溢洪道設(shè)計與水利計算

1、目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc355194103 1.概述 溢洪道設(shè)計2013年4月概述泄水建筑物足夠大的泄流能力，安全泄洪分類按運用情況：正常溢洪道宣泄設(shè)計洪水非常溢洪道宣泄超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的非常洪水（漫流式、自潰式、爆破引潰式）按其所在位置：河床式溢洪道經(jīng)由壩身溢洪（溢流壩、滑雪道式溢洪道）岸邊溢洪道經(jīng)岸邊泄水建筑物溢洪，按其結(jié)構(gòu)形式可分為：正槽溢洪道泄槽與溢流堰正交，過堰水流與泄槽軸線方向一致。側(cè)槽溢洪道溢流堰大致沿等高線布置，水流從溢流堰泄入與堰軸線大致平行的側(cè)槽后，流向作近90轉(zhuǎn)彎，再經(jīng)泄槽或隧洞流向下游。井式溢洪道洪水流過環(huán)形溢流堰，經(jīng)豎井和隧

2、洞泄入下游。 虹吸溢洪道利用虹吸作用泄水，水流出虹吸管后，經(jīng)泄槽流向下游，可建在岸邊，也可建在壩內(nèi)。虹吸式溢洪道由進(jìn)口遮檐1、虹吸管4、通氣孔2及加速虹吸形成的輔助設(shè)備（挑坎3）、泄槽和下游消能設(shè)備組成，曲管最頂部設(shè)通氣孔，通氣孔的出口在水庫的正常高水位處，當(dāng)水庫的水位超過正常高水位，淹沒了通氣孔，曲管內(nèi)沒有空氣，泄水時有虹吸作用，可增加泄水能力。虹吸式溢洪道示意圖溢洪道設(shè)計總體布置正槽式溢洪道布置包括由進(jìn)水渠、控制段、泄水槽、消能防沖設(shè)施及尾水渠五部分平面布置：確定溢洪道位置及軸線形狀，確定各建筑物平面尺寸及相互銜接方式；立面布置：確定各建筑物的控制高程及縱坡；橫斷面：確定各建筑物橫斷面結(jié)構(gòu)

3、及其尺寸。水力設(shè)計計算根據(jù)建筑物布置和設(shè)計流量進(jìn)行水力要素計算，確定水流邊界的形狀和尺寸，為需要采取的工程措施提供設(shè)計依據(jù)，計算內(nèi)容包括：控制段過流能力計算引渠段、泄槽段水面曲線計算出口消能防沖段及尾水渠水力計算結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)型式選擇和布置荷載計算及其組合穩(wěn)定計算應(yīng)力分析細(xì)部設(shè)計正槽溢洪道水力設(shè)計水面曲線計算水面曲線：某一流量下的過流斷面水位z（或水深h）與斷面間的距離s的關(guān)系曲線；明渠恒定均勻流：定義：流量恒定，流速（大小、方向）沿程不改變的流動；特征：a.水深、斷面平均流速和流速分布等都沿程不變，其流線為一組與渠底線平行的直線，故水面曲線是一平行于渠底的直線；b.水力坡降J與水面坡降Js和底

4、坡i相等，即J=Js=i；水面曲線計算當(dāng)斷面形狀和尺寸和流量已知時，由公式即可計算得到該流量下的正常水深h0；明渠恒定非均勻流：定義：流量恒定，流速（大小、方向）沿程變化的流動；特征：a)水深、斷面平均流速和流速分布等都沿程發(fā)生變化，根據(jù)底坡和水深的變化，共有12條水面曲線；b)水力坡降J與水面坡降Js和底坡i互不相等，即JJsi；水面曲線計算能量方程逐段式算法（分段求和法）水面曲線的定性分析（變坡渠道）第一步：定出各段渠道上的臨界水深線（K-K）線與正常水深線（N-N）線（正坡時）；正常水深：按舍齊公式求得；臨界水深：；式中：B渠道底寬 m渠道邊坡，對于矩形渠道m(xù)=0。第二步：分析變坡渠道上

