溢流堰設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)業(yè)界材料

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(mǎn)足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求外，還要滿(mǎn)足因泄水帶來(lái)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(guò)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(mén)啟閉機(jī)等4.1 確定溢流斷面長(zhǎng)度4.1.1 設(shè)計(jì)單寬流量溢流重力壩的單寬流量q需綜合考慮地質(zhì)條

2、件、樞紐布置、下游河道水深和消能工設(shè)計(jì)等因素，通過(guò)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(duì)樞紐布置有利，但下泄水流動(dòng)能大，對(duì)下游消能防沖不利，。近年來(lái)隨著消能工技術(shù)的進(jìn)步，選定的單寬流量也不斷增大。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q=200m3/s，據(jù)此可假定溢流壩段長(zhǎng)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(zhǎng)度為176.3m本設(shè)計(jì)選用平面鋼閘門(mén)形式，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且閘墩受力條件良好。取孔口凈寬為b = 8 米。a、計(jì)算孔口數(shù)：（1） 設(shè)

3、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 = 22×8×200 = 35300 m3/s，滿(mǎn)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(mén)布置：溢流壩段表孔采用平面鋼閘門(mén)，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(zhǎng)度，但對(duì)地基要求較嚴(yán)格，若產(chǎn)生地基不均勻沉降則對(duì)閘門(mén)啟閉運(yùn)行極為不利，而跨墩布置可以適當(dāng)放松對(duì)地基的要求，然而卻增加了閘門(mén)的長(zhǎng)度，使整個(gè)溢流壩段長(zhǎng)度增大，對(duì)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)考慮論證后選取閘墩厚度為13m，則每段壩長(zhǎng)為13+8=21m。c

4、、溢流壩段前緣總長(zhǎng)：溢流壩頂裝設(shè)閘門(mén)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d。閘門(mén)段長(zhǎng)l = 22×8+(221)×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(zhǎng)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(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 表孔下泄洪水的流量，有設(shè)計(jì)資料q溢23540m3/s；n 孔口數(shù)，22； b 表

5、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0.9-0.95， 本計(jì)設(shè)計(jì)取0.92； 淹沒(méi)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(shí)根據(jù)水工建筑物經(jīng)驗(yàn)可預(yù)定p1/hd 3.0，可以不計(jì)行近流速，取m = 0.502。h0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：堰頂高程設(shè)計(jì)水位堰頂水頭 17516.47 =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(mǎn)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(mén)，閘門(mén)寬8米，堰頂高程為158米。4.

6、2 溢流面曲線設(shè)計(jì)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：有較高的流量系數(shù)；水流平順，不產(chǎn)生有害的負(fù)壓和空蝕破壞；體形簡(jiǎn)單，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(mǎn)足下列要求：遇校核水位閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，堰頂附近出現(xiàn)的負(fù)壓不得超過(guò)36m水柱；遇常遇洪水位(等于或低于20年一遇的洪水)閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，壩頂附近不得出現(xiàn)負(fù)壓。hzmax校核洪水位堰頂高程 180.4-158 = 22.4m 當(dāng)實(shí)際來(lái)水的堰頂水頭hz高出hs時(shí)，堰頂附近將出現(xiàn)負(fù)壓，hz超出hs愈大，

7、負(fù)壓值愈大，顯然，遇到校核洪水位，即hz=hzmax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(jiàn)下表：hs/hzmax0.750.7750.8008250.850.8750.900.951.0hs16.8017.3617.9218.8419.0419.6020.1621.2822.4最大負(fù)壓值0.5hz0.45hz0.4hz0.35hz0.3hz0.25hz0.20hz0.10hz0.0hz 當(dāng)實(shí)際來(lái)水的作用水頭低于定型設(shè)計(jì)水頭hs時(shí)，堰體對(duì)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(guò)大，不能超過(guò)規(guī)范規(guī)定的3

8、6米水柱，本設(shè)計(jì)取用hs=0.9hzmax,即最大負(fù)壓值為 hs90%hzmax=90%×22.4=20.16m 4.2.2 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)生有害的負(fù)壓和空蝕破壞；體形簡(jiǎn)單，造價(jià)低，施工方便。如圖圖 a、頂部曲線段開(kāi)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ao和下游段ob。 圖4·a、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)，宜用1/4橢圓曲線，其方程為 （4

9、3;2） 式中：ahs、bhs橢圓的長(zhǎng)、短半軸，因上游壩面鉛直，可取a=0.28-0.30,a/b=0.87+3a,本設(shè)計(jì)取a=0.29、b=0.17，即： ahs=0.29×20.16 = 5.85mbhs=0.17×20.16 = 3.43m方程簡(jiǎn)化為： 以堰頂為原點(diǎn)，各點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)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 (4·3) 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

10、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為1：0.7，令dy/dx=1:0.7得切點(diǎn)b的坐標(biāo)為（33.617，25.959）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(jiàn)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

11、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(lái)，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(méi)有排冰或過(guò)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

12、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(wú)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(guò)比較選用挑流消能。挑流消能的設(shè)計(jì)要求是：盡量使水股在空中擴(kuò)散和摻氣的程度大，挑射距離遠(yuǎn)，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(dòng)式兩種。連續(xù)式鼻坎構(gòu)造簡(jiǎn)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(cè)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

13、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 圖4·2 （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，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(mén)全開(kāi)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，則： 溢流壩段的簡(jiǎn)化圖如（圖4·3）圖. 由上圖根據(jù)幾何知識(shí)得： 根據(jù)三角形基本剖面知：，得º 則得：， c點(diǎn)高程為： 鼻坎到

14、上游的距離為： 反弧段半徑： 則： 綜上所述：用excel進(jìn)行試算，過(guò)程見(jiàn)（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，º。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能力和河流的抗沖能力。開(kāi)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·

15、;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=180.4-83=97.4m； 設(shè)計(jì)洪水工況下：h = 17562 = 113m； 沖坑系數(shù)，對(duì)堅(jiān)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(mǎn)足條件。 設(shè)計(jì)洪水工況下： 下游水深：>故河床不形成沖刷坑，滿(mǎn)足條件。4.3 導(dǎo)墻設(shè)計(jì)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(diǎn)坐標(biāo)（xt，yt）可按下是求得 （4·7） 式中：有前設(shè)計(jì)得，

16、切點(diǎn)坐標(biāo)為（33.617，25.959）b、曲線段長(zhǎng)度lc根據(jù)水工設(shè)計(jì)手冊(cè)卷六，對(duì)于wes曲線lc由x/hd查算，其中x從堰頂開(kāi)始向下游計(jì)算。 查表得： 則：上游堰面長(zhǎng)度為下游堰面長(zhǎng)度為 c、直線段長(zhǎng)度從切點(diǎn)到直線上任意一點(diǎn)（xi，yi）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55.0080d、從堰面頂曲線起點(diǎn)到（xi，yi）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(duì)于混凝土壩面，一般取（0.4270.61）,本設(shè)計(jì)取0.5.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 = 0.49 ； 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(shì)流水深hp選用公式為： （4·12）用excel試算，過(guò)程見(jiàn)附表（41）采用校核水深h=22.4，=55.0050h、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(kāi)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