附录一泄水建筑物水力设计计算公式.doc

附录一 泄水建筑物水力设计计算公式

一、堰面曲线
1.开敞式溢流孔的堰面曲线。采用幂曲线时按下式和附表1计算。
(附1)
式中 Hs为定型设计水头，按堰顶最大作用水头Hzmax的75%～95%计算(m)，其它符号见附图1，数值见附表1。

附表1
上游坝面坡度
k
n
垂直(3∶0)
2.000
1.850
3∶1
1.936
1.836

原点上游宜用椭圆曲线，其方程式为

式中 aHs和bHs分别为椭圆曲线的长轴和短轴。
若上游面垂直，其长轴aHs和短轴bHs可按以下关系选定：

附图1
采用倒悬堰顶时(如附图1)，应满足。
定型设计水头选择及堰顶也许出现的最大负压值参照附表2。
定型设计水头Hs情况下的流量系数m和其他作用水头Hz情况下的流量系数mz的比值参照附表3。
2.设有胸墙的堰面曲线。当校核情况下最大作用水头Hzmax (孔口中心线上)与孔口高(D)的比值时；或闸门全开时仍属孔口泄流，即可按下式计算：
(附2)
式中 Hs——定型设计水头，一般取孔口中心线至水库校核洪水位的水头的75%～95%；
j——孔口收缩断面上的流速系数，一般取j=0.96；若孔前设有检修闸门槽时取j=0.95。
其余符号参照附图2。

附图2
原点上游可用单圆，复式圆或椭圆曲线，与胸墙底缘通盘考虑。
若时，应通过实验决定。
附表2
Hs/Hzmax
0.75
0.775
0.80
0.825
最大负压值(m)
0.5Hs
0.45Hs
0.4Hs
0.35Hs
Hs/ Hzmax
0.85
0.875
0.90
0.95
1.0
最大负压值(m)
0.3Hs
0.25Hs
0.2Hs
0.1Hs
0.0Hs

附表3
Hz/Hs
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
mz/m
0.85
0.90
0.95
0.975
1.0
1.025
1.07

二、泄水建筑物泄水能力计算公式
1.开敞式溢流孔的泄水能力可按下式计算：
(附3)
式中 Q——流量，m3/s；
B——溢流堰净宽，m；
Hz——堰顶作用水头，m；
g——重力加速度，m/s2；
mz——流量系数，初设时在定型设计水头作用的情况下，当(P为堰高，m)时，取mz=m=0.47～0.49；当时，取m=0.44～0.47；
——侧收缩系数，根据闸墩厚度及墩头形状而定，初设时可取=0.90～0.95；
——淹没系数，视泄流的淹没限度而定，不淹没时=1。
2.孔口泄流按下式计算：
(附4)
式中 Ak——出口处的面积，m2；
Hz——自由泄流时为孔口中心处的作用水头，m；淹没泄流时为上下游水位差；
m——孔口或管道的流量系数，初设时对设有胸墙的堰顶高孔，当(D为孔口高，m)时取m=0.74～0.82；对深孔取m=0.83～0.93；当为有压流时，m值必须计算沿程及局部水头损失后拟定。
三、挑流消能
1.水舌抛距按水舌外缘计算(参照附图3)，其估算公式如下：
(附5)
式中 L——水舌抛距，m；
v1——坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍计，即(H0为水库水位至坎顶的落差，m)；
q——鼻坎的挑角，°；
h1——坎顶垂直方向水深，m，h1=hcosq (h为坎顶平均水深，m)；
h2——坎顶至河床面高差，m，如冲坑已经形成，作为计算冲坑进一步发展时，可算至坑底；
j——堰面流速系数。

附图3
—最大冲坑深度，由河床面算至坑底m

2.最大冲坑水垫厚度按下式估算：
(附6)
式中 tK——水垫厚度，自水面算至坑底，m；
q——单宽流量，m3/s/m；
H——上下游水位差，m；
a——冲坑系数，坚硬完整的基岩a=0.9～1.2；坚硬但完整性较差的基岩a=1.2～1.5；软弱破碎，裂隙发育的基岩a=1.5～2.0。
四、护坦消力池长度计算公式
1.福氏数，当Fr≥4.5，护坦上不设铺助消能工时：
(附7)
式中 Lc——护坦消力池长度，m；
、——跃前、跃后共轭水深，m。
2.当Fr＞4.5，池首断面平均流速大于16～18m/s，护坦上可设梳流坎及尾坎，但不宜设消力墩时：
(附8)
3.当Fr＞4.5，池首断面平均流速小于16～18m/s，护坦上可设梳流坎、消力墩及尾坎时：
(附9)
五、空蚀指数估算公式
(附10)
式中 ——空蚀指数，无量纲；
hd——计算断面处的时均动水压力水头(水柱高，m)；
hq——大气压力水头(水柱高，m)，对于不同高程按估算，即相对于海平面每增长高度900m，较标准大气压力水头减少1m水柱，为海平面以上高度；
——水的汽化压力水头(水柱高，m)；对于不同水温可参照附表4数值采用；
附表4
水温(℃)
0
5
10
15
20
25
30
40
(水柱高，m)
0.06
0.09
0.13
0.17
0.24
0.32
0.43
0.75

