确定溢流坝断面形式及水力计算.doc

附录C 溢流坝段设计及水力计算
不设闸门的堰顶高程就是水库的正常蓄水位，库水位超过堰顶后就溢过堰顶泄向下游，这种型式结构简单、管理方便，适用洪水流量大、上游淹没损失不大的中小型工程。
坝顶表孔溢洪道优点：（1）结构简单，检查维修方便，（2）水流平顺，（3）便于排除漂浮物，不易堵塞，（4）泄流量与堰顶水头H的3/2次，超泄潜力大。但表孔位置较高，在开始泄流时流量很小，不能及时加大泄量降低库水位。另外它不能满足排砂、放库等要求。

C.1 溢流堰泄流能力计算
基本公式： (C-1)
式中：Q—流量，m3/s；
B—溢流堰净宽，m；
Hw—堰顶以上作用水头，Hw=(1439.1-1435.5) 90%=3.2m
g—重力加速度，m/s2；
m—流量系数，根据P/Hd3时，可取m=md=0.47～0.49,本设计中坝高为1435.5-1380=55.5m, Hd =Hw , P/ Hd =55.5/2.9=19,取0.49；
C—上游面为铅直时，C取1.0；
ε—侧收缩系数；
δs—淹没系数，取1.0；
曲线型实用堰设置中墩，共2孔，每孔净宽13m。
曲线型实用堰的侧收缩系数可由以下公式计算：
(C-2)
为边墩形状系数，边墩取为圆弧形，系数为0.7；
为中墩形状系数，中墩也同样取为圆弧形，系数为0.45。所以原式代入数据:
Hw=(1439.1-1435.5)90%=3.2m
ε=1-0.2×[0.7+(2-1)×0.45]×3.2/(2×13)
=0.97

有导流洞参加调洪，参加q=100m/m3,故=319m3/s,满足要求。
C.2 溢流坝剖面设计
溢流坝段的堰面曲线，当设置开敞式溢流孔时可采用实用堰WES曲线。
设计水头可以取0.75～0.95倍的校核水位时的堰上水头。
Hd=Hmax×90%=(1439.11435.5)×90%=3.2m
C.2.1溢流堰上游曲线
堰顶o点上游三段圆弧的半径及其水平坐标值为
X1=0.175Hd=0.175×3.2=0.56m
R1=0.5Hd=0.5×3.2=1.6m
R2=0.2Hd=0.2×3.2=0.64m
X2=0.276Hd=0.276×3.2=0.88m
R3=0.04Hd=0.04×3.2=0.13m
X3=0.282Hd=0.282×3.2=0.90m
C.2.2 溢流堰下游曲线
O点下游的曲线方程为
（C-3）
即
按上式算得的坐标值如下表C-1：
x/m
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
y/m
0.185
0.67
1.41
2.41
3.64
5.10
6.78
8.67
10.78
13.11
根据表中数值可绘得堰顶下游曲线OC
坡度ma=0.7的下游直线段CD与曲线相切于C点。C点坐标可如下求得：
对堰面曲线求一阶导数

直线CD的坡度为

故有

即

得o点下游曲线与直线切点的坐标为（5.4m,4.2m）。
C.2.3 下游消能形式的选择
查溢洪道设计规范《SL 253-2000》2.5.4挑流消能可用于岩石地基的高中水头枢纽。根据实际资料，下游地质情况符合。溢洪道挑流消能设施的平面型式可采用等宽式扩散式收缩式挑流鼻坎可选用连续式差动式和各种异型鼻坎等。2.5.8面流消能可用于下游尾水大于跃后水深且水位变幅不大河床及两岸在一定范围内有较高的抗冲能力或有排冰要求的枢纽，但本工程中下游水位不稳定，故不选用。2.5.9消力戽或戽式消能工可用于下游水深大于跃后水深下游河床及两岸有一定抗冲能力的枢纽有排泄漂浮物要求时不宜采用消力戽下游宜设置导墙。
根据资料以及下游情况选择挑流消能，挑流消能可大大减少工程量。
C.2.4 反弧半径的计算
通过查天然河道水位与流量关系图，可估算出下游水位约为1393.2m。工程中一般取坎底高程等于或略高于下游水位的1～2米。以坎底最低点为基准面,高程为1395m。
hc为校核洪水位时反弧最低点处的水深，h为最低点到底面的高程；
hc用迭代公式计算，以坎底为基准面计算。
(C-4)
其中φ取0.95 ，P2=1435.5－1385=505m
,E0= P2+Hw-h=50.5+3.2－10=43.7m
解得hc=0.5m
反弧半径取4～10h，则R的范围是2m～5m之间。
反弧段流速大，反弧半径也宜选用较大值。长江科学院曾提出影响自由挑射的最小反弧半径,式中h为挑坎上的水深，Fr为挑坎上的弗劳德数，Fr=v/
坎上的流速可根据水力学公式，
(C-5)
代入数据得
43.7=0.5＋
得V=28m/s
计算可知 Fr=12,Rmin=1m。
实际工程反弧半径R的取值范围，远远超过R=(4～10)h的限度。有人根据国内外60个工程资料，针对影响反弧半径的主要因素进行优化，提出反弧半径的经验公式为，计算得R=13.9m，在此取半径为14m。

C.3挑流消能计算
基本资料：
挑角θ=20°；
下泄流量Q=313m3/s；
上游水位高程1439.1m；
下游水位高程1393.2m；
下游河床高程1385 m；
挑坎的坎顶高程1395.6 m;
为了减小冲深，以选取15°～20°的小挑角为好，对于一般非深水河槽，可采用20°～30°。
C.3.1 射流挑距的计算
由公式
(C-5)
式中 L ——水舌抛距，m ；
Vc——坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速υ 的1.1倍计，即 Vc = 1.1ν = 1.1φ（S1为水库水位至坎顶的落差，根据几何关系，得坎顶的高程为1395.6m，1439.1-1395.6=43.5m Vc =30.5m/s。）
θ——应是射流与水平的夹角，一般取为鼻坎挑射角。
h1 ——是坎顶垂直方向水深，单位m。 h2是坎顶至河床面高差，单位m。根据几何关系，坎顶的高程为1395.6mh2为1395.6-1385=10.6m
代入数据得
=83m

C.3.2 冲坑深度计算
由公式（岩石河床）
(C-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；
k—冲刷系数，由于坝址处基岩完整、坚硬，河流基本下切至新鲜岩面的地质情况的综合评定，k=1.1。
由已知数据求得
ht=(1393-1385)m=8m
a=（1395.6-1385）m=10.6m
q=Q/b=313/26=12m/s
冲刷坑深度

=1.1×120.5×46.10.25
=10m
由《SL319-2005 混凝土重力坝设计规范》5.4.2 挑流消能的安全挑距，应不影响坝趾基岩稳定。冲坑最低点距坝趾的距离应大于2.5倍坑深。
由计算结果L=83m>2.5×10=25m,故满足要求。

6