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1、3 河岸溢洪道水力計(jì)算實(shí)例河岸溢洪道水力計(jì)算實(shí)例 一、資料及任務(wù) 某水庫的帶胸墻的寬頂堰式河岸溢洪 道，用弧形閘門控制泄流量，如圖17.7所 示，溢洪道共三孔，每孔凈寬10米。閘墩 墩頭為尖圓形，墩厚2米，翼墻為八字形. 閘底板高程為33.00米。 胸墻底部為圓弧 形，圓弧半徑為0.53米，墻底高程為38.0 米。閘門圓弧半徑為7.5米，門軸高程為 38.00米。 閘后接第一斜坡段，底坡i1=0.01，長度為 100米。 第一斜坡段后接第二斜坡段，底坡i2=1/6， 水平長度為60米。 第二斜坡段末端設(shè)連續(xù)式挑流坎，挑射角。 上述兩斜坡段的斷面均為具有鉛直邊墻，底 寬的矩形斷面。其余尺寸見圖7

2、。溢洪道用 混凝土澆筑，糙率n=0.014 。 溢洪道地基為巖石，在閘底板前端設(shè)帷幕灌 漿以防滲。 水庫設(shè)計(jì)洪水位為42.07米，校核洪水位為42.40米， 溢洪道下游水位與流量關(guān)系曲線見圖17.8。當(dāng)溢洪道 閘門全開，要求： 1.繪制庫水位與溢洪道流量關(guān)系曲線； 2.繪制庫水位為設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的溢洪道水面曲線； 3.計(jì)算溢洪道下游最大沖刷坑深度及相應(yīng)的挑距。 020040060080010001200 16.0 18.0 20.0 22.0 溢洪道流量Q(米3/秒) 下游水位(米) 圖 17.8 圖圖17.7 防 滲 帷 幕 灌 漿 設(shè) 計(jì) 洪 水 位442.07 胸 墻 弧 形 閘 門 閘

3、底 板 第 一 斜 坡 段 第 二 斜 坡 段 R=90 14.0 22.0 18.0 25.0 32.0 33.0 40.5 38.0 45.0 42.5 32.5 19.6 38.0 R=70 單 位 ： 米 二、繪制庫水位與溢洪道流量關(guān)系曲線 （一）確定堰流和孔流的分界水位 寬頂堰上堰流和孔流的界限為：0.65 e H 閘門全開時(shí)，閘孔高度：38.033.05.0e 米 則堰流和孔流分界時(shí)的相應(yīng)水頭為： 5.0 7.7 0.650.65 e H 米 所以，堰流和孔流的分界水位38.07.740.7米 即：庫水位在40.7米以下按堰流計(jì)算；庫水位在 40.7米以上按孔流計(jì)算。 （二）堰流流

4、量計(jì)算 因閘后為陡坡段，下游水位較低，不致影響堰 的過水能力，其流量可按寬頂堰自由出流流量公式 （9.1）計(jì)算： 3 2 0 2QmBgH 式中溢流寬度3 1030Bnb 米 因溢洪道上游為水庫， ，則 0 0v 0 HH 溢洪道進(jìn)口為上游面傾斜的寬頂堰，上游堰高 33.032.50.5a 米 斜面坡度為1：5，則 （為斜面與水平面的夾角）5ctg 寬頂堰流量系數(shù)m可按 及由表9.4查得 側(cè)收縮系數(shù)按式（9.12）計(jì)算： nb H n k 0 0 12 . 01 其中孔數(shù)n=3 ；對尖圓形閘墩墩頭， 0 0.25； 對八字形翼墻，0.7 k 設(shè)一系列庫水位，計(jì)算相應(yīng)的H,m ,和 Q,計(jì)算 成

5、果列于表8。 a H 表表8 35.02.02.832.50.3820.984142 37.04.08.001.250.3830.965394 39.06.014.700.830.3830.952713 40.77.721.360.650.3840.9381024 米庫水位 米H 23 H H e m秒米流量 3 Q eHgeBQ 0 2 （三）孔流流量計(jì)算 因胸墻底緣為圓弧形，閘孔流量可按具 有圓弧底緣的平面閘門下自由孔流流量公式 計(jì)算： 已知 ； ；米0 . 5e米30BHH 0 自由孔流流量系數(shù) ， 由表9.14取 閘孔流速系數(shù) ，垂向收縮系數(shù) 按 式計(jì)算： 95. 0 e r k 16