/2g——计算断面处的流速水头(水柱高，m)。
六、波动及掺气水深估算公式(合用于溢流坝面)
(附11)
式中 h——不计入波动及掺气的水深，m；
hb——计入波动及掺气的水深，m；
v——不计入波动及掺气的计算断面上平均流速，m/s；
——修正系数，一般为1.0～1.4，视流速和断面收缩情况而定，当流速大于20m/s时，宜采用较大值。
七、护坦、鼻坎上脉动压力估算公式
(附12)
式中 Pm——脉动压力，沿法线方向作用于建筑物表面，t/m2；
——水的容重，t/m3；
am——脉动压力系数，根据水流缓急限度分别取0.05～0.10。
八、护坦上消力墩所受冲击力计算
护坦上如设有消力墩(涉及梳流坎及尾坎)时，其所受冲击力Pd，可按下式估算：
(附13)
式中 Pd——消力墩(涉及梳流坎及尾坎)的冲击力，t；
Ad——墩、坎迎水面在流速方向上的投影面积，m2；
kd——阻力系数，视墩、坎形状及流速大小，取kd=1.2～2.0。

附录二 荷载计算公式

一、垂直作用于坝体表面的静水压力
(附14)
式中 H——计算点的水深，m；
——水(或含泥沙水)的容重，t/m3。
二、水平泥沙压力
(附15)
式中 =－(1－n)，为泥沙的干容重，n为泥沙的孔隙率；
hn——坝前泥沙淤积高度，m；
——泥沙的内摩擦角，°。
当缺少资料时可按下式计算：
(附16)
三、浪压力
1.浪高、波长可按官厅水库公式计算(合用于山区峡谷水库库缘地势高峻，风速4～16m/s，吹程1～13公里)。
(附17)
(附18)
式中 2hl——浪高，m；
2Ll——波长，m；
——计算风速，m/s；
Df——吹程，由坝前沿水面至对岸的最大直线距离，km。
2.浪压力计算：
(1)坝前水深H1满足Hlj＜H1＜Ll时，铅直坝面上的浪压力Pl，可按照立波概念，用下式计算：
(附19)
式中 h0——波浪中心线至水库静水位的高度，可按下式计算：
(附20)
Pl——坝基面的浪压力剩余强度，其值为：
(附21)
Hlj乃使波浪破碎的临界水深，其值为：
(附22)
浪压力的分布图形可假定在水库静水位上下各近似作直线分布，见附图4a。

附图4
(2)坝前水深H1＞Ll时，在距水库静水位深Ll以下各点的浪压力可以忽略，铅直坝面的浪压力可按下式计算：
(附23)
浪压力的分布见附图4b。
四、冰压力
1.静冰压力，按附表5数值计算：
在拟定开始升温时的气温及气温上升率后，可由附表5选用单位面积上的静冰压力，乘以冰厚，即为作用在单位长度坝体的静冰压力(t/m)。
附表5 静冰压力表
最低温度(℃)
－40
－35
－30～－25
－25
－20
－15
－10
气温上升率(℃/h)
2.5
2.5
2.5
2.0
2.0
2.0
2.0
静冰压力(t/m2)
28～40
25～35
23～30
20～28
15～22
13～18
12～14

2.动冰压力：
(1)冰块撞击在坝面上所产生的压力。当冰的运动方向垂直或接近垂直于铅直坝面时(运动方向与坝轴线的交角j=80°～90°)，动冰压力值Pbd可按下式计算：
(附24)
式中 kb——系数，决定于流冰的抗碎强度Rb值(当Rb=100t/m2，kb=4.3；Rb=50t/m2，Rb=3.0；Rb=30t/m2，kb=2.36)；
——冰块流速，对于大水库应当通过研究决定，一般不大于0.6m/s；
db——冰块厚度，m；
Ab——冰块面积，m2。
(2)冰块撞击在闸墩上所产生的压力。作用于铅直的闸墩上的动冰压力，可按下式计算：
(附25)
式中 Rb——冰的抗碎强度，当无实验资料时，可采用下值：结冰初期为75t/m2，末期45t/m2；
B——闸墩在冰层平面处的宽度，m；
m——与闸墩平面形状有关的系数，对于半圆形闸墩，采用m=0.9；对三角形闸墩根据其平面上的顶端角度2a按附表6采用。
附表6 m值表
2a
45°
60°
75°
90°
120°
m
0.60
0.65
0.69
0.73
0.81

五、溢流坝反弧段上的动水压力
溢流坝反弧段上的动水压力(离心力)合力的水平及垂直分力可按下式计算(见附图5)。
(附26)
(附27)
作用在反弧段上的压力强度 (附28)
式中 、——附图5所示的角度；
r——反弧的半径，m。

附图5