溢流堰設(shè)計說明書

1、.第4章 溢流壩段表孔設(shè)計溢流壩段既是擋水建筑物，又是重力壩樞紐中最重要的泄水建筑物。設(shè)計時，除了應滿足穩(wěn)定和強度要求外，還要滿足因泄水帶來的一系列要求，包括：（1）具有足夠的孔口體形尺寸和較高的流量系數(shù)，以使之具有足夠的溢流能力。（2）應具有良好的孔口體形，以使水流平順地過壩，不產(chǎn)生有害的負壓、震動和空蝕等。（3）保證下游河床不產(chǎn)生危及壩體安全的局部沖刷。（4）溢流壩段在樞紐中的位置，應使下游水流流態(tài)平順，不產(chǎn)生折沖水流，不影響樞紐中的其他建筑物的正常運行。（1） 又靈活可靠的下泄水流控制設(shè)備，如閘門啟閉機等4.1 確定溢流斷面長度4.1.1 設(shè)計單寬流量溢流重力壩的單寬流量q需綜合考慮地質(zhì)

2、條件、樞紐布置、下游河道水深和消能工設(shè)計等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟比較后選定。單寬流量愈大，所需的溢流前緣愈短，對樞紐布置有利，但下泄水流動能大，對下游消能防沖不利，。近年來隨著消能工技術(shù)的進步，選定的單寬流量也不斷增大。本設(shè)計中，三峽壩之下游段地質(zhì)條件優(yōu)良，故可假定單寬流量q=200m3/s，據(jù)此可假定溢流壩段長度。（1）設(shè)計洪水位工況下：Q = 23540 m3/s則可假定 （2）校核洪水位工況下：Q = 35260 m3/s則可假定 選取二者中的最大值，確定溢流段長度為176.3m本設(shè)計選用平面鋼閘門形式，因其結(jié)構(gòu)簡單，而且閘墩受力條件良好。取孔口凈寬為b = 8 米。a、計算孔口數(shù)：（1）

3、設(shè)計洪水位工況下：（2）校核洪水位工況下：由此可確定孔口數(shù)為22孔。據(jù)此計算Q溢 = 228200 = 35300 m3/s，滿足設(shè)計洪水位和校核洪水位工況下所需的下泄流量。b、閘門布置：溢流壩段表孔采用平面鋼閘門，常用的布置有跨縫布置和跨墩布置，其中跨縫布置可以減少閘墩長度，但對地基要求較嚴格，若產(chǎn)生地基不均勻沉降則對閘門啟閉運行極為不利，而跨墩布置可以適當放松對地基的要求，然而卻增加了閘門的長度，使整個溢流壩段長度增大，對其經(jīng)濟性產(chǎn)生影響。綜合各方面因素，鑒于三峽工程所在地地基條件優(yōu)良，故選用跨縫布置。經(jīng)考慮論證后選取閘墩厚度為13m，則每段壩長為13+8=21m。c、溢流壩段前緣總長：溢

4、流壩頂裝設(shè)閘門時，用壩墩將溢流壩段分割成若干個等寬的孔口。設(shè)孔口寬度為b,則孔口數(shù)n = L/b。，令閘墩厚度為d。閘門段長L = 228+(221)13 = 449m因為采用跨縫布置，考慮深孔的交錯布置(深孔為23孔，由下章可知)，故其溢流壩段前緣總長為：L0 = L + 2d + b = 483 m.。4.1.2 堰頂總水頭的確定由調(diào)洪演算求出的設(shè)計洪水位及相應的溢流壩下泄流量Q溢，可求的堰頂設(shè)計總水頭H0。利用堰流公式計算H0： （41） 式中：Q溢 表孔下泄洪水的流量，有設(shè)計資料Q溢23540m3/s；n 孔口數(shù)，22； b 表孔凈寬，8m； 閘墩側(cè)收縮系數(shù)，與墩頭形式有關(guān)，初擬時可取

5、0.9-0.95， 本計設(shè)計取0.92； 淹沒系數(shù)，因其為自由出流，故取1.0； m 流量系數(shù)，以三峽工程為高壩，初擬時根據(jù)水工建筑物經(jīng)驗可預定P1/Hd 3.0，可以不計行近流速，取m = 0.502。H0堰頂設(shè)計總水頭。將各參數(shù)代入上式，得堰頂設(shè)計水頭：H0=16.23m則：堰頂高程設(shè)計水位堰頂水頭 17516.47 =158.53 m 本設(shè)計取158 m。檢驗：結(jié)合本設(shè)計結(jié)果，。故可以不計行近流速，滿足假設(shè)條件。綜上所述：本設(shè)計溢流表孔壩段分成23個壩段，分縫布置故有22個孔口；選用平面鋼閘門，閘門寬8米，堰頂高程為158米。4.2 溢流面曲線設(shè)計溢流重力壩的溢流面由頂部曲線段，中間直線