5、、下游的水流流動情況，定出控制水深；第三步：畫出非均勻漸變流的水面線舉例：計算公式逐段試算法計算簡圖如上圖所示，列1-1和2-2斷面的能量方程式中： 局部阻力損失計算流速；對于漸縮段：對于漸擴段：；局部阻力損失系數(shù)，直線型扭曲面漸縮段=0.2，直線型扭曲面漸擴段=0.3，閘門槽=0.1。當(dāng)?shù)灼耰較大,底坡對水深的影響不能忽略,即h1與h1相差較大時，過流斷面面積的計算水深應(yīng)取垂直于底坡的水深h1值，即：h1=h1cos1上述能量方程經(jīng)整理后可得： 計算方法 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 將已知水深的斷面（控制斷面）定為起始1-1斷面； = 2 * GB3 * MERGEFOR

6、MAT 假設(shè)2-2斷面水深； = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 分別計算v1、v2、A1、A2、R1、R2、; = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 計算兩斷面間的距離； = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 重復(fù)以上步驟直至等于已知的渠長?？刂贫嗡τ嬎阋缌餮咝问竭x擇寬頂堰（2.5/H10）：具有結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，堰矮荷載小，對承載力較差的土基適應(yīng)能力強的特點，故在泄量不大的小型水庫中得到了廣泛應(yīng)用，但流量系數(shù)較低（0.320.385）。實用堰（0.67/H1.3hk(橋下過流斷面臨界水深）時，為淹沒寬頂堰流，反之為自由寬頂堰流。通過橋孔的流量可以采用下列

7、公式計算式中：流量系數(shù)，與進(jìn)口漸變段形式和橋墩形狀有關(guān)； A橋下過流斷面面積，計算時的水深可近似采用下游正常水深代替；Z橋孔上下游水位差；v02/2g橋孔上游行近流速水頭。平底長槽當(dāng)堰頂長度10H時，槽內(nèi)水流為明渠流，不再是堰流。當(dāng)15H10H時，可用下法估算槽內(nèi)單寬流量q：假定一堰前水頭Hi，由已知的n、由下列方程組計算常數(shù)A和B；由B從水力計算手冊圖3 -1-13查得某堰前水頭Hi下的流量模數(shù)Mi并計算單寬流量qi和溢流流量Qi：假定若干Hi即可得到堰前水頭H溢流流量Q關(guān)系曲線。當(dāng)15H時，采用能量方程逐段試算法推算堰上水面曲線，從而得到堰前水頭與溢流流量之間的關(guān)系：假定一流量Qi，由已知

8、的堰寬B計算堰出口斷面的臨界水深hki;由能量方程計算堰進(jìn)口1-1斷面的水深h1：由能量方程計算堰前進(jìn)口2-2斷面與1-1斷面的水位差Z1，并計算堰前水頭Hi：式中：-局部阻力損失系數(shù)，扭曲面或圓弧直墻取=0.2，八字形直墻取=0.3； -漸變段平均水力坡降計算堰前水頭Hi：按上述步驟計算得到若干溢流流量Qi及相應(yīng)堰前水頭Hi，即得到堰前水頭H溢流流量Q關(guān)系曲線。緩坡長槽（1）當(dāng)15H10H時，用下法估算槽內(nèi)單寬流量q：假定一堰前水頭Hi，由已知的n、由下列方程組計算常數(shù)A和B；由B從水力計算手冊圖3 -1-13查得某堰前水頭Hi下的流量模數(shù)Mi并計算單寬流量qi和溢流流量Qi：qi=MiH3

9、/2假定若干Hi重復(fù)以上步驟計算得到若干堰前水頭Hi及相應(yīng)溢流流量Qi，即可得到堰前水頭H溢流流量Q關(guān)系曲線。（2）當(dāng)15H時，按明渠均勻流計算：假定一正常水深h0i，由明渠均勻流公式計算相應(yīng)的流量Qi；用能量方程計算堰前進(jìn)口漸變段水位降落Z1i計算堰前水頭Hi：Hi=h0i+Z1i假定若干h0i重復(fù)以上步驟計算得到若干堰前水頭Hi及相應(yīng)溢流流量Qi，即可得到堰前水頭H溢流流量Q關(guān)系曲線。引水渠水力計算受地形、地質(zhì)條件限制，當(dāng)溢流堰不能緊靠庫水布置時，需在溢流堰前布設(shè)引水渠將庫水平順地引向溢流堰；當(dāng)溢流堰緊靠庫水布置時，在溢流堰前布設(shè)漸變段即可。要求：應(yīng)將水平順引至堰前，在引水過程中，盡量減小

