溢流坝段表孔设计计算说明.docx

第4章 溢流坝段表孔设计溢流坝段既是挡水建筑物，又是重力坝枢纽 中重要的泄水建筑物设计时， 除了应满足稳定和强度要求外，还要满足因泄水带来的一系列要求， 包括 ：(1) 具有足够的 孔口体形尺寸和较高的流噩系数，，以使之具有足够的溢流 能力 2) 应具有良好的孔口体形，以使水流平顺 地过坝，不产生有害的负压、 震动和空蚀 等 3 ) 保证下游河床不产生危及坝体 安全的局部冲刷 4 ) 溢流坝段在枢纽中的位置，应 下游水流流态平顺，不产 生折冲水流， 不影响枢纽中的其他建筑物的正常运行1) 又灵活可靠的下泄水流控制设备， 如闸门启闭机 等4.1 确定溢流断面长度4.1.1 设计单宽流量溢流重力坝的单宽流量 q 需综合考虑地质条件、枢纽布置、游河道水深和 消能工设计等因素，通过技术经济 比较后选定单宽流噩愈 ，所需的溢流前缘 愈短，对枢纽 布置有利，但下泄水流动能大，对下游消能防冲不利 ，近年来随 着 消 能工技术的进步，选定的单宽流量也不断增大本设计中， 三峡坝之下游段地质条件优良，故可假定单宽流盐 q=200m3 /s, 据此可假定溢流坝段长度1 )设计洪水位工况下：Q = 23540 m3/s则可假定 L = —= 23540=117 .7 m200( 2 )校核洪水位工况下Q = 3526 0 m3/s则可假定 L = —= 35260= 176 .3m200选取二者中的最大值 ， 确 定溢流段长度为 176. 3m 本设计选用平面钢闸门形式，因 其 结构简 单，而且闸墩受力条件良好。

取孔 口净宽为b = 8米a、 计算孔口数：(1)设计共水位工况下• n=117.7 =14.71(2 )校核洪水位工况下：n =176 .3 =21 .94由此可确定 孔口数为22 孔据此计算Q溢=22X 8X200 = 35300 m3/s,满足设计洪水位和校核洪水位工况 下所需的下泄流量b、 闸门布置：溢流 坝段表孔采用平面钢闸门，常用的布置有跨缝布置和跨墩布置，其中跨缝 布置可以减少闸墩长度，但对地基要求较严格，若产生地基不均匀沉降则对闸门启闭运行极为不利，而跨墩布置可以适当放松对地基的要求，然而却增加了闸 门的长度，使整个溢流 坝段长度增大，对其经济性产生影响综合各方面因 素 鉴 于 三峡 工 程所在地地基条件优良，故选用跨缝布置经考虑论证后选取闸墩厚 度为 13m, 则每段坝长为 13+8=21mC、溢流坝段前缘总长溢闸门段长 L = 22 X 8+(22—1) X 13 = 44 9m因为采用跨缝布置 ，考虑深 孔的交错布置(深孔为23 孔，由下章可知)，故其 溢流坝段前缘总长为：流 4.顶 装Lo = L+ 2 d + b = 483 m.o2 堰顶总水头的确定由调洪演算求出的设计洪水位及相应的溢流坝下泄流量Q溢，可求的堰顶设计总水头Ho。

