溢流堰堰顶设计.pdf.pdf

42东北水利水电份8 8年溢洪道堰顶 的 设计钾.1译文前言溢洪道最主 要的用途是渲泄通过工程的大量洪水、确保大 坝安全和避免洪水给上下游造成危害。设计 时应尽 力满足下述要求业使投资节省:(1)渲泄设计流量的足够长的堰顶;(2)容许的最小压力;(3)容许的最大堰上水头;(4)水力的稳定性和限定的水 力特性;(5)结构的稳定性;(6)在容许出流条件下减轻下游冲刷;(了)要考虑地质、地形、环境和美化等因素。溢洪道泄流能力是由溢洪道的长度、形状、水深、闸门尺寸、进口条件和闸墩或边墩的几何形状 确定的。在初步研究中,一般认 为大单宽流量窄溢洪道比中等单宽流量宽的溢洪道经济。因此,美国陆军工程兵 团(COE)已允许设计水头由1 2.2m增加 到1 8.3m,单宽流量增加到91.8一招 3.6m夕。m。较高的设计水头可能导致边墩或闸墩结梅过大,引起能量损失和堰顶水舌脉动加剧的可能性。由于溢洪道 设 计要不断提高其容量,所以要有可靠的设 计资料和简单方便的设计方法,这种方法既能独立使用,也可以做为模型研究的基础。去较长时间认为,如果溢洪道堰顶形状与水流流过锐缘堰顶充分通气所形成的水舌下缘形状非常接近 时,这些约束条件是能够很 好满足的。由于这种水舌的形状受相应的堰上水头、行近流速和堰上游面坡度的影响。因此,假若 能搜集到这些变量适用范围 内的试验资料,那 么即可提出溢 洪道堰顶的设计方法。早期建立的与水舌下缘表面吻合的方程是利用巴津Baz in,)数据,也利用其它资料对此 重新进行过计算。大概最好的资料是美国垦务局提出的,它已做为美国陆军工程兵团 的设计方法的基础。图1示意图早期 的设计方法堰顶 设计水舌底缘吻合法为了满足前面限定的条件业使堰顶长度最小,最好是将溢流堰顶做成流量系数大、压力不超 过容许值且分布比较均匀的 形状。人们过水舌下缘表面的完整形状.早期是把它分成两个扇形体来描述.的,一个位于水舌底缘 最高点(顶 点)的上游,另一个在下游。应用条件见图1。He=堰上总水头:ha=行近流速水头。溢洪道根据设计水头H。按比例设计。Hd可能大于、等于或小于H。随着溢洪道相对高度减小,行近流速的影响则增大。在P/Hd1.0时,按照美国陆军程兵 团给出的 方法,行近流速的影响是不能忽略的。与劳斯(R口us e)数据一致的美国垦 务局的数 据表明.当h。/H。增加或堰上游面坡度减小时,水舌收缩(Y。,变平,堰项轴线稍和问L游移动。墨非处Mu rphy,解释说.讨较低 的P/HJ值和垂直 面,水流趋第2期(总4 4期)溢洪道堰 顶的设计43于向垂直面下方流动,因而产生如无旋水流理论所指出的那种出现在垂直面F部而 不 是 出现在水 面的旋涡。倾斜的上游面可以防止出现这种情况。另外,为了简定起见一般情况下高.溢流堰不需要斜面。有时为 了节省混凝土,可使堰头何上游伸出,形成悬臂式的堰头美国陆军工程兵团的水 力设计规范给出了详图为了计算这些影响,美国陆军工程 兵团将设资劳法汾成四种类型,即上游面为垂直或倾斜漪高于孤溢洪道.所有溢洪道 堰J。下游扇形体的方履都可以表示成:x。=K Hd一IY式中父二自左至右算起的水平坐标;Y=自上中的n二.浙并据行近水深变化K值则可使下游 扇形休 分近似一般的椭圆方程可表示成:x2yZ几乒+毛万=121式中A二浦圆的水乎半轴;B二椭圆的垂直半抽;x二以椭圆中心为原点的横坐标:y=以椭目中心为原点的纵坐标这三个 参数A、B和K)完全确定丁堰顶的 形状。图2给出了它们随相应行近水深的变化对于高溢洪道,这种方法已被墨菲证明是适 用的对于其它型式 上游面和堰 顶形状.