溢流坝段表孔设计计算说明.docx
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溢流坝段表孔设计计算说明
第4章溢流坝段表孔设计
溢流坝段既是挡水建筑物，又是重力坝枢纽最中重要的泄水建筑物。
设计时，除了应满足稳定和强度要求外，还要满足因泄水带来的一系列要求，包括：
（1）具有足够的孔口体形尺寸和较高的流噩系数，，以使之具有足够的溢流
能力。
（2）应具有良好的孔口体形，以使水流平顺地过坝，不产生有害的负压、
震动和空蚀等。
（3）保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲刷。
（4）溢流坝段在枢纽中的位置，应使下游水流流态平顺，不产生折冲水流，不影响枢纽中的其他建筑物的正常运行。
（1）又灵活可靠的下泄水流控制设备，如闸门启闭机等
4.1确定溢流断面长度
4.1.1设计单宽流量
溢流重力坝的单宽流量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。
单宽流噩愈大，所需的溢流前缘愈短，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的进步，选定的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，故可假定单宽流盐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
Q23540
L=—==117.7m
200
（2）校核洪水位工况下：
Q=35260m3/s
则可假定
Q35260
L=—==176.3m
200
选取二者中的最大值，确定溢流段长度为176.3m
本设计选用平面钢闸门形式，因其结构简单，而且闸墩受力条件良好。
取孔口净宽为b=8米。
a、计算孔口数：
（1）设计洪水位工况下·.n=117.7
=14.71
（2）校核洪水位工况下：
176.3
==
n21.94
由此可确定孔口数为22孔。
据此计算Q溢=22X8X200=35300m3/s,满足设计洪水位和校核洪水位工况下所需的下泄流量。
b、闸门布置：
溢流坝段表孔采用平面钢闸门，常用的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，但对地基要求较严格，若产生地基不均匀沉降则对闸
门启闭运行极为不利，而跨墩布置可以适当放松对地基的要求，然而却增加了闸门的长度，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。
经考虑论证后选取闸墩厚度为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的孔口。
孔设口宽度为b,则孔口数n=L/b。
，令闸墩厚度为d。
闸门段长L=22X8+（22一l）X13=449m
因为采用跨缝布置，考虑深孔的交错布置（深孔为23孔，由下章可知），故其溢流坝段前缘总长为：
Lo=L+2d+b=483m.o
4.1.2堰顶总水头的确定
由调洪演算求出的设计洪水位及相应的溢流坝下泄流量Q溢，可求的堰顶设计总水头Ho。
利用堰流公式计算Ho:
Qli=nb迈“石H。
3/2（4•1）
式中：
Q溢—表孔下泄洪水的流噩，有设计资料Q溢=23540m3/s;n—孔口数，22;
b—表孔净宽，8m;
c—闸墩侧收缩系数，与墩头形式有关，初拟时可取0.9-0.95,本计设计取0.92;
（7,—淹没系数，因其为自由出流，故取1.0;
m—流量系数，以三峡工程为高坝，初拟时根据水工建筑物经验可预定P1/Hd3.0,可以不计行近流速，取m=0.502。
Ho-堰顶设计总水头。
将各参数代入上式，得堰顶设计水头：
Ho=16.23m
则：
堰顶高程＝设计水位－堰顶水头
=175一16.47
=158.53m
本设计取158m。
检验：
结合本设计结果，立-;:
:
3.0。
故可以不计行近流速，满足假设条件。
H
综上所述：
本设计溢流表孔坝段分成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
溢流重力坝的溢流面由顶部曲线段，中间直线段和下游反弧段三部分组成。
设计要求为：
＠有较高的流量系数；＠水流平顺，不产生有害的负压和空蚀破坏；
＠体形简单，造价低，施工方便。
4.2.1定型设计水头的确定
Hs定型设计水头即坝剖面设计时采用的堰顶水头，一般取校核水位时堰顶水头Hzmax的75%-95%,并满足下列要求：
＠遇校核水位闸门全开时，
堰顶附近出现的负压不得超过3-6m水柱；＠遇常遇洪水位（等于或低于20
年一遇的洪水）闸门全开时，坝顶附近不得出现负压。
Hzmax=校核洪水位－堰顶高程=180.4-158=22.4m
当实际来水的堰顶水头Hz高出Hs时，堰顶附近将出现负压，Hz超出Hs愈大，负压值愈大，显然，遇到校核洪水位，即Hz=Hzmax时，堰顶附近将出现最大负压值。
选用不同定型设计水头时堰顶附近可能出现的最大负压值见下表：
H姐Zm
ax
0.75
0.775
0.80
0.825
0.85
