溢流坝段设计.doc

4、溢流坝设计
4.1 孔口设计
4.1.1 泄水方式的选择
重力坝的泄水主要方式有开敞式溢流和孔口式溢流，前者除泄洪外还可以排除冰凌或其他漂浮物。设置闸门时，闸门顶高程大致与正常高水位齐平，堰顶高程较低，可利用闸门的开启高度调节水位和下泄流量，适用于大中型工程，所以为是水库有较大的泄洪能力，本设计采用开敞式溢流。
4.1.2 洪水标准的确定
本次设计的重力坝是2级建筑物，根据《水利工程水工建筑物洪水标准》采用500年一遇的洪水标准设计，2000年一遇的洪水标准校核。
4.1.3 流量的确定
经水文、水利调洪演算确定：设计情况下，溢流坝的下泄流量为5327.7m3/s；校核情况下溢流坝的下泄流量为6120.37m3/s。
4.1.4 单宽流量的选择
坝址处基岩比较完整，根据综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，单宽流量取100～150 m3/（s.m）。
4.1.5 孔口净宽拟定
分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度。计算成果见表2-5
表2-5孔口净宽计算成果表
计算情况
流量Q（m3/s）
单宽流量q[m3/（s.m）]
孔口净宽B（m）
设计情况
5327.70
100～150
53.28～35.52
校核情况
6120.37
100～150
61.20～40.80
根据以上计算，溢流坝孔口净宽取45m，设每孔宽度为15m，则孔数为3。
4.1.6 溢流坝段总长度确定
初步拟定闸墩厚度，中墩厚d=4.5m，边墩厚t=3m，则溢流坝段的总长度B0为：
B0=nb+（n-1）d+2t=45+9+6=60m
4.1.7 堰顶高程的确定
初拟侧收缩系数ε=0.95，流量系数m=0.502。因过堰水流为自由出流，故σs=1，由堰流公式Q=σsεmnb（2g）0.5H01.5计算堰上水头H0，计算水位分别减去相应的堰上水头即为堰顶高程。计算成果见表2-6
表2-6堰顶高程计算成果表
计算情况
流量m3/s
侧收缩数
流量系数
孔口净宽m
堰上水头m
堰顶高程m
设计情况
5327.70
0.95
0.502
45
14.65
201.57
校核情况
6120.37
0.95
0.502
45
16.07
201.07
根据以上计算，取堰顶高程为201.07m。
4.1.8 闸门高度的确定
门高=正常高水位-堰顶高程+（0.1～0.2）
=215.5-201.07+（0.1～0.2）
=14.5m 取15m
4.1.9 定型设计水头的确定
堰上最大水头Hmax=校核洪水位-堰顶高程即：Hmax=217.14-201.07=16.07m 定型设计水头Hs为Hs=（75%～95%）Hmax=12.05～15.27m，取Hs=14.2m，由14.2/16.07=0.88查表知0.3Hs=4.26m小于规定的允许值（3～6m水柱）。
4.1.10 泄流能力校核
运用堰流公式Q=σsεmnb（2g）0.5H01.5分情况校核溢流堰的泄流能力，计算成果见表2-7
表2-7泄流能力校核计算成果表
计算情况
m
ε
B（m）
H（m）
Q（m3/s）
Q′
|（Q′-Q）/Q|
设计情况
0.502
0.92
45
15.15
5159.27
5327.7
3.26%
校核情况
0.512
0.92
45
16.07
6045.36
6120.37
1.24%

由表中计算成果知|（Q′-Q）/Q|×100%<5%，说明孔口设计符合要求。
4.2 消能防冲设计
根据地形地质条件选用挑流消能，参考已建工程经验取挑射角θ=25o，挑流鼻坎应高出下游最高水位（169.52m）1～2m，那么鼻坎的高程为169.52+1=170.52m。
4.2.1 反弧半径的确定
堰顶水流流速按公式v=δ（2gH0）0.5计算，由Q=Av=Bhv可得h=Q/Bv；
δ—堰面流速系数；
H0—库水位至坎顶高差，m；
B—鼻坎处水面宽度，m；
Q—校核洪水位时溢流坝下泄流量，m3/s；
v=0.96×（19.6×45.7）0.5=28.73m/s，坎顶水深h=612037/（50×28.73）=4.26m
反弧半径R=（4～10）h=17.04～42.6m，取R=20m。
4.2.2 水舌的挑距L及可能最大冲坑的深度tk估算
由式L={（v1）2SinθCosθ+v1Cosθ[（v1）2Sin2θ+2g(h1+h2)]0.5}/g计算
L—水舌挑距，m；
h2—坎顶至河床面高差，m；
h1—坎顶垂直方向水深，m h1=hCosθ；
v1—坎顶水面流速，m/s，取平均流速的1.1倍。
代入各参数计算得L=118.36m
由式tk=αq0.5H0.25 t′k=αq0.5H0.25-H2计算
tk—水垫厚度，自水面算至坑底，m；
t′k—冲坑深度，m；
q—单宽流量，m3/（s.m）；
H—上下游水位差，m；
H2—下游水深，m；
α—冲坑系数，坚硬完整的基岩取0.9～1.2，坚硬但完整性较差的基岩取1.2～1.5，软弱破碎裂隙发育的基岩取1.5～2.0。
得：tk=1.2×1500.5×47.620.25=38.61m； t’k =38.61-23.42=15.19m L/ tk =3.07>2.5，说明挑流消能形成的冲坑不会影响大坝安全。挑流消能冲坑计算简图如图2-2所示：

4.3 溢流坝剖面设计
首先绘出坝顶部的曲线，取堰顶部最高点为坐标原点，堰顶上游部分采用椭圆曲线，下游部分采用幂曲线。
幂曲线方程：y=xn/kHsn－１　 椭圆方程：x2/(aHs)2+(bHs-y)2/(bHs)2=1
Hs—定型设计水头，值为堰顶最大作用水头的75%～95%；
n.k—取决于坝顶上游面的坡度，按表取用。
a≈0.28～0.3；a/b=0.87+3a
代入参数得幂曲线方程为y=x1.85/2×14.2(1.85-1)=0.052 x1.85
取a=0.3，b=0.17 则aHs=5.68 bHs=2.41
得椭圆方程为：x2/5.682+(2.41-y)2/2.412=1
绘出其基本剖面，求得基本剖面的下游面与幂曲线的切点c的坐标为（20.01，13.28）。由于上游侧超出基本剖面，故需将溢流坝做成倒悬的堰顶以满足溢流曲线的要求，倒悬的高度为4.57m。最后作出反弧段，反弧半径为20m。溢流坝的剖面如图2-3所示：