溢流堰设计项目说明指导书

第4章溢流坝段表孔设计溢流坝段既是挡水建筑物，又是重力坝枢纽中最重要泄水建筑物。设计时，除了应满足稳定和强度规定外，还要满足因泄水带来一系列规定，涉及：（1）具备足够孔口体形尺寸和较高流量系数，，以使之具备足够溢流能力。（2）应具备良好孔口体形，以使水流平顺地过坝，不产生有害负压、震动和空蚀等。（3）保证下游河床不产生危及坝体安全局部冲刷。（4）溢流坝段在枢纽中位置，应使下游水流流态平顺，不产生折冲水流，不影响枢纽中其她建筑物正常运营。又灵活可靠下泄水流控制设备，如闸门启闭机等4.1拟定溢流断面长度4.1.1设计单宽流量溢流重力坝单宽流量q需综合考虑地质条件、枢纽布置、下游河道水深和消能工设计等因素，通过技术经济比较后选定。单宽流量愈大，所需溢流前缘愈短，对枢纽布置有利，但下泄水流动能大，对下游消能防冲不利，。近年来随着消能工技术进步，选定单宽流量也不断增大。本设计中，三峡坝之下游段地质条件优良，故可假定单宽流量q=200m3/s，据此可假定溢流坝段长度。（1）设计洪水位工况下：Q=23540m3/s则可假定（2）校核洪水位工况下：Q=35260m3/s则可假定选用两者中最大值，拟定溢流段长度为176.3m本设计选用平面钢闸门形式，因其构造简朴，并且闸墩受力条件良好。取孔口净宽为b=8米。a、计算孔口数：设计洪水位工况下：（2）校核洪水位工况下：由此可拟定孔口数为22孔。据此计算Q溢=22×8×200=35300m3/s，满足设计洪水位和校核洪水位工况下所需下泄流量。b、闸门布置：溢流坝段表孔采用平面钢闸门，惯用布置有跨缝布置和跨墩布置，其中跨缝布置可以减少闸墩长度，但对地基规定较严格，若产生地基不均匀沉降则对闸门启闭运营极为不利，而跨墩布置可以恰当放松对地基规定，然而却增长了闸门长度，使整个溢流坝段长度增大，对其经济性产生影响。综合各方面因素，鉴于三峡工程所在地地基条件优良，故选用跨缝布置。经考虑论证后选用闸墩厚度为13m，则每段坝长为13+8=21m。c、溢流坝段前缘总长：溢流坝顶装设闸门时，用坝墩将溢流坝段分割成若干个等宽孔口。设孔口宽度为b,则孔口数n=L/b。，令闸墩厚度为d。闸门段长L=22×8+(22－1)×13=449m由于采用跨缝布置，考虑深孔交错布置(深孔为23孔，由下章可知)，故其溢流坝段前缘总长为：L0=L+2d+b=483m.。4.1.2堰顶总水头拟定由调洪演算求出设计洪水位及相应溢流坝下泄流量Q溢，可求堰顶设计总水头H0。运用堰流公式计算H0：（4·1）式中：Q溢—表孔下泄洪水流量，有设计资料Q溢＝23540m3/s；n—孔口数，22；b—表孔净宽，8m；—闸墩侧收缩系数，与墩头形式关于，初拟时可取0.9-0.95，本计设计取0.92；—沉没系数，因其为自由出流，故取1.0；m—流量系数，以三峡工程为高坝，初拟时依照水工建筑物经验可预定P1/Hd≥3.0，可以不计行近流速，取m=0.502。H0－堰顶设计总水头。将各参数代入上式，得堰顶设计水头：H0=16.23m则：堰顶高程＝设计水位－堰顶水头＝175－16.47=158.53m本设计取158m。检查：结合本设计成果，。故可以不计行近流速，满足假设条件。综上所述：本设计溢流表孔坝段提成23个坝段，分缝布置故有22个孔口；选用平面钢闸门，闸门宽8米，堰顶高程为158米。4.2溢流面曲线设计溢流重力坝溢流面由顶部曲线段，中间直线段和下游反弧段三某些构成。设计规定为：①有较高流量系数；②水流平顺，不产生有害负压和空蚀破坏；③体形简朴，造价低，施工以便。4.2.1定型设计水头拟定Hs定型设计水头即坝剖面设计时采用堰顶水头，普通取校核水位时堰顶水头Hzmax75%-95%，并满足下列规定：①遇校核水位闸门全开时，堰顶附近浮现负压不得超过3－6m水柱；②遇常遇洪水位(等于或低于20年一遇洪水)闸门全开时，坝顶附近不得浮现负压。