0.875
0.90
0.95
1.0
Hs
1。
6.8
17.36
17.9
2
18.84
19.0
4
19.60
20.16
21.28
22.4
最大负
压值
0.5H
z
0.45H
z
0.4H
z
0.35H
z
0.3H
z
0.25H
z
0.20H
z
0.10H
z
0.OH
z
当实际来水的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，所以要考虑有一定的负压值，但负压值不宜过大，不能超过规范规定的3-6米水柱，本设计取用Hs=O.9Hzmax,即最大负压值为
Hs=90%Hzmax=90%X22.4=20.16m
4.2.2堰面曲线的设计
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三部分组成。
设计要求是：
＠有较高的流速系数；＠水流平顺，不产生有害的
D
负压和空蚀破坏；＠体形简单，造价低，施工方便。
如图4—l
图4—l
A、顶部曲线段
开敞式坝顶溢流的顶部曲线，其合理形式应与薄壁堰的水合下缘曲线相
吻合。
本设计采用WES型曲线，此曲线又以堰顶0为界分为上游段AO和下游段OB。
骂
图4•2
a、上游段AO应有利于改善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
+=I
（4•2）
（aH寸（bHs/
式中：
aHs、bHs-椭圆的长、短半轴，因上游坝面铅直，可取
a=O.28-0.30,a/b=O.87+3a,
本设计取a=0.29、b=O.17,即：
aHs=O.29X20.16=5.85m
bHs=0.17X20.16=3.43m
2
方程简化为：
X+y=l
（5.85）2（3.43）2
以堰顶为原点，各点坐标见下表：
:
I/04I=/13I=/84I:
\2I:
\3I80I385
b、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（-6.y/-6.x）有关的系数，按《水工建筑物》表2-10采用。
由上游面铅直即（_6,y/_6,X）=3:
0,查得K=2.000,n=l.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同为1:
0.7,令dy/dx=l:
0.7得切点B的坐标为（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：
y
0.0
1.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
X
0.0
5.782
8.410
12.232
15.230
17.793
20.073
22.152
y
14.0
16.0
18.0
20.0
22.0
24.0
25.959
X
25.880
27.581
29.197
30.741
32.221
33.617
33.617
B、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，坡率与挡水坝段的下游坝面坡率相同，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、效能方式的选择
溢流坝消能防冲设计的任务是在尽可能短的距离内使下泻水流的动能消耗在水流内部的紊动和水流与空气的摩擦中，并与下泻水流平顺地连接起来，不产生危机大坝安全的河床或河岸的局部冲刷。
常用的消能方式有：
底流消能，挑流消能，面流消能和席流消能。
各种消能方式适用的条件不同。
底流消能适用与坝体下游基岩软弱没有排冰或过漂浮物要求的中低水头坝，多用于中小型工程。
挑流消能适用于基岩教完整，抗冲能力较强的高中水头溢流坝。
面流消能适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的中低水头坝，而席流消能适用千尾水较深，无航运或排漂要求，下游河床及两岸抗冲能力较强情况。
考虑到三峡坝基基岩完整坚硬，水头较高且有排冰排漂要求，经过比较选用挑流消能。
挑流消能的设计要求是：
尽量使水股在空中扩散和掺气的程度大，挑射距离远，水舌入水角B小。
b、鼻坎型式的选择
常用的鼻坎型式有连续式和差动式两种。
连续式鼻坎构造简单，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连续式好，但挑距较小，坎壁易空蚀，施工复杂，故选用连续式鼻坎。
c、鼻坎高程的确定
假设鼻坎高程为H,由《水工设计手册》可查得以下一组公式：
V=劝＄百
¢=dl-
o.;
kI
Q
h=—（4•4）
Vb
本设计选用校核洪水位工况作为计算工况
式中：
q—校核洪水位时的单宽流量，q=
V—异坎处的平均流速，mIs飞
汾—流速系数；
35260
22X8
=200.34m3
Is;
Z—上下游水位差，本设计Z=180.4-83=97.4m;
h—坎顶水深，m;
h—溢流坝段净，宽本设计b=22X8=176m;
s—上游水位到异坎高程，s=18Q4-H。
代入可得鼻坎处的平均流速为：
V=,:
!