6、 718. 2 4 . 0 2 11 1 H e k 其中系數(shù) 而門底（即胸墻底）圓弧半徑米53. 0r 106. 0 0 . 5 53. 0 e r 則: 073. 0 718. 2 4 . 0 718. 2 4 . 0 7 . 1106. 016 k 設(shè)一系列庫水位，計(jì)算一系列相應(yīng)的H,， 及Q,計(jì)算成果列于表17.9. 表表17.9 米庫水位 米H H e 秒米3Q 備 注 40.707.700.6500.8300.788988 41.508.500.5880.8210.7801086 42.079.070.5510.8150.7741150 為設(shè)計(jì)洪 水位 42.409.400.532

7、0.8130.7721186 為校核洪 水位 溢 洪 道 流 量 Q(米 3/秒 ) 庫水位（米） 堰 流 曲 線 孔 流 曲 線 圖 17.9 按表17.8及表17.9的數(shù)據(jù)繪制庫水位與溢洪道流量關(guān) 系曲線于圖17.9. 三、繪制庫水位為設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的溢洪道水面曲線 水庫設(shè)計(jì)洪水位為42.07，由表17.9知相應(yīng)閘上水 頭為9.07米及相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為1150米3/秒。 溢洪道水面曲線： 閘門后水平段第一斜坡段第二斜坡段 現(xiàn)分別計(jì)算各段的水面曲線 十二條水面曲線 十二條水面曲線 十二條水面曲線 十二條水面曲線 十二條水面曲線 水面曲線 計(jì)算方法 分段求和法 水力指數(shù)法 數(shù)值積分法 （一）閘門后

8、水平段 1、判斷水面曲線形式 由圖17.7知閘門后水平段長度為14.1米。 當(dāng)庫水位為設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，由表17.9知垂向收縮 系數(shù) =0.815 故閘門后收縮斷面水深米08. 40 . 5815. 0 ehc 秒米23 .38 30 1150 B Q q 米48. 5 8 . 9 3 .381 . 1 3 2 3 2 g aq hk 閘孔單寬流量 臨界水深 因 ，閘后水平段水面曲線為 型壅水曲線。 ck hh 0 c （一）閘門后水平段 收縮斷面至閘門的水平距離約為米5 .120 . 55 . 25 . 2e c h 秒米3 0 11500 01. 0 1150 i Q K 已接近水平段末端，

9、曲線長僅1.6米 ，不必計(jì)算。 參照 值，取水平段末端水深為4.1米。 （二）第一斜坡段 1.判別底坡類型底坡的類型：正坡（i0） 平坡（i=0） 負(fù)坡（i0） 正坡的類型：陡坡（iik）-h0hk，N-N在K-K線之下 臨界坡（i=ik）- h0=hk，N-N與K-K線重合 緩坡（iik）- h0hk，N-N在K-K線之上 先求正常水深 h0 :底坡i1=0.01 ，底寬B1=34米 ，矩形斷 面邊坡系數(shù)m=0，糙率n=0.014，均勻流流量模數(shù) 7 .76 11500014. 0 34 67. 2 0 67. 2 1 nK B 由附錄圖解查得 ，則0785. 0 1 0 B h H0=0.

10、0785B=0.078534=2.67(米) 再求臨界水深hk : 秒米 2 1 8 .33 34 1150 B Q q 求得hk=5.04(米) 。 因h0hk ，故底坡為陡坡（iik）。 2.用水力指數(shù)法計(jì)算水面曲線 因第一斜坡段控制斷面水深(即閘后水平段 末端水深)，則米1 . 4 1 h 米38.3 2 1.467.2 2 10 hh h 2 1 1153438.3米Bh 米76.4038. 32342 1 hB 米82.2 76.40 115 R 秒米 5 . 06161 0 .8582. 2 014. 0 11 R n C 秒米31640082. 211585RCK 水力指數(shù) 67

11、. 2lg38. 3lg 11500lg16400lg 2 lglg lglg 2 0 0 hh KK x 0 . 301. 3 15. 6 76.408 . 9 348501. 01 22 g BCai i 15. 51i 267 01.0 67.2 0 i h 水面曲線按下式計(jì)算： 1212 0 1i i h l 15. 5267 式中 ； 按 及 值由附錄表 查得。設(shè)一系列 h值，計(jì)算相應(yīng)的 及 值。 0 h h x l l 計(jì)算成果列于表17.10.第一斜坡段長100米， 用內(nèi)插法求得其末端水深為3.85米。 如：h1=4.1m, h2=4.0m 1=h1/h0=4.1/2.67=1.

