量方程。如果在某个横断面处的流量以及水面线的高程已知，则直接采用步进法就能对其邻近的横断面的水面高程进行求解。依据佛汝德数Fr的大小判断流态。对于缓流流态要求从下游河段开始计算，并沿着相邻的横断面逐段向上游计算直至结束，而急流则刚好相反。在用HEC－ＲAS计算水面线时，河段上下游断面的水位流量关系是计算的边界条件。河段上下游断面的水位流量关系对于计算水面线的精确性、稳定性均有影响。(2)对尾水疏挖的影响对于梯级水库，若下游水库长期低水位运行，或上、下游水库有尚未利用的水头，可通过开挖尾水河道，降低水电站尾水水位，从而达到多利用水头、优化电站经济指标的目的。通过研究不同开挖方案长度、底坡、宽度，分析比较各级流量的水面线变化规律，为电站装机容量、机组安装高程和发电量设计提供基础资料。在尾水疏挖研究中，可采用一维河床冲淤变形计算模型或恒定非均匀渐变流能量方程进行分析计算。一般先计算未开挖河道不同流量下的水面线(本河段实测同时水面线和调查的历史洪水水面线)，率定糙率;保持率定的糙率系数和水面线计算方法不变，在原始河道地形上计算各级流量下的水面线，与坝址厂房尾水断面的天然水位流量关系曲线对比，以保证采用的计算模型和参数取值是合理的。再根据确定的开挖比降及开挖底宽，确定不同开挖方案下各断面开挖后形状及开挖量，通过多方案分析比较，确定推荐方案。由此可见，天然水位流量关系曲线是率定参数的重要基础，天然水位流量关系曲线成果，对于分析计算尾水疏挖成果以及最终确定尾水疏挖的方案意义重大。
2水位流量关系设计方法及关键因素
2．1水位流量关系计算方法水位流量关系对水电工程设计影响重大，对于工程师来说，重要的是根据规范要求，循序渐进地设计满足各阶段水位流量关系精度要求，才能保证工程设计质量。根据规范要求，不同阶段计算精度是不同的。在规划和预可研阶段，一般是假定河流为均匀流，以曼宁公式(manningformula)计算。但预可研阶段应在主要设计断面布设工程专用水文(位)站，进行水位(流量)观测，为后续的设计中对水位流量关系的复核提供设计依据。在可研及施工图阶段，应通过实测水位、流量资料对设计断面水位流量关系进行复核。在国外工程设计中，有时要求根据HEC－ＲAS软件计算河道水面线后，推求出所需断面的水位流量关系。该法需要河段上、下游若干横断面、河道纵断面、河道糙率、流量、边界条件(水位，低、中、高水比降，河段上游、下游水位流量关系)资料等，其中边界条件的水位流量关系可采用均匀流计算，但强调应采用实测水位流量资料对水位流量关系进行复核。该方法资料要求多，工作量大，但好处是能够推求计算河段中任意处的水位流量关系。2．2水位流量关系设计关键因素不论是中国国内常规的计算方法还是HEC－ＲAS计算水面线方法，从近年工程设计出现的问题分析，影响水位流量关系设计关键因素主要是:①测量资料的准确性，这些资料主要包括坝、厂址河段设计断面横断面，河道纵断面(河道中泓线、同时水面线，大洪水水面线)资料;②低、中、高水位的水位、流量控制点;③专用水(文)位站实测资料的可靠性;④是否采用实测水位、流量资料复核。测量资料的可靠性是计算水位流量关系的基础，低、中、高水位的水位、流量控制点是确定水位流量关系的关键，采用实测水位、流量资料复核水位流量关系是对设计成果的检验，也是水位流量关系成果质量的最后控制环节。水位流量关系复核至关重要，而其基础就是设立的专用水(文)位站实测资料的可靠性。
3结语
(1)水位流量关系对水能计算，特别是对确定水电站工程效益和工程规模的大小产生影响。(2)水位流量关系是进行消能设计分析计算的基础，是进行消力池深度、冲刷坑深度等计算及工程量确定的基础;也是消能建筑物防洪安全的保证。(3)水位流量关系是进行反击式水轮机安装高程分析计算的基础，对于水电站的运行质量和水轮机设备的寿命以及水电站的工程量和造价等均有密切的关系。安装高程如果定得偏高，则使水电站的运行范围受到一定的限制，并会产生严重的空蚀现象。如果安装高程偏低，将使电站厂房的基础开挖深度及开挖方量加大。(4)水位流量关系是进行下游围堰高程、导流洞流态分析计算的基础，与工程施工期的安全以及工程施工费用等均有密切的关系。(5)天然水位流量是分析计算水面线及确定尾水疏挖方案的基础。(6)采用实测水位、流量资料复核水位流量关系是对设计成果的检验，也是水位流量关系成果质量的最酒店管理论文后控制环节。
作者：徐俊 单位：中国水电顾问集团西北勘测设计研究院
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