利用堰流公式计算Ho:闸门时，用坝墩Qli= nb“石H3/2式中：Q溢一表孔下泄洪水的流噩 有设计资料 Q溢=23 40m3 /s; n— 孔口数， 22;b — 表 孔净宽， 8m;C — 闸墩侧收缩系数 ，与墩头 形式有关，初拟时可取0.9-0.95,1)溢— 淹没系数流(,坝m — 流量系数段预定 P1/Hd将 计设计取 0.92;分Ho-堰顶设计总水头因其为自由出流，故取 1.0;以三峡 工程为高坝，初拟时根据水工建筑物经验可3.0,可以不计行 近流速，取m= 0.502割 将各参数代入上式，得堰顶设计水头：成 Ho=16 . 23m若 则：干 堰顶高程二设计水位一堰顶水头个 = 175一16. 47等 =158. 53 m宽 本设计取 158m 的 检验：孔 设口结度本b则孔口数立=;:/b,令闸墩厚度不计为d速，满足假 设条件H综上所：述本设计溢流表 孔坝段分成23 个坝段，分缝布置故有22 个孔口选用平面钢闸门，闸门宽8米，堰顶高程为158米4.2 溢流面曲线设计溢流重力坝的溢流面由顶部曲线段，中间直线段和下游反弧段三部分组成 设计要求为：@有较高的流量系数；①水流平顺，不产生有害的负压和空蚀破坏； @体形简单，造价低，施工方便。

4.2.1 定型设计水头的确 定Hs 定型设计水头即坝剖面设计时采用的堰顶水头，一般 取校核水 位时堰顶水头Hzmax的75%-95%,并满足下列要求：@遇校核水位闸门全开时, 堰顶附近出现的负压不得超过3- 6m水柱；@ 遇常遇洪水位（等于或低于20 年一遇的洪水）闸门 全开时，坝顶 附近不 得出现负 压Hzmax = 校核洪水位－堰顶 高程 = 180.4-158 = 22.4m当实际来水的堰顶水头Hz高出Hs时，堰顶附近将出现 负压，Hz超出Hs愈 大，负压值愈大，显然，遇到校核洪水位，即Hz=Hzmax时，堰顶附近将出现最 大 负压值 选用不同定 型设计水头时堰顶附 近可能出现的 最大负压值 见下表：H姐Zmax0. 750. 7750.800. 8250.850.8750.900.951.0Hs16.817.3617.9218 . 8419.0419. 6020. 1621. 2822. 4最大负 压值0. 5Hz0. 45Hz0.4Hz0. 35 Hz0. 3Hz0. 25 Hz0. 20 Hz0.10Hz0. OHz当实际来水的作用水头低于定型设计水头Hs时，堰体对水舌有 顶托作用 使其流量系数减少，减少溢流段 下泄量，所以要考虑有 一定的负压值 ，但负压值 不宜过大，不能超过规范 规定的3-6米水柱，本设计取用Hs=O.9Hzmax，即最大负 压值为Hs= 90%Hzmax=90%X 22. 4 =20.16m4.2.2 堰面曲线的设 计重力坝溢流面曲线由顶部曲线段AB、中间段BC和下部反弧段CD三 部分组成。

设计要求是： @ 有较 高的流速 系数；@ 水流平顺—不产生有害的 负压和空蚀破坏；@体形简单，造价低，施工方便如图4 — lA 、 顶部曲线段开敞式坝顶溢流的顶部曲线，其合理形式应与薄壁堰的水合下缘曲线相 吻合本设计采用 WES 型曲线，此曲线又以堰顶 0为界分为上游段 AO 和下游 段 OB 图4 • 2a 、 上游 段 AO 应有利于改善堰面压力和流速分布，提 高流量系数，宜用 1/4 椭圆曲线， 其方程为+ =I( 4 • 2) (aH寸 (bH s/式中 ： aHs 、 bHs- 椭 圆的 长、短半 轴， 因 上 游 坝 面 铅 直 ， 可 取 a=O. 28-0. 30,a/b=O. 87+3 a ,本设计 取a=0. 29、b=O. 1 7,即：aHs=O. 29X20.16=5.85mbHs=0.17X 20.16=3.43m方 程简化为： X 2 + y = l(5.85)2 (3.43)2以堰顶为原点， 各 点坐标见下表：Y =/ =/:I / 04 I 13 I 84 : \2 : \3 I 80 I385b 、 下游段曲线 OB 采用 WES 曲线，方程为(4・ 3)xn=KHsn-1式中： K、n- 与上游坝面坡率 ( -6.y/-6.x) 有关的系数， 按《水工建筑物》 表 2 - 10 采用 。