墨推还建议进行模型研究。而下算起 的竖直坐标;K二常数.变化范围为1.肠2.0 8;n二常数,变化范围为.75!.85。用一个单一方程吻合上游的扇形体 是很困难的。劳斯和雷德fR e j d)、麦尔希莫Me一肠hdmer)和墨菲指出,紧靠堰 顶轴线的上游部分的堰顶曲率在很大程度七决定着溢洪道 的效率曲率突变 或不连续,不仅破坏 了边界层,而且还可能导致水流分离和产生空穴、据墨非报导,如能消除上游面与上游扇形体之间很小一的不连续性,流量系数可增大3%。对于姚头在0.25且到1、5Hd之间 的情况,麦尔希莫和墨菲将堰顶抽线上 游扇形体 曲线分成四种情况进行比较。在这四个试验中,以复合三圆法和椭圆法得出的泄流 能力及压力的结果最 佳:从那时起,美 国陆军工程兵团一般都采用复合三圆法:可是由于对达种汉有的少数 典型 堰顶没有普遍适用的公式,只是取得一些设计数据,所以使 复合三圆法的应用受到限制椭圆形的上游扇形体在试图提 供一种通用而又简便的设汁方法中,墨菲发理,恨据行近水 深 用系统改变椭圆轴长的方法.能够很好地与羡因垦务局给出的水舌下缘面相吻合而_!生他还发现.如果上游斜面与根据垂良上游面计算 的椭圆相 t)j连接,则应用这样上游斜面的精确度 有时可能损失很小。他还指出.在听有的清况 厂使方程(司之丁了了刀子泥忿脚姆浦 夕 虎招娜 姗少谬之名岁万万川一1 1 1.下下:盯一一丁丁尸 T一刃刃甲甲一L L L 洲 J J J J J J J J J J J、簿簿簿立-目目蒸蒸 牵牵幸幸弓弓弓弓 日日日日日门门芍芍 7 7 7 r布,J J J口口二二);日日门门二二卜任洲洲阵阵阵升升r r r 厂厂!厂厂厂厂 八/叫助,k图2堰顶坐标方程的参数模型研究为了获得 数据来证明这种设计方法是否广泛地适用于行近水深、上游斜坡和堰上水头的变化,迈诺德进行了一系列的模型 研究最测了泄流量、堰顶压力和有无闸墩情况 卜的堰仁水面线研究范围为P/Hd=。.韵一2.。和H。/Hd=0.4一1.5上 游 面 坡度从垂直变到ZV:3HV:垂直,H:水乎,试验堰顶系用薄铁皮制成所需 的形状,设计水头为0.24 m堰顶装有测压管以便量测 堰面压力。图3所示为装育测压管的典型堰 顶为 了增加测饭管的间距,测压管交错布置成两排。每 组试验都从确定流量系数C开始,其次是确定堰面的静压力和侧量水面线,然后在堰顶上放上闸墩.确 定闸墩 的收缩系数,最后测东北水利水电I乡88年静水压力和两闸墩 中间及沿闸墩的水面线。试验结果流量系数表1所列为溢洪道堰顶流量系数的试验成果。确定溢洪道 流量系数后,即可符合具有标准 闸墩的泄流量 公式Q=CLeH:5(3)式中Q二泄流量;C=流量系数;L。=堰顶有效长度;H。=堰顶能头。表1确定流量系数的试验堰顶堰堰顶序号号P/Hd d d上游堰墙面斜坡坡1 1 1 1 10.2 5 5 5垂直直2 2 2 2 20.2 5 5 53V:ZH H H3 3 3 3 3().25 5 5IV:IH H H4 4 4 4 40,25 5 5ZV:3H H H5 5 5 5 50.25 5 5IV:ZH H H6 6 6 6 60.50 0 0垂直直7 7 7 7 70.50 0 04V:IH H H8 8 8 8 80.50 0 03V:ZH H H9 9 9 9 90.5 0 0 0IV:IH H Hl l l0 0 00.5 0 0 0ZV:3H H Hl l ll l l1.00 0 0垂直直1 1 12 2 21.00 0 04V:IH H Hl l l3 3 31.00 0 0ZV:IH H H1 1 14 4 41.0 0 0 0IV:IH H H1 1 15 5 51.00 0 0ZV:31 1 1 1飞飞6 6 620 0 0 0垂直二.1 1 1了了2.00 0 0IV:IH H H流量系数C是随堰顶 下行近水深P、上游面坡度和堰顶相 对水头H。