溢流堰設(shè)計(jì)說明書

1、第4章 溢流壩段表孔設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)，除了應(yīng)滿足穩(wěn)定和強(qiáng)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(yīng)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(fù)壓、 震動(dòng)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(yīng)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(yùn)行。（1） 又靈活可靠的下泄水流控制設(shè)備，如閘門啟閉機(jī)等確定溢流斷面長度4.1.1設(shè)計(jì)單寬流量。近年來隨溢流重力壩的單寬流量

2、 q 需綜合考慮地質(zhì)條件、 樞紐布置、下游河道水深和 消能工設(shè)計(jì)等因素， 通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(dòng)能大，對下游消能防沖不利， 著消能工技術(shù)的進(jìn)步，選定的單寬流量也不斷增大。q=200m3/s ，本設(shè)計(jì)中，三峽壩之下游段地質(zhì)條件優(yōu)良，故可假定單寬流量 據(jù)此可假定溢流壩段長度。（1）設(shè)計(jì)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(jì)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

3、 b = 8 米。a、計(jì)算孔口數(shù)：（1）設(shè)計(jì)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(jì)算Q溢=22 X 8X 200 = 35300 m 3/s，滿足設(shè)計(jì)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(yán)格， 若產(chǎn)生地基不均勻沉降則對閘 門啟閉運(yùn)行極為不利， 而跨墩布置可以適當(dāng)放松對地基的要求， 然而卻增加了閘 門的長度，使整個(gè)溢流壩段長度增大，對其經(jīng)濟(jì)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

4、證后選取閘墩厚 度為13m則每段壩長為13+8=21mC、溢流壩段前緣總長：溢流壩頂裝設(shè)閘門時(shí)， 用壩墩將溢流壩段分割成若干個(gè)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do閘門段長 L = 22 X 8+（22 1） X 13 = 449m 因?yàn)椴捎每缈p布置，考慮深孔的交錯(cuò)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. o4.1.2 堰頂總水頭的確定由調(diào)洪演算求出的設(shè)計(jì)洪水位及相應(yīng)的溢流壩下泄流量 Q溢，可求的堰頂設(shè) 計(jì)總水頭H0。利用堰流公式計(jì)算H0：(4 1)式中：Q溢一表孔下泄洪水的流量，有設(shè)

5、計(jì)資料 Q溢=23540m/s ;n 孔口數(shù)， 22； 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(shí)可取， 本計(jì)設(shè)計(jì)?。?淹沒系數(shù)，因其為自由出流，故??；m 流量系數(shù)，以三峽工程為高壩，初擬時(shí)根據(jù)水工建筑物經(jīng)驗(yàn)可預(yù)定R/Hd ，可以不計(jì)行近流速，取 m = oH-堰頂設(shè)計(jì)總水頭。將各參數(shù)代入上式，得堰頂設(shè)計(jì)水頭：H0=16.23m則：堰頂咼程=設(shè)計(jì)水位-堰頂水頭=175=158.53 m本設(shè)計(jì)取 158 m。檢驗(yàn)：結(jié)合本設(shè)計(jì)結(jié)果，。故可以不計(jì)行近流速，滿足假設(shè)條件。綜上所述：本設(shè)計(jì)溢流表孔壩段分成 23 個(gè)壩段，分縫布置故有 22 個(gè)孔口； 選用平面鋼閘門，閘門寬 8米，堰頂

6、咼程為 158米。溢流重力壩的溢流面由頂部曲線段，中間直線段和下游反弧段三部分組成。 設(shè)計(jì)要求為： 體形簡單，溢流面曲線設(shè)計(jì)有較咼的流量系數(shù)； 水流平順， 不產(chǎn)生有害的負(fù)壓和空蝕破壞； 造價(jià)低，施工方便。4.2.1定型設(shè)計(jì)水頭的確定Hs定型設(shè)計(jì)水頭即壩剖面設(shè)計(jì)時(shí)采用的堰頂水頭，一般取校核水位時(shí)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(shí)， 堰頂附近出現(xiàn)的負(fù)壓不得超過 3 6m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(shí)，壩頂附近不得出現(xiàn)負(fù)壓。Hzmax=校核洪水位堰頂高程 =22.4m當(dāng)實(shí)際來水的堰頂水頭 H高出HS時(shí)，堰頂附近將出現(xiàn)負(fù)壓，H超出H

7、s愈大, 負(fù)壓值愈大，顯然，遇到校核洪水位，即 HkHUx時(shí)，堰頂附近將出現(xiàn)最大負(fù)壓值。選用不同定型設(shè)計(jì)水頭時(shí)堰頂附近可能出現(xiàn)的最大負(fù)壓值見下表:IH/Hzmax0. 825HS最大 負(fù)壓 值量,當(dāng)實(shí)際來水的作用水頭低于定型設(shè)計(jì)水頭Hs時(shí)，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(fù)壓值，但負(fù)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(jì)取用H3=,即最大負(fù)壓值為Hs = 90%Hzmax=9(%F20.16m4.2.2堰面曲線的設(shè)計(jì)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(jì)要求是：有較高的流速系數(shù)；水流平順，不產(chǎn)生