由上游 面铅直即 ( _6, y/ _6, X) =3 : 0 , 查 得 K= 2. 000,n=l. 850 按 WES 曲线与中间直线段相切，中间直线 段坡率取为与挡水坝段相同为1:0. 7,令dy/dx=l: 0. 7 得切点B 的坐标为(33. 617, 25. 959)同样以堰顶为原点 坐标轴y轴向下为正向对方程列表计算，故OB段各点 坐标见下表：y0.01.02.04.06. 08. 010.012.0X0. 05. 7828.41012.23215. 23017. 79320. 07322. 152y14.016. 018. 020. 022.024. 025. 959X25.88027.58129.19730. 74132.22133. 61733.617B、中间直线段其上部与坝顶曲线相切，下部与反弧段曲线相 ，坡率与挡水坝段的 下游坝面 坡率相同， 取为1: 0.7c 、下部反弧段为使下泄水流平顺地与 下游水面衔接，常采用反弧曲线a、 效能方式的选择溢流坝消能防冲设计的任务是在尽可能短的距离内使 下泻水流的动能消耗 在水流内部的紊动和水流与空气的摩擦中 ，并与下泻水流平顺地连接起来，不产生 危机大坝 安全的河床或河 岸的局 部冲刷。

常用的消能方式有：底流消能，挑流消能，面流消能和席流消能各种消能 方式适用的条件不同底流消能适用与坝体 下游基岩软弱没有排冰或过漂浮物 要求的中低水头坝 ， 多 用于中小型工程挑流消能适用于基岩教完整，抗冲能力较强的 高中水头溢流 坝面流消能适用于尾水较深而水位流 量变幅不大，河床与两 岸抗冲能力较强的 中低水头坝，而席流消能适用千尾水较深，无 航 运或排漂要求，下游河床及两岸 抗冲能力较强情况考虑到 三 峡坝基基岩完整坚硬，水头较 高且有排冰排漂要求，经过比较选用 挑流消能挑流消能的设计要求：尽量使水股在空中扩 散和掺气的程度大，挑射距离 远，水舌入水角B小b、 鼻坎型 式的选择 常用的鼻坎型式有连续式和差动式两种连续式鼻坎构造简单，坎上水流平顺， 不易空蚀，水流挑距远；差 动式鼻坎消能效果较连续式好，但挑距较小， 坎壁易空蚀 ，施工复杂，故选用连续式鼻坎c、 鼻坎高程的确定假设鼻坎高程为H,由《水工设计手册》可查得以下一组公式：▼=劝$百.dl- 0.055k o.;IqkJi 5 zQh=—Vb本设计选用校核洪水位工况作为计算工况(4 •4)式中： q — 校核洪水位时的单宽流量，35260q = = 200 .34 m 3 I s ;22 X 8V — 异 坎 处 的 平 均流 速 ， m I s 飞汾 — 流 速 系数 ；Z —上下游水位差，本设计Z = 180 .4 - 83 = 97 .4m;h — 坎 顶 水 深 ， m;s — 上 游 水 位 到 异坎 高程 ， s 18 Q4 - H 。

溢可 !-代入 V,:坝 [段•-J2g(!8=- H)=b = 22 X 8 = 176 m;=0 .9 23x 4 .4 3 7x ../18 Q4 -H4 .086 180 .4 - Hd、反弧半径和挑角的确定v下切小位伐宁'”1图4L = 一［ v1 2 s n 0 cos0 + v co s 0 J sin 02 + 2g ( 1 + hzJ) g式中：L一水舌距离，m;(4 • 5)VI一 坎顶水面流速 ，约为鼻坎处平均流速，m;0 一 鼻坎挑角；h —坎顶平均水深h在铅直方向的。