Hzmax＝校核洪水位－堰顶高程＝180.4-158=22.4m当实际来水堰顶水头HZ高出HS时，堰顶附近将浮现负压，HZ超过HS愈大，负压值愈大，显然，遇到校核洪水位，即HZ=HZmax时，堰顶附近将浮现最大负压值。选用不同定型设计水头时堰顶附近也许浮现最大负压值见下表：HS/HZmax0.750.7750.800．8250.850.8750.900.951.0HS16.8017.3617.9218.8419.0419.6020.1621.2822.4最大负压值0.5HZ0.45HZ0.4HZ0.35HZ0.3HZ0.25HZ0.20HZ0.10HZ0.0HZ当实际来水作用水头低于定型设计水头HS时，堰体对水舌有顶托作用，使其流量系数减少，减少溢流段下泄量，因此要考虑有一定负压值，但负压值不适当过大，不能超过规范规定3~6米水柱，本设计取用HS=0.9HZmax,即最大负压值为Hs＝90%Hzmax=90%×22.4=20.16m4.2.2堰面曲线设计重力坝溢流面曲线由顶部曲线段AB、中间段BC和下部反弧段CD三某些构成。设计规定是：①有较高流速系数；②水流平顺，不产生有害负压和空蚀破坏；③体形简朴，造价低，施工以便。如图４—１图４—１A、顶部曲线段开敞式坝顶溢流顶部曲线，其合理形式应与薄壁堰水合下缘曲线相吻合。本设计采用WES型曲线，此曲线又以堰顶O为界分为上游段AO和下游段OB。图4·２a、上游段AO应有助于改进堰面压力和流速分布，提高流量系数，宜用1/4椭圆曲线，其方程为（4·2）式中：aHs、bHs－椭圆长、短半轴，因上游坝面铅直，可取a=0.28-0.30,a/b=0.87+3a,本设计取a=0.29、b=0.17，即：aHs=0.29×20.16=5.85mbHs=0.17×20.16=3.43m方程简化为：以堰顶为原点，各点坐标见下表：Y0.00.51.01.52.02.53.03.43X0.0-3.04-4.13-4.84-5.32-5.63-5.80-5.85b、下游段曲线OB采用WES曲线，方程为xn=KHsn-1(4·3)式中：K、n－与上游坝面坡率（△y/△x）关于系数，按《水工建筑物》表2－10采用。由上游面铅直即（△y/△x）=3：0，查得K=2.000,n=1.850。按WES曲线与中间直线段相切，中间直线段坡率取为与挡水坝段相似为1：0.7，令dy/dx=1:0.7得切点B坐标为（33.617，25.959）同样以堰顶为原点，坐标轴y轴向下为正向对方程列表计算，故OB段各点坐标见下表：Y0.01.02.04.06.08.010.012.0X0.05.7828.41012.23215.23017.79320.07322.152Y14.016.018.020.022.024.025.959X25.88027.58129.19730.74132.22133.61733.617B、中间直线段其上部与坝顶曲线相切，下部与反弧段曲线相切，坡率与挡水坝段下游坝面坡率相似，取为1：0.7。C、下部反弧段为使下泄水流平顺地与下游水面衔接，常采用反弧曲线。a、效能方式选取溢流坝消能防冲设计任务是在尽量短距离内使下泻水流动能消耗在水流内部紊动和水流与空气摩擦中，并与下泻水流平顺地连接起来，不产生危机大坝安全河床或河岸局部冲刷。惯用消能方式有：底流消能，挑流消能，面流消能和戽流消能。各种消能方式合用条件不同。底流消能合用与坝体下游基岩软弱没有排冰或过漂浮物规定中低水头坝，多用于中小型工程。挑流消能合用于基岩教完整，抗冲能力较强高中水头溢流坝。面流消能合用于尾水较深而水位流量变幅不大，河床与两岸抗冲能力较强中低水头坝，而戽流消能合用于尾水较深，无航运或排漂规定，下游河床及两岸抗冲能力较强状况。考虑到三峡坝基基岩完整坚硬，水头较高且有排冰排漂规定，通过比较选用挑流消能。挑流消能设计规定是：尽量使水股在空中扩散和掺气限度大，挑射距离远，水舌入水角β小。b、鼻坎型式选取惯用鼻坎型式有持续式和差动式两种。