-[O:
SS,.,•-J2g（!
8U4-H）
石'z'l
=0.923x4.437x../18Q4-H
=4.086180.4-H
d、反弧半径和挑角的确定
V上汾水位践
v下切．小位伐
宁'"1
图4•2
L=一[v1sin0cos0+vcos0J矿sin02+2g（h1+hz）J（4•5）
l2
g
式中：
L—水舌距离，m;
VI—坎顶水面流速，约为鼻坎处平均流速，m;
0—鼻坎挑角；
h,—坎顶平均水深h在铅直方向的投影，m;
h2—坎顶至下游河床面的高差，ID;
g—重力加速度，9.8m/2s
反弧半径R可按（4-IO）h选用，h为校核水位闸门全开时反弧段最低点处的水深。
本设计取用R=6h。
将鼻坎处的平均水深代入得：
v1=1.1V=4.49式l804-H
Q44.570
hI=hcos0=—cos0=
Vl8Q4-H
CO'iJ
选取坝基高程为Sm,则：
h2=H-5
溢流坝段的简化图如（图4•3）
E
胆4.4
由上图根据几何知识得：
根据三角形基本剖面知：
tana=0.7,得a=34.992°
则得：
BD=Rsin0,OB=Rcos0AC=Rcosa=0.819R
OA=Rsina=0.537R
AB=OA-OB=Rcos0-0.573R
C点高程为：
Hc=H+AB=H+Rcos0-0.573REC=0.7（108.4+0.573R-H-RcoffJ）
鼻坎到上游的距离为：
LI=EC+AC+BD
=126.28-0.7H+R（l.22-0.7coii+si心）
反弧段半径：
Q6X）5260267.42R=6h=6x—==
吵4.495-Jl8o.4-Hx22x&-J1&0.4-H
则：
LI=126.28-0.7H+
267.42
180.4-H
（1.22-0.7cos0+sin0）
综上所述：
用Excel进行试算，过程见（附表4•1）。
本设计综合考虑，表孔和深孔的泄流不发生突冲，同时也不与深孔的冲坑相复合，以及工程量的实际施工关系
故而取H=90m,0=10°。
从而得：
44.57
h==4.688m
180.4-H
V=4.495180.4-H=42.738m/s2
V1=6h=28.126
为使水流转向平顺，本设计取R=30。
C点高程为：
H.=90+30cos10°-0.573x30=10235如
e、计算最大冲坑深度
冲坑深度取决于水流的冲刷能力和河流的抗冲能力。
开始泄流，时前者大于后者。
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，直至二者平衡时，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）推荐采用以下经验公式估算最大冲坑水垫厚度：
tt=aq
0.5
H
0.25
（4•6）
式中：
tk—水垫厚度，自水面算至坑底，ID;
q—单宽流量，校核洪水位工况下q=35260=200.34m!