12、536 2=h2/h0=4.0/2.67=1.498 (1)=0.240 (2)=0.255 =1.498-1.536=-0.038 ()=0.255-0.240=0.015 5.15()=5.150.015=0.0773 +5.15()=-0.038+0.0773=0.0393 l=267+5.15()=2670.0393=10.49(m) 表表17.10 米 1 h 米 2 h 1 2 1 2 15. 5 15. 5 米l 米 l 4.104.003.903.80 4.003.903.803.70 1.5361.5001.4611.425 1.5001.4611.4251.386 0.24

13、00.2550.2720.290 0.2550.2720.2900.313 -0.036-0.075-0.111-0.150 0.0140.0310.0490.072 0.07210.15970.25200.3710 0.03610.08470.14100.2210 9.6022.637.659.0 9.6032.269.8128.8 （三）第二斜坡段 因底坡i2=1/6，i2i1， 故第二斜坡段為陡坡。 第二斜坡段水平長度為60米，始末高程差 = 32-22=10（米），則第二斜坡段長度= （602+102）1/2=60.8(米) 以第一斜坡段末端水深h=3.85m作為第二斜坡段 的控制斷面

14、水深，用水力指數(shù)法計(jì)算該段的水面 曲線。省略計(jì)算過程，其計(jì)算成果列于表17.11. 用內(nèi)插法求得第二斜坡段末端水深為1.98米。 表表17.11 米 1 h 米 2 h 米l 米 l 3.853.403.002.602.202.00 3.403.002.602.202.001.90 4.105.0012.420.316.212.1 4.109.1021.541.858.070.1 根據(jù)表17.10和17.11的水面曲線計(jì) 算成果即可確定溢洪道邊墻高度。由于 第二斜坡段上水流流速較大，水中可能 摻氣，在確定邊墻高度時(shí)應(yīng)考慮由于摻 氣增加的水深，一般可增加純水水深的 20%。 四、計(jì)算溢洪道下游最

15、大沖刷坑深度及 相應(yīng)挑距，并核算沖坑對建筑物安全的 影響 （一）計(jì)算最大沖刷坑深度T 1、先計(jì)算沖刷坑最低高程 沖坑高程=下游水位-沖坑水深tp 而tp可按下式計(jì)算： 25. 05 . 0 25. 1Zqt p 式中 q為單寬流量； Z為上下游水位差，可根據(jù)流量分 別由圖17.9及圖17.8查得。 設(shè)一系列流量值，求出一系列相應(yīng) 的沖刷坑高程，繪制沖刷坑高程與流 量關(guān)系曲線，即可找出沖刷坑最低高 程及相應(yīng)流量。計(jì)算成果列于表17.12. 按表17.12的數(shù)據(jù)繪制沖刷坑高程與流 量關(guān)系曲線于圖17.10.由圖查得沖刷 坑最低高程為6.3米，相應(yīng)的流量 為 .秒米 3 940 表表17.12 秒米

16、3 Q 秒米2 q 5.0 q 米 庫水位 米 下游水位 米 Z 25. 0 Z 米 p t 米 沖坑高程 115033.85.6142.0722.020.072.1215.406.60 100029.45.4240.5520.719.852.1114.326.38 90026.55.1540.0320.020.032.11513.626.38 80023.54.8539.5019.520.002.11512.836.67 70020.64.5438.9319.019.932.1111.987.02 50014.73.8337.7018.019.702.10510.087.92 3008.82

17、.9736.3616.919.462.107.809.10 流量(米3/秒) 沖坑高程（米） 圖 17.10 940 6.3 由圖17.7知挑流坎末端地面高程為18.0米， 則沖刷坑最大深度為： T=地面高程-沖坑最低高程 =18.0-6.3=11.7米 （二）計(jì)算最大沖刷坑深度的相應(yīng)挑距L2 挑流坎末端至沖坑最低點(diǎn)的水平距離=L1+l 1、計(jì)算L1 22 2 1 sin 2 11 sincos v sZg g v L 已知挑射角=25； 相應(yīng)于最大沖刷坑深度的流量Q=940m3/s ； 相應(yīng)于此流量的庫水位和下游水位分別由圖17.9 和17.8查得為40.25米和20.35米； 則上下游水位差Z=40.25-20.35=19.90(m); 庫水位與挑流坎坎頂高差s=40.25-22=18.25(m)； 由表10.1近似地選取自由孔流的溢洪道流速系數(shù) =0.85(因溢洪道較長，故選較小的值），則挑 流坎末端流速 P370 秒米1 .1625.188 . 9285. 02gsv 將以上諸值代入L1 的公式得: 8 . 9 25sin25cos1 .16 2 1 L 25sin1 .16 25.189 .198 . 92 11 22 8 . 9 422. 0906.