10、水頭損失，即在合理的開挖條件下，減小水流流速。平面布置引渠進(jìn)口水面開闊，進(jìn)水不受阻礙。將水平順引至堰前，在引水過程中，盡量減小水頭損失，水頭損失不超過0.8m。長度盡量短，渠線盡可能順直，不得已轉(zhuǎn)彎時，彎道半徑不小于46倍渠底寬，且堰前應(yīng)有一長（34）H的直線段過渡，以保證正向進(jìn)水。堰前進(jìn)口為喇叭形。橫斷面斷面足夠大，以減小流速，減小水頭損失，即在合理的開挖條件下，盡量減小渠中流速（一般不大于4m/s）。斷面形狀一般為梯形或接近梯形的矩形，在控制段前過渡成矩形斷面。應(yīng)注意邊坡穩(wěn)定，做好襯砌，減小糙率?？v斷面底坡采用逆坡或平坡（i0），渠底高程要低于或等于堰頂高程。如采用i 0必須保證引渠最高點

11、低于堰頂。引水渠水面曲線計算計算目的求得引渠進(jìn)出口斷面的水面落差，建立庫水位泄流量關(guān)系曲線。計算方法引渠段水力計算簡圖計算引渠進(jìn)口3-3斷面至漸變段進(jìn)口2-2斷面水面降落Z2計算庫水位：假定若干個泄流量Qi，由上述寬頂堰流量計算方法計算得到相應(yīng)庫水位，即可得到庫水位泄流流量關(guān)系曲線。用此關(guān)系曲線重新進(jìn)行水庫調(diào)洪演算，以復(fù)核設(shè)計洪水位、校核洪水位及相應(yīng)的泄流量。水庫水位簡易計算方法當(dāng)進(jìn)水渠流速v0.5m/s時，進(jìn)水渠水頭損失很小，可忽略不計，則：水庫水位=堰頂高程+H +v02/2g;當(dāng)渠中流速v=0.53.0m/s，并且進(jìn)水渠沿程斷面、糙率不變、平面布置比較順直時，引水渠水頭損失所占比重也很小

12、，這時可按明渠均勻流公式近似計算引水渠水頭損失Z2，計算誤差不大，且偏于安全：水庫水位=堰頂高程+H +v12/2g +Z2。泄槽水力計算泄槽的水力特征泄槽的底坡常大于水流的臨界坡，所以又稱陡槽；槽內(nèi)水流處于急流狀態(tài)；由急流產(chǎn)生的高速水流對邊界條件的變化非常敏感。邊墻有轉(zhuǎn)折時會產(chǎn)生沖擊波，并可能向下游移動；如槽壁不平整時，極易產(chǎn)生摻氣、空蝕等問題。泄槽段布置（1）平面布置泄槽在平面上宜盡可能采用直線、等寬、對稱布置水流平順、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便；當(dāng)泄槽的長度較大，地形、地質(zhì)條件不允許做成直線，或為了減少開挖和襯砌工程量、便于洪水歸河和有利于消能等原因，常設(shè)置直線收縮段、擴散段或彎道段。直線收縮段

13、的收縮角（泄槽中心線與邊墻的夾角）越小，沖擊波也越小。收縮角過大，會使段內(nèi)水流的Fr1，有水躍發(fā)生，且水躍可能向上游推移，影響堰的泄流能力。為盡量減小沖擊波的影響，一般取收縮角11.25；若受當(dāng)?shù)貤l件的限制，必須取較大的收縮角時，應(yīng)按照DL/T5166-2002溢洪道設(shè)計規(guī)范附錄A.3.3的方法進(jìn)行沖擊波計算。泄槽在平面上需要設(shè)置彎道時,彎道段宜設(shè)置在流速小、水流比較平穩(wěn)、底坡較緩且無變化部位。宜選用較大的轉(zhuǎn)彎半徑及合適的圓心角，相對半徑常取R10b（Rc為軸線轉(zhuǎn)彎半徑，b為泄槽底寬），如下圖所示。擴散段的擴散角應(yīng)保證水流擴散時不脫壁，避免產(chǎn)生豎軸漩渦。一般按直線擴散的擴散全角68。（2）泄槽