8、有害的 負(fù)壓和空蝕破壞；體形簡單，造價(jià)低，施工方便。如圖4 1111A、頂部曲線段開敞式壩頂溢流的頂部曲線，其合理形式應(yīng)與薄壁堰的水合下緣曲線相 吻合。本設(shè)計(jì)采用 WES型曲線，此曲線又以堰頂 O為界分為上游段OBAO和下游段圖4-2a、上游段AO應(yīng)有利于改善堰面壓力和流速分布，提高流量系數(shù), 橢圓曲線，其方程為宜用 1/4(4 2)式中：aHs、bHs橢圓的長、短半軸，因上游壩面鉛直，可取 取 a=、b=，即：a=3a本設(shè)計(jì)aHs= X = 5.85mbHs=x = 3.43m方程簡化為：b、下游段曲線OB采用WES曲線，方程為n=KHS-1以堰頂為原點(diǎn)，各點(diǎn)坐標(biāo)見下表:YX（4 3）式中：

9、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2 10采用。由上游面鉛直即（ y/ x） =3: 0,查得K=,n=。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為 1:, 令dy/dx=1:得切點(diǎn)B的坐標(biāo)為（，）同樣以堰頂為原點(diǎn)，坐標(biāo)軸y軸向下為正向?qū)Ψ匠塘斜碛?jì)算，故 OB段各點(diǎn) 坐標(biāo)見下表：YXYXB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1：0C下部反弧段為使下泄水流平順地與下游水面銜接，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(jì)的任務(wù)是在盡可能短的距離內(nèi)使下瀉水流的動(dòng)能消耗 在水流內(nèi)部的

10、紊動(dòng)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)的 中低水頭壩，而戽流消能適用于尾水較深，無航運(yùn)或排漂要求，下游河床及兩岸 抗沖能力較強(qiáng)情況?？紤]到三峽壩基基巖完整堅(jiān)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(jì)要求是：盡量使水股

11、在空中擴(kuò)散和摻氣的程度大，挑射距離遠(yuǎn)，水舌入水角P小。b、 鼻坎型式的選擇 常用的鼻坎型式有連續(xù)式和差動(dòng)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(yuǎn)；差動(dòng)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(fù)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(jì)手冊可查得以下一組公式：(4 4)本設(shè)計(jì)選用校核洪水位工況作為計(jì)算工況 式中： 校核洪水位時(shí)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(4 5)式中：L水舌距離，m坎頂水面流速，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

12、， m；2g重力加速度，9.8m/s反弧半徑R可按(4-10)h選用，h為校核水位閘門全開時(shí)反弧段最低點(diǎn)處的水深。本設(shè)計(jì)取用 R=6h。將鼻坎處的平均水深代入得：選取壩基高程為5m貝U： h2 H 5溢流壩段的簡化圖如（圖4 - 3）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(diǎn)高程為:鼻坎到上游的距離為:反弧段半徑:貝綜上所述：用Excel進(jìn)行試算，過程見（附表4-1）。本設(shè)計(jì)綜合考慮，表孔和深孔的泄流不發(fā)生沖突，同時(shí)也不與深孔的沖坑相 復(fù)合，以及工程量的實(shí)際施工關(guān)系故而取，0。從而得：為使水流轉(zhuǎn)向平順，本設(shè)計(jì)取。 C點(diǎn)高程為：e、計(jì)算最大沖坑深度沖坑深度取決于水流的沖刷

13、能力和河流的抗沖能力。開始泄流時(shí)，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(dòng)能和沖刷能力減小，直至二者平衡時(shí)，沖坑深度趨于穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)按溢流 壩段右端進(jìn)行計(jì)算。規(guī)范（SDJ22-78）推薦采用以下經(jīng)驗(yàn)公式估算最大沖坑水墊厚度：（4 6）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(jì)洪水位工況下H 上下游水位差，校核洪水工況下：H=97.4m設(shè)計(jì)洪水工況下：H = 175 62 = 113m ;沖坑系數(shù)，對堅(jiān)硬完整的巖石，=，取=。 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(jì)洪

14、水工況下：下游水深： 故河床不形成沖刷坑，滿足條件。導(dǎo)墻設(shè)計(jì)4.3.1 不摻氣水面線的確定a、WE型溢流壩面的與下游直線段的切點(diǎn)坐標(biāo)（X , Y）可按下是求得 （4 7）式中： 有前設(shè)計(jì)得，切點(diǎn)坐標(biāo)為（， ）b、曲線段長度Lc根據(jù)水工設(shè)計(jì)手冊卷六，對于WESS線Lc由X/Hd查算，其中X從堰頂開 始向下游計(jì)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(diǎn)到直線上任意一點(diǎn)（X , Y）的距離(4 8)式中： 直線段壩面與水平方向的夾角，本設(shè)計(jì)為d從堰面頂曲線起點(diǎn)到（X , Y）的壩面距離(4 9)到反弧段起點(diǎn)的距離：e、邊界層厚度（4 10）式中：K 壩面粗糙系數(shù)，對于混凝土

15、壩面，一般取（）伽,本設(shè)計(jì)取伽. 則反弧段起點(diǎn)的邊界層厚度為f 、計(jì)算單寬流量（4 11）式中： H 堰上水頭，本設(shè)計(jì)取校核洪水時(shí)的水頭 H = 22.4m； m 水頭H時(shí)的流量系數(shù)，本設(shè)計(jì)考慮到施工放樣時(shí)誤差和堰面 平整，按水工建筑規(guī)范取 m = ；g 重力加速度。校核洪水位時(shí)的單寬流量：g、試算法推求勢流水深hp 選用公式為：(4 12)用 Excel 試算，過程見附表（ 41）采用校核水深H=a =h、正交與壩面的壩面水深(4 13)4.3.2 摻氣水面線確定a、自然摻氣開始發(fā)生點(diǎn)的位置Lk選用經(jīng)驗(yàn)公式：(4 14)式中： q 單寬流量，本設(shè)計(jì)取校核洪水位工況下b、摻氣水深選用公式：(4