/Hd而变化。人们期望得到这些资料,业且同其它资料进行比较。流量系数还是系统泄流能力的一种度量,它受现场具体条件的影响。水流的方 向角和复杂的流态等都是重要的影响因素。如果水流方向 角和行近流速 过大,则对边墩及闸墩的影响,应进行模型研究或做保守估计。在这项研究 中,除以后将介绍的闸墩外,这种影响均可消除。这鱼虽未介绍基本模型流量,静水头 和计算 能头的数据,但可从迈诺德资料中得 到。当水头大于设计水头P/Hd=0.2 5时,由于行近水流扰 动得比较严重,测量静水头是比较困难的。故对于全部计算,可假 定能量校正系数 为1.0尽管较平坦的上游斜坡变化的趋 势较弱,但仍 能导致流量系数偏小(特别是在P/Hd值较大 时)。其数据最好用两套曲线表示。图4表示的是上游斜坡比IV:IH陡的情况,图5表示的是上游 斜坡为IV:IH一ZV:3H的情况。曲线 与用这两组曲线测得的C值之 间相差不超过2%肆肆肆护护岁犷l l l注:V二H为垂直距离与水平距离之 比。图4上游斜坡 比IV:I H陡的情况下的流量系数由于可能的缩尺效应,低于H。/Hd=0.4时便测不准泄流 量。可是原型试验表 明,溢洪道堰上水头很低时,则有 与宽顶堰相同的泄流特性。因此外延 图4和图5(虚线)中的曲线,当H,/Hd接近于0时,流量系数等于3.0 8。图中P/Hd二3.4的 曲线是取自麦尔希莫和墨第2期(总4 4期)溢洪道堰顶的设计4 5菲的资料,它 与美国陆军工程兵团设计的高溢洪道标准堰顶 的曲线一致。因此 可以应用此曲线求得P/Hd大于3.4时C的近似值。厂厂 下i i i墩头 的位置,象上游面垂直 的堰顶那样,由保持其到堰顶轴线间距相等条件 来确定。沿闸墩布置的测压管,从闸墩边缘到测压管孔中心的距离为6.1二。图7和图8表示的分别为有 闸墩和无闸墩堰顶的典型压力分布。曲线上表示的为H。/Hd的数值。两个图都是P/Hd二1.0的情况。齐亥撇飞图5上游斜坡为I V:IH一Z V:3H情况下的流量 系数在另外一种极端情况下,当P/Hd值减小,特别是H。/Hd较大时,水流的控制开始 转向上游,泄洪能力降低,流量系数减小,C值与宽顶堰的C值接近。还应注意,当实际水头大于设计水头 时,流量系数就要增大,对这种溢洪道 堰顶称作“设计不足的堰顶(u”d“r一dossgnede re st)这将在下节进行讨论。正如所预料的那样,流量系数比通气良好的锐缘堰的高1一3%。这是由于水舌底缘被固体边界取代,业且压力较低。因此,曲线型灌与平 板式堰的流量数接近一致堰顶压力实测了上游面垂直和坡度 为IV:IH、P/Hd值 为0.2 5、0.5和1.。的有无闸墩情况下的堰顶压力。在P/Hd=。.2 5时,只测了He/Hd=0.5和1.0时的压力。虽然采用了P/Hd值较低情况下的“设计不足的堰顶”业未引起H。/H1.0情况下的流量系数明显增加。在0.7 63m宽的堰顶上布置两个闸墩,其布置如图6所示。对于所有堰顶,闸墩 头部均采用设计准则HDC1 11一5中的1 1 1型堰。对于上游面垂直 的溢洪道,闸墩头部都布置在同一平 面上对于 上游斜面IV:IH的溢洪道注:对米制应将图内C值乘以。.5 52笠 王豆旦且盛越亘 巨图6闸墩的布置图7没有闸墩的堰项压力分布(P/Hd=1.0夕蒸撇严酬默?