（s·m）,
22X8
设计洪水位工况下q=
23540
22X8
=133.75
H—上下游水位差，校核洪水工况下：
H=l80.4-83=97.4m;
设计洪水工况下：
H=175-62=113m;
a—冲坑系数，对坚硬完整的岩石，a=O.9,,l.2,取a=l.1。
将各参数代入式中，得：
校核洪水工况下：
fk=1.1X（200.341）°5X（97.4。
）
25=48.92m
下游水深：
h,=83-4=79>从
故河床不形成冲刷坑，满足条件。
设计洪水工况下：
fk=1.1X（133.75）O5X（}13。
）25=41.472m
下游水深：
h,=62-4=58江
故河床不形成冲刷坑，满足条件。
4.3导墙设计
4.3.1不掺气水面线的确定
a、WES型溢流坝面的与下游直线段的切点坐标（Xi,Yt）可按下是求得
X=1.096a一l.177HY,=0.592a-2.177Hd
（4•7）
d
式中：
H
—
定型设计水，头
Ha=20.16m
a—坝坡系数
有前设计得，切点坐标为（33.617,25.959）
b、曲线段长度Le
根据《水工设计手册卷六》，对于WES曲线Le由又比查算，其中X从堰顶开始向下游计算。
XX33.617
—=—I==l.668
HdHd20.16
H
L
—=
查表得
2.47
d
C
L=2.5x20.16=49.80m
则：
上游堰面长度为L1=0.315H,=0.315x20.16=6.35m
下游堰面长度为丛=Le-L1=49.8-6.35=43.45m
c、直线段长度丛
从切点到直线上任意一点（Xi,Yi）的距离
y-Y,
Lsf=
sllY.l'
式中：
a—直线段坝面与水平方向的夹角，本设计为55.008°
55.646-25.959
Ls==36.248m
sin55.008
d、从堰面顶曲线起点到（Xi,Yi）的坝面距离
+
L=LL
"'st
•9）
到反弧段起点的距离：
L=49.8-36.248=86.04彻
e、边界层厚度
f
-0.1
式中：
k—坝面粗糙系数，对于混凝土坝面，一般取（0.427,.._,0.61）mm,
本设计取0.5mm.
则反弧段起点的边界层厚度为
0=0.02X（102·74
.,O-IX86.048=0.515
\0.5xl0-3丿
f、计算单宽流量
q=m妇胪（4•11）
式中：
H—堰上水头，本设计取校核洪水时的水头H=22.4m;
m—水头H时的流量系数，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。
校核洪水位时的单宽流量：
q=0.4X（2.）2=229.97）m3/S
g、试算法推求势流水深片选用公式为：
q2
H+Y=hcosa+
（4•12）
Ip2
0p
2ah
用Excel试算，过程见附表（4—1）
采用校核水深H=22.4,a=55.005°
h、正交与坝面的坝面水深
h=h,,+0.18b"（4•13）
4.3.2掺气水面线确定
a、自然掺气开始发生点的位置Lk
选用经验公式：
LK=12.2q0.718（4•14）
式中：
q—单宽流量，本设计取校核洪水位工况下q校=229.937m3/sLK=12.2x（229.983）0718=605.42
b、掺气水深选用公式：
hb=（l+沁（4•15）
式中：
h—不计入波动及掺气的水深m;
hb—计入波动及掺气的水深m;
v—不计入波动及掺气的计算断面上平均流速mis;
（—修正系数，一般取1.0,..,1.4,是流速和断面收缩情况而定，本设计取为1.2
结合势流水深的试算，本设计h的计算也进行试算，过程见附表（4—1）
4.3.4导墙的确定
综上所述，WES曲线的导墙的顶高程于坝顶同高程为185m。
直线段的导墙比其掺气水面高2m,坡率与坝体坡率相同位1:
0.7,反弧段导墙为直线段与反弧段的切点水平连接到鼻坎处，其高程为110m。
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