14、的橫剖面泄槽橫剖面形狀在巖基上多做成矩形或近似于矩形，以使水流均勻分布和有利于下游消能，邊坡坡比大約為1:0.11:0.3；在土基上則采用梯形，但邊坡不宜太緩，以防止水流外溢和影響流態(tài)，大約為1:11:2。泄槽邊墻頂高程，應(yīng)根據(jù)波動和摻氣后的水面線，加上0.51.5m的超高來確定。在彎道段常采用適當(dāng)?shù)臋M向底坡，以減小離心力作用和沖擊波干擾的影響。 （3）泄槽的縱剖面泄槽的縱剖面應(yīng)盡量按地形、地質(zhì)以及工程量少、結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定、水流流態(tài)良好的原則進(jìn)行布置。泄槽縱坡應(yīng)大于水流臨界坡度，槽中的水位不影響溢流堰自由泄流。常用的縱坡為15，有時可達(dá)1015，堅硬的巖石上可以更大，實踐中有用到11的。（4）泄

15、槽水面曲線計算不摻氣水面線計算對于底坡較平緩（i1/3）且較長的泄槽段，按前述的水面曲線計算方法將泄槽分為收縮過渡段、矩（梯）形槽段和出口擴散段等三段，以堰出口水深作為控制水深逐段推算槽內(nèi)各斷面水深。對于底坡較陡且短的泄槽段，槽中水流的水力損失可以忽略，其水面線可視為直線，其始端為臨界水深，末端水深h1按一般泄流情況計算收縮水深hc的公式計算：式中：E0以下游河床為基準(zhǔn)面的堰前上游總水頭；q收縮斷面處的單寬流量；流速系數(shù)，對折線型實用堰及寬頂堰溢流，=0.80.9；泄槽底板與水平面的夾角。摻氣水深計算當(dāng)泄槽中下泄水流的流速超過78m/s時，空氣就會從自由表面進(jìn)入水體，產(chǎn)生摻氣現(xiàn)象。水流摻氣后水

16、體膨脹，水深增加。沿陡坡水流摻氣起點的位置和摻氣水深的計算尚無理論公式，SL253-2000溢洪道設(shè)計規(guī)范規(guī)定，摻氣水深hb可按下式計算：式中：h、hb計算斷面的水深及摻氣后的水深；v不摻氣情況下計算斷面的流速；修正系數(shù)，一般取1.01.4，視流速和斷面收縮（擴散）情況而定，流速大者取大值，斷面變化大者取大值。摻氣起點位置L可按下式計算：L=（1015）q2/3式中，L堰頂出口至摻氣起點的沿程距離；q通過泄槽的單寬流量。沖擊波計算在急流中，由于邊墻改變方向使水流受到擾動，就會產(chǎn)生沖擊波。沖擊波的產(chǎn)生使水流沿橫斷面分布不均，造成水深增加，并給正常泄流和出口消能帶來不利的影響。實際工程中，設(shè)有收縮

17、段、彎曲段和擴散段的泄槽，設(shè)計中應(yīng)力求將沖擊波的影響降低到最小。收縮段沖擊波對水流干擾影響的大小決定于側(cè)墻偏轉(zhuǎn)角的大小，增大，沖擊波的最大波高也增大；側(cè)墻偏轉(zhuǎn)角(68),水流流態(tài)較好，可不進(jìn)行沖擊波驗算；沖擊波計算方法可參考林繼鏞主編的水工建筑物（第五版）第7章岸邊溢洪道。擴散段擴散段沖擊波的研究目前還不成熟，大中型水利工程主要是通過模型試驗來確定適合的擴散角和邊墻形狀；工程經(jīng)驗和試驗資料標(biāo)明，按直線擴散的擴散角(68)具有較好的水流流態(tài)。彎曲段由于離心力和沖擊波共同作用下彎曲段產(chǎn)生的橫向水面高差按下式計算 式中：Z橫向水面高差，即彎道凹岸與凸岸水位差；K與舍齊系數(shù)有關(guān)的系數(shù)，對矩形和梯形明槽

18、的簡單圓曲線式彎道可取K=1；計算斷面平均流速；B計算斷面水面寬度在水平方向的投影；rc彎道中心軸線對應(yīng)的半徑，rc10B。消能段水力計算消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)永久性消能防沖建筑物級別12345洪水重現(xiàn)期（年）10050302010消能方式底流消能利用水躍旋滾區(qū)中水流的激烈紊動進(jìn)行消能特點：流態(tài)穩(wěn)定、消能效果好；對地質(zhì)條件和尾水變幅適應(yīng)性強；水流霧化很小護(hù)坦較長，開挖及襯砌工程量較大，工程造價較高。適用于各種水頭和流量的各類泄水建筑物。挑流消能利用挑流水舌在空中的水流擴散、水滴與空氣的摩擦和落入水中的水滾進(jìn)行消能特點：可有效控制下游沖刷坑的位置、沖刷范圍及流量分布；對尾水變幅適應(yīng)性強；對地質(zhì)條