獭蜘鹭挪图8有闸墩的堰顶压力分布(P/Hd二1.046东北水利水电1 98 8年值 得注意的是,在H。/Hd二!.。时,压力接近 大气压,这 说明堰顶与锐缘堰水舌F缘能够很好吻合-由于设计者关心的 是 最 友负压.所以将无量纲水头H。、Hd与最大静负压水头H。H,的关 系表示在图9和 图川巾图内每组点子表示不同P 厂Hd值与相应已知1 1。/Hd的关系对于每个HHd的最大静负压看来不是系统地随PrHd而变化。值得注意的是,当有闸墩时限制堰上水头的沿闸墩分布的压力最 小而不是沿中心线分布的压力最 小察真空柜 后指出,堰顶 初生空穴时的平均压力约为一7.63 m水柱。因为它不是平均压力,而 是引起溢洪道空蚀 的脉动压力。所以美国陆军工程兵团建议.设计的溢洪道堰顶 应使预期最大水头下的平今玉力不低于一4.6一6.1m水柱.对于高水头的设计应采用一4.6m水柱利用该建议,将图9和图1 0转换成图11为了进行比较绘成曲线,该曲线 是阿贝卡西斯曲线包络线 较低的部分.它相 当干一了.叨m水柱的压力区区区区区区区区口口口阮阮】ll l l习习 滩滩滩滩滩滩滩:撇撇醛井l l l终终厂厂厂吓吓、t 巨巨巨巨叹叹:L L L二二二口口曰曰曰曰因因因因因因因因甲甲甲甲甲甲甲甲巨巨巨巨巨巨叹叹”口口口口1一一口口口口曰曰厢厢厢匕匕理扭(元尽娜)了了了了/月厂,产产、琴琴产产夕数 拯拯、卜一z渡断断、从从1(南 醉级版浏川川、欠 习一一公公、没二二破破破)一丫卜卜卜、)犷闪闪灌灌一哀寸迁口 州州 叶叶百一 或.碳弋摊而图9琏庵最小压力 的设计曲线(无 闸墩图11压力水头 为一4.6nl和情况下的设计曲线盯盯盯尸尸冈冈妙姨姨压压压口口口口巨巨巨区区区区入入 巨巨巨口口日日.日日 L L L L L口口胭胭口口口日日者者址口口刻刻可可可可 陈陈厂厂,尸尸尸尸尸尸民民民于于于于于于 入入口口口口口口口巨巨巨巨图1 0最小压力的设计曲线、有闸墩)对十滋洪道设计不足的 堰顶.美国垦务局局建议采用H。,Hd=.35正如鲍 尔(l飞a u e r)和贝克、nack)以 及阿贝卡西斯JAIec a戒、所指出的 那样.实际导致 空蚀的最小压力脉动汤已知气候和高程的大气玉力有关阿贝卡西折观构造卜的不平整 也可限 制 了流洪道服顶采用“设计不 足的堰顶的 可能性.特别是对于高水头溢洪道的设计鲍尔B叭l)给出了表面各种突体的初生空穴数。如果设计具有闸墩的负压堰顶,闸 墩必须向下游延伸 到负压 区以防、:上水中充气、水舌分离或波动和有一损于”设计不足的堰顶”功 能的优点。为 了满足初步设计要求,一当H。Hd等于1.行、1.33和1.5时,距 堰 顶轴线的无量纲水平距离X厂Hd的 大致范l衬.分别为0.1一0.4:。.了一0.9和.1一l,5,派认为那一点压力变为正值。如果采 用掺气渺防止空 h a破 坏一若通气槽 布置在 负年区时.则不应采用“设计不足的堰顶,第2期(总科期_溢 洪道堰顶的设 计47表2水舌上表面线无无无闸墩墩闸孔中线_ _ _沿闸墩墩X X X X X/Hd d dY/Hd d d月。2Hd d dY/HX/Hd d dY/Hd d dH H H H H。/Rd d d0.5 5 51.0 0 0,5 5 5H,Hd d dO,5 5 51.0 0 015 5 5H,/Hd d d05 5 51.0 0 0,.5 5 5 甩甩一1.0 0 0一0.4了 9 9 9一0.朋了了一1.2阶阶一1.U U U一0.雄94 4 4一0.3瀚瀚一1331 1 1一1.0 0 0一0.糊糊一0.933 3 3一1.311 1 1二二三.