溢流坝段表孔设计计算说明.docx

1、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

2、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 = 23540 m3/s则可假定Q 23540L = = = 117 .7 m200( 2 ) 校核洪水位 工况下： Q = 3526 0 m3/s则可假定Q 35

3、260L = = = 176 .3m200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= =n 21 .94由此可确定 孔口数为22 孔。据此计算Q 溢 = 22X 8X200 = 35300 m3/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

4、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 = 22 X 8+(22一l ) X 13 = 44 9m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

5、），故其溢流坝段前缘总长为：Lo = L + 2 d + b = 483 m. o4.1.2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 = n b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 = 235 40 m3 /s; n 孔口数， 22 ;b 表 孔净宽，8 m;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

6、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。Ho- 堰顶设计总水头。将各参数代入上式，得堰 顶设计水头：H o=16 . 23m则：堰顶高程设计水位堰顶水头= 175一16. 47=158. 53 m本设计取 158 m。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

7、 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 %-9 5 % , 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，

8、堰顶附 近将出现 负压 ， Hz 超 出 H s 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 Zmax0. 750. 7750.800. 8250.850.8750.900.951.0Hs1。6 . 817 . 3617.9218. 8419.0419. 6020. 1621. 2822. 4最大负压值0. 5Hz0. 45Hz0.4Hz0. 35Hz0. 3Hz0. 25Hz0. 20Hz0.10Hz0. OHz当实际 来水 的作用 水头低

9、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%X 22. 4= 20. 16m4.2.2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

10、 lA 、 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 2a 、 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 (bH s /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+3 a ,本设计 取a=0. 29、b=O. 1 7, 即：aHs=O. 29 X 20. 16 = 5. 85mbHs

11、=0.17 X 20.16 = 3. 43m2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 /04 I =/13 I =/84 I: 2 I: 3 I 80 I 385b 、 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

12、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：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

13、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

14、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

15、 -o.;kIQh = ( 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 ， m I s 飞汾 流 速 系数 ；3526022 X 8= 200 .34 m 3I s ;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 = 22 X 8 = 176 m;s 上 游 水 位 到 异坎 高程 ， s = 18 Q4 - H 。代入可得鼻坎处的平均流速为： V = ,:!- O:SS ,., -J2g(! 8U4- H)石 z l

16、= 0 .9 2 3x 4 .4 3 7x ./1 8 Q4 - H= 4 .086 180 .4 - Hd、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 2L = 一 v1 s in 0 c o s 0 + v co s 0 J 矿s in 02 + 2 g ( h1 + hz) J ( 4 5 )l 2g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

17、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. 1 V = 4 .4 9 式l 8 04 - HQ 44 .5 7 0hI = h cos 0 = cos 0 =V l 8Q4 - HCOiJ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 ： tan a = 0.7 , 得a = 34 .992则得： BD = R sin 0 , OB = R cos 0 AC = R cos a = 0.819 ROA = R sin a = 0. 537 RAB = O

18、A - OB = R cos 0 - 0 .573 RC 点高程为： Hc = H + AB = H + R cos 0 - 0 .573 R EC = 0 .7 (1 0 8.4 + 0 .5 7 3R - H - R c o ffJ)鼻坎到上游的距离为：LI = EC + AC + BD = 126 .28 - 0.7 H + R( l .22 - 0.7 co ii+ s i 心 ） 反弧段半径：Q 6 X)5260 267 .42 R = 6h = 6 x = =吵 4 .495 -Jl8o .4 - H x 22 x & -J1 & 0.4 - H则 ： LI = 126 .28 -

19、 0. 7 H +267 .42180 .4 - H(1.22 - 0.7 cos 0 + sin 0)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 = 90 m , 0 = 10 。从而得：44 .57h = = 4.688 m180 .4 - HV = 4.495 180 .4 - H = 42 .738 m /s2V1 = 6 h = 28 .126为使水流转向平顺 ，本 设计取R = 30 。C 点高程为：H. = 90 + 30 cos 10 - 0. 5

20、73 x 30 = 1 0 2 3 5 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 ( SDJ 22- 78 ) 推荐采用以 下 经验公式估算最大冲坑水垫厚度：tt = aq0 . 5H0 . 25( 4 6)式中： t k 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 !(sm),22X 8设计洪水位工况下q =2354

21、022 X 8= 133 .75H 上下游水位差，校核洪水 工况下： H = l 80. 4- 83 = 97. 4m ;设计 洪水工况下： H = 1 75- 62 = 113 m;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 = 1.1 X (200 .341)5 X (97 .4。)25 = 48 .92 m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： f k = 1. 1 X (133 .75) O5 X ( 13。) 25 = 41 .47

22、2 m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、WE S 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 = 1.096 a 一 l. 177 H Y, = 0.592 a - 2.177 Hd( 4 7 )d式中： H定型设计水，头Ha = 20 .16 ma 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。X X 33 .617 = I = =

23、 l .6 6 8Hd Hd 20.16HL=查表得2.47dCL = 2 . 5 x 20 .16 = 49 .80 m则： 上游堰面长度为L1 = 0.315 H, = 0.315 x 20 .16 = 6.35 m下游堰面长度为丛 = Le - L1 = 49 .8 - 6.35 = 43 .45 mc、直线段长度丛从切点到直线上任意一点 ( X i, Y i ) 的距离y - Y,L sf=s l lY.l式中： a 直线段 坝面与水平方向的夹角，本设计为 55. 00855 .646 - 25 .959Ls = = 36.248 msin 55 .008d、从堰面顶曲线起点到( X

24、i, Y i ) 的坝面距离+L = L Lst9)到反弧段起点的距离：L = 49 .8 - 36 .248 = 86 .0 4 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. 5 mm.则反弧段起点的边界层厚度为0 = 0.02X (10274.,O-IX 86 .048= 0.515 0 .5 x l0- 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

25、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 / Sg、试算法推求势流水深片选用公式为 ：q2H + Y = h cos a +( 4 12)I p 20 p2 ah用 Excel 试算，过 程见附表 ( 41)采用校核水深H=22. 4, a =55. 005h、正交与坝面的坝面水深h = h, + 0.18 b ( 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L k选用经验公 式：LK = 12 .2 q 0 . 718 ( 4 14)式中： q 单宽流量 ，

26、本 设计取校核洪水位工况下q 校 = 229 .937 m3 / s LK = 12 . 2 x (229 .98 3 )0 7 18 = 605 .42b、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 ( 41 )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。