6、段和下游反弧段三部分組成。設(shè)計要求為：有較高的流量系數(shù)；水流平順，不產(chǎn)生有害的負壓和空蝕破壞；體形簡單，造價低，施工方便。4.2.1 定型設(shè)計水頭的確定Hs定型設(shè)計水頭即壩剖面設(shè)計時采用的堰頂水頭，一般取校核水位時堰頂水頭Hzmax的75%-95%，并滿足下列要求：遇校核水位閘門全開時，堰頂附近出現(xiàn)的負壓不得超過36m水柱；遇常遇洪水位(等于或低于20年一遇的洪水)閘門全開時，壩頂附近不得出現(xiàn)負壓。Hzmax校核洪水位堰頂高程 180.4-158 = 22.4m 當實際來水的堰頂水頭HZ高出HS時，堰頂附近將出現(xiàn)負壓，HZ超出HS愈大，負壓值愈大，顯然，遇到校核洪水位，即HZ=HZmax時，堰

7、頂附近將出現(xiàn)最大負壓值。選用不同定型設(shè)計水頭時堰頂附近可能出現(xiàn)的最大負壓值見下表：HS/HZmax0.750.7750.8008250.850.8750.900.951.0HS16.8017.3617.9218.8419.0419.6020.1621.2822.4最大負壓值0.5HZ0.45HZ0.4HZ0.35HZ0.3HZ0.25HZ0.20HZ0.10HZ0.0HZ 當實際來水的作用水頭低于定型設(shè)計水頭HS時，堰體對水舌有頂托作用，使其流量系數(shù)減少，減少溢流段下泄量，所以要考慮有一定的負壓值，但負壓值不宜過大，不能超過規(guī)范規(guī)定的36米水柱，本設(shè)計取用HS=0.9HZmax,即最大負壓值為

8、 Hs90%Hzmax=90%22.4=20.16m 4.2.2 堰面曲線的設(shè)計重力壩溢流面曲線由頂部曲線段AB、中間段BC和下部反弧段CD三部分組成。設(shè)計要求是：有較高的流速系數(shù)；水流平順，不產(chǎn)生有害的負壓和空蝕破壞；體形簡單，造價低，施工方便。如圖圖 A、頂部曲線段開敞式壩頂溢流的頂部曲線，其合理形式應與薄壁堰的水合下緣曲線相吻合。本設(shè)計采用WES型曲線，此曲線又以堰頂O為界分為上游段AO和下游段OB。 圖4a、上游段AO應有利于改善堰面壓力和流速分布，提高流量系數(shù)，宜用1/4橢圓曲線，其方程為 （42） 式中：aHs、bHs橢圓的長、短半軸，因上游壩面鉛直，可取a=0.28-0.30,a

9、/b=0.87+3a,本設(shè)計取a=0.29、b=0.17，即： aHs=0.2920.16 = 5.85mbHs=0.1720.16 = 3.43m方程簡化為： 以堰頂為原點，各點坐標見下表：Y0.00.51.01.52.02.53.03.43X0.0-3.04-4.13-4.84-5.32-5.63-5.80-5.85b、下游段曲線OB采用WES曲線，方程為 xn=KHsn-1 (43) 式中：K、n與上游壩面坡率（y/x）有關(guān)的系數(shù)，按水工建筑物表210采用。由上游面鉛直即（y/x）=3：0，查得K=2.000,n=1.850。按WES曲線與中間直線段相切，中間直線段坡率取為與擋水壩段相同

10、為1：0.7，令dy/dx=1:0.7得切點B的坐標為（33.617，25.959）同樣以堰頂為原點，坐標軸y軸向下為正向?qū)Ψ匠塘斜碛嬎?，故OB段各點坐標見下表：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、中間直線段其上部與壩頂曲線相切，下部與反弧段曲線相切，坡率與擋水壩段的下游壩面坡率相同，取為1：0.7。C、下部反弧段為使下泄水流平順地與下游水

11、面銜接，常采用反弧曲線。a、效能方式的選擇溢流壩消能防沖設(shè)計的任務是在盡可能短的距離內(nèi)使下瀉水流的動能消耗在水流內(nèi)部的紊動和水流與空氣的摩擦中，并與下瀉水流平順地連接起來，不產(chǎn)生危機大壩安全的河床或河岸的局部沖刷。常用的消能方式有：底流消能，挑流消能，面流消能和戽流消能。各種消能方式適用的條件不同。底流消能適用與壩體下游基巖軟弱沒有排冰或過漂浮物要求的中低水頭壩，多用于中小型工程。挑流消能適用于基巖教完整，抗沖能力較強的高中水頭溢流壩。面流消能適用于尾水較深而水位流量變幅不大，河床與兩岸抗沖能力較強的中低水頭壩，而戽流消能適用于尾水較深，無航運或排漂要求，下游河床及兩岸抗沖能力較強情況?？紤]到