一一一0.8 8 8一0.472 2 2一O,的7 7 7一1.24 1 1 1一0.8 8 8一0.4阳阳一0.925 5 5一!.3的的一0.8 8 8一0.483 3 3一0.925 5 5一1.3叨叨一一一口.6 6 6一0.462 2 2一0 85了了一1.213 3 3一0.6 6 6一O483 3 3一0.913 3 3一.275 5 5一0.6 6 6一0.4了 5 5 5一0马18 8 8一1.珊珊一一一0.4 4 4一0.4 4 5 5 5一0.829 9 9一1.178 8 8一0.4 4 4一O,476 6 6一0.888 8 8一.2铭铭一04 4 4一0.4朋朋一0,931 1 1一1.313 3 3一一一0.2 2 2一0.419 9 9一0.792 2 2一1.130 0 0一0.2 2 2一0.谬45 5 5一0.855 5 5一1.210 0 0一02 2 2一0.463 3 3一0.915 5 5一1375 5 5O O O O O、O O O一0.3了 了了一0.742 2 2一1.073 3 30.0 0 0一,403 3 3一心.只03 3 3L一1.1能能一勺.5 5 5一0.哪哪一0,915 5 5一1.3 8 3 3 30 0 0 0 0.2 2 2一0.318 8 8一0.67下下一1.0自门门0.2 2 2一0.335 5 5!一,丁 43 3 3一1.102 2 20.自自一n.369 9 9一0.829 9 9一1.315 5 59 9 9 9 9.4 4 4一C.了 19 9 9一0.57日日一公.别二二O4 4 4一七.2扣扣一O、6桃桃一l、U29 9 9、.2 2 2一e,2C4 4 4一0.695 5 5一1,17 1 1 1公公公.6 6 6一010卫卫一0.465 5 5一0.分11 1 10.6 6 6一O,116 6 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墩0.262K117 6或YL I T二一万了 开丁 一H13)对于给出的P/Hd=0.2 5、。.5和1.。的堰顶水 面线数据已列于表2。高堰顶水面线数据在HD C(C O E一9 7了)能够找y 1 J。这些高程数据 可用于设计边墙和确定净宽等等。不同的_L游面斜率对于水面高程 有比较小的但却能观察到的影响。设计应用为了计算椭园溢洪道堰顶坐标,必须确定坐标方程和切点。应该注意的是,垂直坐标从堰顶轴线算起向下为正。堰轴线上游扇形体曲线的坐标可用下式计算:XZ芯B一Y少2式中a二l/下游 面坡度二H/V:下标UT和D T分别表示上游和下游的切点。图2、4、5和9一12以及表2能够直接用于设 计。根据现有的资料和设 计约束,图4或图5、9或图功和 图1 1可以重复用于确定堰顶高度和“设计不足的堰 顶”的容许数值。对于最大负压一4.4 7sm水柱的情况,图1 1虚线表示的 曲线分别表示无控 制(无闸墩)和有控制沿闸墩)的情况,可 以近似写成:Hd二()Hd=()33H30H2 226(14)(15)实例一丁+一一丁了一 一=A乙B艺或Y=Bl(5)X2一一)12(6)人2假 设上游面的斜率 为:(7)对一个受控 堰顶,在最高库水位时最小压力为一6.5了sm水柱,Qma、=lx 63 5m3/s,堰顶高程3 05m.引水渠高程28 0.6m。假定最大泄量 时堰上总能头H。=玲.7 25 m于是从图xl或式(25)可得Hd=21。丁m和H。/HJ=1.24。若坝高P=10.6 75m,则P/Hd=。.9 6。