19、件要求較高，下游沖刷較嚴(yán)重，水流霧化大；結(jié)構(gòu)簡單，施工、維修方便，工程量較小。適用于基巖較堅固的中高水頭各類泄水建筑物。面流消能利用高速水流射入下游水體表層形成的表面旋滾，同時在坎后的主流區(qū)下部形成激烈的旋滾，以消耗下泄水流的能量。特點：水流現(xiàn)象復(fù)雜多變，受單寬流量、坎高和下游淹深等因素的影響較大；對尾水變幅適應(yīng)性差，下游水深必須大于發(fā)生淹沒底流水深的最大水深，并小于發(fā)生回復(fù)底流的最小水深；面流的水力計算理論不成熟，還停留在經(jīng)驗階段；適用于下游水深較穩(wěn)定、上下游落差較小不能形成挑流和采用底流消能造價過高的泄水建筑物。消力戽消能底流和面流結(jié)合的消能方式特點：挑流鼻坎潛沒在水下，形不成自由水舌，消

20、能過程主要在戽斗面和下游水流表層完成；高速水流在表面，減輕了對河床的沖刷，不需做護(hù)坦。消能距離較長，需設(shè)置較長的護(hù)岸，適用于尾水較深（大于躍后水深）且水位變幅較小的泄水建筑物。底流消能水力計算判斷下游水面銜接形式收縮斷面水深（躍前控制水深）hc計算列0-0和c-c斷面能量方程令流速系數(shù)； 則 計算自由水躍共軛水深（躍后水深）及水躍長度L矩形斷面共軛水深及水躍長度L按溢洪道設(shè)計規(guī)范SL253-2000規(guī)定的公式計算：下游水面銜接形式判別若下游水深ht臨界水躍，不需建消能設(shè)施，只需在水躍長度范圍內(nèi)修建護(hù)坦ht遠(yuǎn)離水躍，必需設(shè)置消力池（坎）ht淹沒水躍，采用消力戽或修建傾斜護(hù)坦。消力池設(shè)計等寬矩形斷

21、面下挖式消力池池深d和池長Lk按下列公式計算： ， 可取水躍淹沒系數(shù)=1.05 ， 可取消力池出口段流速系數(shù)=0.95 確定池深d的步驟：根據(jù)設(shè)計流量Q設(shè)，初估一個初始值d1；計算計算hc和 計算計算d2比較d1和d2，若二者相差較大時，重新假設(shè)d進(jìn)行試算，重復(fù)步驟25，直到滿足要求。消力池池深的簡易算法計算池深d=0時的收縮斷面水深hc0和躍后水深；估算池深，取；計算池深為d0時的hc和hc”； 檢驗淹沒系數(shù)；若計算得到的滿足1.01.1，則估算的池深正確；否則重新假設(shè)0并估算d0后，重復(fù)計算淹沒系數(shù)直至滿足要求為止。在護(hù)坦末端設(shè)置消能坎所形成的消力池（1）坎高c設(shè)計1) 滿足的條件:消能要

22、求: hT= hc”幾何要求: hT=c+H1，H1坎上水深2）坎上水深H1計算將消力坎當(dāng)作折線形堰，用淹沒出流公式由設(shè)計流量求堰前水頭H01：故有：3）坎高計算：（2）消能池長Lk計算Lk（0.70.8）L消能池設(shè)計流量的確定：1）池深設(shè)計流量的確定： 使差值達(dá)最大的流量為消力池的設(shè)計流量Q設(shè)。2）池長設(shè)計流量的確定：計算池長的設(shè)計流量為對應(yīng)于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的最大流量Qmax。綜合消力池先確定坎高后確定池深的計算方法第一步：確定坎高c假定坎后形成臨界水躍（即hc1”=ht），由此計算該臨界水躍的躍前水深hc1:由收縮斷面水深計算公式計算坎前總能頭E10：，由堰流公式計算堰前水深H10：，確定坎高c： c=E10-H10第二步：計算池深d假定池內(nèi)形成稍有淹沒的水躍，用試算法聯(lián)解下列方程即可求得池深d：，取，E0以池底為基準(zhǔn)的泄水建筑物上游總水頭。挑流消能水力計算挑流射程的計算挑流水舌外緣挑距L按下式計算：