持续式鼻坎构造简朴，坎上水流平顺，不易空蚀，水流挑距远；差动式鼻坎消能效果较持续式好，但挑距较小，坎壁易空蚀，施工复杂，故选用持续式鼻坎。c、鼻坎高程拟定假设鼻坎高程为，由《水工设计手册》可查得如下一组公式：（4·4）本设计选用校核洪水位工况作为计算工况式中：—校核洪水位时单宽流量，；代入可得鼻坎处平均流速为：d、反弧半径和挑角拟定图4·2（4·5）式中：L—水舌距离，m；—坎顶水面流速，约为鼻坎处平均流速，m；—鼻坎挑角；—坎顶平均水深h在铅直方向投影，m；—坎顶至下游河床面高差，m；g—重力加速度，9.8m/s2反弧半径R可按(4-10)h选用，h为校核水位闸门全开时反弧段最低点处水深。本设计取用R=6h。将鼻坎处平均水深代入得：选用坝基高程为5m，则：溢流坝段简化图如（图4·3）图４.４由上图依照几何知识得：依照三角形基本剖面知：，得º则得：，C点高程为：鼻坎到上游距离为：反弧段半径：则：综上所述：用Excel进行试算，过程见（附表4·1）。本设计综合考虑，表孔和深孔泄流不发生冲突，同步也不与深孔冲坑相复合，以及工程量实际施工关系故而取，º。从而得：为使水流转向平顺，本设计取。C点高程为：e、计算最大冲坑深度冲坑深度取决于水流冲刷能力和河流抗冲能力。开始泄流时，前者不不大于后者。河床被冲刷形成冲刷坑。随着冲刷加深，水垫高度加大，入射水流得以缓冲，动能和冲刷能力减小，直至两者平衡时，冲坑深度趋于稳定。本设计按溢流坝段右端进行计算。规范（SDJ22-78）推荐采用如下经验公式估算最大冲坑水垫厚度：（4·6）式中：tk—水垫厚度，自水面算至坑底，m；q—单宽流量，校核洪水位工况下q＝，设计洪水位工况下H—上下游水位差，校核洪水工况下：H=180.4-83=97.4m；设计洪水工况下：H=175－62=113m；—冲坑系数，对坚硬完整岩石，＝0.9～1.2，取＝1.1。将各参数代入式中，得：校核洪水工况下：下游水深：>故河床不形成冲刷坑，满足条件。设计洪水工况下：下游水深：>故河床不形成冲刷坑，满足条件。4.3导墙设计4.3.1不掺气水面线拟定WES型溢流坝面与下游直线段切点坐标（Xt，Yt）可按下是求得（4·7）式中：有前设计得，切点坐标为（33.617，25.959）b、曲线段长度LC依照《水工设计手册卷六》，对于WES曲线LC由X/Hd查算，其中X从堰顶开始向下游计算。查表得：则：上游堰面长度为下游堰面长度为c、直线段长度从切点到直线上任意一点（Xi，Yi）距离（4·8）式中：—直线段坝面与水平方向夹角，本设计为55.0080d、从堰面顶曲线起点到（Xi，Yi）坝面距离（4·9）到反弧段起点距离：e、边界层厚度（4·10）式中：K—坝面粗糙系数，对于混凝土坝面，普通取（0.427～0.61）㎜,本设计取0.5㎜.则反弧段起点边界层厚度为f、计算单宽流量（4·11）式中：H—堰上水头，本设计取校核洪水时水头H=22.4m；m—水头H时流量系数，本设计考虑到施工放样时误差和堰面平整，按水工建筑规范取m=0.49；g—重力加速度。校核洪水位时单宽流量：g、试算法推求势流水深hp选用公式为：（4·12）用Excel试算，过程见附表（4—1）采用校核水深H=22.4，α=55.0050h、正交与坝面坝面水深（4·13）4.3.2掺气水面线拟定自然掺气开始发生点位置Lk选用经验公式：（4·14）式中：q—单宽流量，本设计取校核洪水位工况下b、掺气水深选用公式：（4·15）式中：h—不计入波动及掺气水深m；hb—计入波动及掺气水深m；v—不计入波动及掺气计算断面上平均流速m/s；ζ—修正系数，普通取1.0～1.4，是流速和断面收缩状况而定，本设计取为1.2结合势流水深试算，本设计h计算也进行试算，过程见附表（4—1）4.3.4导墙拟定综上所述，WES曲线导墙顶高程于坝顶同高程为185m。直线段导墙比其掺气水面高2m，坡率与坝体坡率相似位1：0.7，反弧段导墙为直线段与反弧段切点水平连接到鼻坎处，其高程为110m。