从图4(假定上游面是垂直的)可得在H。/Hd=1.24时C=223。(下转4 2页,V.一Xd一d一一F将式(6)求导便得出Fs的公式:米制:(1诊)式 为Hd二o,42gH。“:了15。式为Hd=0.4 o gH。“6第2期(总44期水土保持 在吉林地区农业凌展规划中的地位在 国土的开发和整治中,水土保持占有特殊重要的地位。水和土是最基本的自然资源,而且我们吉林地区水土流失的情况又 比较严重。只是 在区域分布中的流失程度不 同而已。已出现了.越穷越垦,越垦越穷”的恶性循环现象。所 以说,使水土流失 的区域由性循 环改变为良性循环,这是国土整治中既艰巨又紧迫的任务。2.水土保持是充分利用和保护有限的水土资源 的重要环节水和土是 人类赖以生存的重要物质条件,也是进行工农 业生产的基本资料:水和 土减少到一定程度,整个人类的生存就会受到威胁。随着人口的继续增长和工 农业的发展,土地和水资源不足的问题将越来越 严重。如 果 我们 不搞水土保持,现有的水土 流失、土壤侵蚀必然会严重 影响工农业生产 的发展。不 论从我 国十亿人口的生活着想,还是从 我国 的四化建设着想,我们都必须高度重视,应竭尽全力搞好水土保持工作。3.水土保持是山区经济发展 的 生命线由地理位置决定,我地区处 于吉林省中部偏东的山区。山丘地占全区总面积 的7 0%以上,近一半人口生活在山丘区,是粮食生产基地,是森林主要分布区。这里发展 农林牧潜力很大,如果不搞好水土保持,不少地 方将逐步变成 荒 山秃岭,农、林、牧各业都搞不成,生产 不仅不能发展,还会倒退。只有搞好山区水土保持,才能保住土、肥、水,促进各业 的发展。因此,水土保持是发展山区生产最重 要 的一项基本建设,不搞好水土保持,山区就没有希望,农业翻番也是空谈。4,水土保持是保护平原区农业发展,发挥水利工程效益的重要条件只有山区、丘陵区搞好水土保持,拦蓄洪水泥沙,平原的洪涝问题才能 从根本上得到解决农业生产才能得到大的发展。我地区水库淤 积是比较严 重的,由于水土流失,大 量泥沙注入江 河、库、塘。影响了水利工程效益。根据实测.松 花湖年平均 入库泥沙量已达5 2 5万米“,是 建库年平均入库泥沙量的3.6倍。据舒兰县8 2年实测6座 大中型水库淤 积 总量达22 4万米“,年平均 淤积 量 为16.2万米“。淤 积 量 的剧增直接影响着工程 效 益的发挥。为使我地区生态平衡的恶性循环之弊转变为良性循环 之利,必须在各级人 民政府统一领导 下,全面规划,各部门密切协作,分工负责,做好与本部门有关 的水土保持工作。合理保 护、开发、利用水土资源,这是我们工作的 出发点和落脚点,是我地区走向富裕道 路之本。(上接4 8页)从式门3)可见,溢洪道有效 长度必须等于10 2.5哇m。采用6个 闸门、5个闸墩,对于H,/Hd=1.24,Kp=一0.02(图12)。假设 相邻的坝体部分K。二0.1 9,两个边墩间堰顶的总长度 为1 1 9.8 65m。这是考虑L和附加的闸墩厚度后 通过解 式(4)计算得到的。墨菲建议的堰轴线上游部分的椭园设计已经过广泛试验,业已证明 其水力特性是可靠的,并已证实通气充分的锐缘堰的水舌下缘与堰顶非常吻合。到现在 为止,虽然原型资料很少,但有一座用这种方法设计的溢洪道,尚未发表的模型研究成果与预期值很相符。采用这种方法的优点是有系统的模型 试,资料做支柱,并适用 于任何高度或任何上游面斜坡的溢洪道。节译 自Jo u r n alofHydra ulieEnginee.一ringV O L一13瓦A PRI男7周林泰译王成梓校