12、三峽壩基基巖完整堅硬，水頭較高且有排冰排漂要求，經(jīng)過比較選用挑流消能。挑流消能的設(shè)計要求是：盡量使水股在空中擴散和摻氣的程度大，挑射距離遠，水舌入水角小。b、 鼻坎型式的選擇 常用的鼻坎型式有連續(xù)式和差動式兩種。連續(xù)式鼻坎構(gòu)造簡單，坎上水流平順，不易空蝕，水流挑距遠；差動式鼻坎消能效果較連續(xù)式好，但挑距較小，坎壁易空蝕，施工復雜，故選用連續(xù)式鼻坎。 c、鼻坎高程的確定假設(shè)鼻坎高程為，由水工設(shè)計手冊可查得以下一組公式： （44）本設(shè)計選用校核洪水位工況作為計算工況式中： 校核洪水位時的單寬流量，； 代入可得鼻坎處的平均流速為： d、反弧半徑和挑角的確定 圖42 （45）式中：L水舌距離，m；坎頂

13、水面流速，約為鼻坎處平均流速，m；鼻坎挑角；坎頂平均水深h在鉛直方向的投影，m； 坎頂至下游河床面的高差，m；g重力加速度，9.8m/s2 反弧半徑R可按(4-10)h選用，h為校核水位閘門全開時反弧段最低點處的水深。本設(shè)計取用R=6h。 將鼻坎處的平均水深代入得： 選取壩基高程為5m，則： 溢流壩段的簡化圖如（圖43）圖. 由上圖根據(jù)幾何知識得： 根據(jù)三角形基本剖面知：，得 則得：， C點高程為： 鼻坎到上游的距離為： 反弧段半徑： 則： 綜上所述：用Excel進行試算，過程見（附表41）。 本設(shè)計綜合考慮，表孔和深孔的泄流不發(fā)生沖突，同時也不與深孔的沖坑相復合，以及工程量的實際施工關(guān)系故而

14、取，。從而得： 為使水流轉(zhuǎn)向平順，本設(shè)計取。 C點高程為： e、計算最大沖坑深度沖坑深度取決于水流的沖刷能力和河流的抗沖能力。開始泄流時，前者大于后者。河床被沖刷形成沖刷坑。隨著沖刷加深，水墊高度加大，入射水流得以緩沖，動能和沖刷能力減小，直至二者平衡時，沖坑深度趨于穩(wěn)定。本設(shè)計按溢流壩段右端進行計算。規(guī)范（SDJ22-78）推薦采用以下經(jīng)驗公式估算最大沖坑水墊厚度： （46） 式中：tk 水墊厚度，自水面算至坑底，m； q 單寬流量，校核洪水位工況下q， 設(shè)計洪水位工況下H 上下游水位差，校核洪水工況下：H=180.4-83=97.4m； 設(shè)計洪水工況下：H = 17562 = 113m；

15、沖坑系數(shù)，對堅硬完整的巖石，0.91.2，取1.1。將各參數(shù)代入式中，得： 校核洪水工況下： 下游水深： 故河床不形成沖刷坑，滿足條件。 設(shè)計洪水工況下： 下游水深：故河床不形成沖刷坑，滿足條件。4.3 導墻設(shè)計4.3.1 不摻氣水面線的確定a、 WES型溢流壩面的與下游直線段的切點坐標（Xt，Yt）可按下是求得 （47） 式中：有前設(shè)計得，切點坐標為（33.617，25.959）b、曲線段長度LC根據(jù)水工設(shè)計手冊卷六，對于WES曲線LC由X/Hd查算，其中X從堰頂開始向下游計算。 查表得： 則：上游堰面長度為下游堰面長度為 c、直線段長度從切點到直線上任意一點（Xi，Yi）的距離 （48）式

16、中： 直線段壩面與水平方向的夾角，本設(shè)計為55.0080d、從堰面頂曲線起點到（Xi，Yi）的壩面距離 （49）到反弧段起點的距離： e、邊界層厚度 （410）式中：K 壩面粗糙系數(shù)，對于混凝土壩面，一般?。?.4270.61）,本設(shè)計取0.5.則反弧段起點的邊界層厚度為 f、計算單寬流量 （411）式中：H 堰上水頭，本設(shè)計取校核洪水時的水頭H = 22.4m； m 水頭H時的流量系數(shù)，本設(shè)計考慮到施工放樣時誤差和堰面平整，按水工建筑規(guī)范取m = 0.49 ； g 重力加速度。校核洪水位時的單寬流量： g、試算法推求勢流水深hp選用公式為： （412）用Excel試算，過程見附表（41）采用校核水深H=22.4，=55.0050h、正交與壩面的壩面水深 （413）4.3.2 摻氣水面線確定a、 自然摻氣開始發(fā)生點的位置Lk選用經(jīng)驗公式： （414）式中：q 單寬流量，本設(shè)計取校核