溢流堰设计说明书.doc

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第4章溢流坝段表孔设计
溢流坝段既是挡水建筑物,又是重力坝枢纽中最重要的泄水建筑物。设计时,除了应知足稳固和强度要求外,还要知足因泄水带来的一系列要求,包含:
(1)拥有足够的孔口体形尺寸和较高的流量系数,,以使之拥有足够的溢流能力。
(2)应拥有优秀的孔口体形,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洗。
(4)溢流坝段在枢纽中的地点,应使下游水流流态平顺,不产生折冲水流,不影响枢纽中的其余建筑物的正常运转。
(1)又灵巧靠谱的下泄水流控制设施,如闸门启闭机等
确立溢流断面长度
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、枢纽部署、下游河流水深和消能工设计等要素,经过技术经济比较后选定。单宽流量愈大,所需的溢流前缘愈短,对枢纽部署有益,但下泄水流动能大,对下游消能防冲不利,。最近几年来随
着消能工技术的进步,选定的单宽流量也不停增大。
本设计中,三峡坝之下游段地质条件优秀,故可假定单宽流量据此可假定溢流坝段长度。
3
(1)设计洪水位工况下:Q=23540m/s
则可假定
Q
23540
L

q
200
3
(2)校核洪水位工况下:Q=35260m/s
则可假定
Q
35260
L

q
200
选用两者中的最大值,
本设计采纳平面钢闸门形式,因其结构简单,并且闸墩受力条件优秀。取孔口净宽为b=8米。
a、计算孔口数:
(1)设计洪水位工况下:n


8
(2)校核洪水位工况下:n


8
由此可确立孔口数为22孔。
据此计算Q溢=22×8×200=35300m3/s,知足设计洪水位和校核洪水位工况下所需的下泄流量。
b、闸门部署:
溢流坝段表孔采纳平面钢闸门,常用的部署有跨缝部署和跨墩部署,此中跨缝部署能够减少闸墩长度,但对地基要求较严格,若产生地基不均匀沉降则对闸
门启闭运转极为不利,而跨墩部署能够适合放松对地基的要求,但是却增添了闸门的长度,使整个溢流坝段长度增大,对其经济性产生影响。综合各方面要素,基于三峡工程所在地地基条件优秀,应采纳跨缝部署。经考虑论证后选用闸墩厚度为13m,则每段坝长为13+8=21m。
c、溢流坝段前缘总长:
溢流坝顶装设闸门时,用坝墩将溢流坝段切割成若干个等宽的孔口。设孔口宽度为b,则孔口数n=L/b。,令闸墩厚度为d。
闸门段长L=22×8+(22-1)×13=449m
由于采纳跨缝部署,考虑深孔的交织部署(深孔为23孔,由下章可知),故其溢流坝段前缘总长为:
L0=L+2d+b=483m。.
堰顶总水头确实定
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H0。利用堰流公式计算
0:
H
Q溢=nb
sm2gH03/2
(4·1)
式中:Q溢—表孔下泄洪水的流量,有设计资料
Q溢=23540m3/s;
n—孔口数,22;
—表孔净宽,8m;
—闸墩侧缩短系数,与墩头形式相关,初拟时可取,本计设计
取;
—吞没系数,因其为自由出流,故取;
m—流量系数,以三峡工程为高坝,初拟时依据水工建筑物经验可预约P1/Hd≥,能够不计行近流速,取m=。
H0-堰顶设计总水头。
将各参数代入上式,得堰顶设计水头:
H0=
则:
堰顶高程=设计水位-堰顶水头
175-
=
本设计取158m。
查验:
P1
联合本设计结果,。故能够不计行近流速,知足假定条件。
Hd
综上所述:本设计溢流表孔坝段分红23个坝段,分缝部署故有22个孔口;采纳平面钢闸门,闸门宽8米,堰顶高程为158米。
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构成。设计要求为:①有较高的流量系数;②水流平顺,不产生有害的负压和空蚀损坏;
③体形简单,造价低,施工方便。
定型设计水头确实定
Hs定型设计水头即坝剖面设计时采纳的堰顶水头,一般取校核水位时堰顶水头Hzmax的75%-95%,并知足以下要求:①遇校核水位闸门全开时,
堰顶邻近出现的负压不得超出3-6m水柱;②遇常遇洪水位(等于或低于20年一遇的洪水)闸门全开时,坝顶邻近不得出现负压。
Hzmax=校核洪水位-堰顶高程==
当实质来水的堰顶水头HZ高出HS时,堰顶邻近将出现负压,HZ高出HS愈大,负压值愈大,明显,碰到校核洪水位,即HZ=HZmax时,堰顶邻近将出现最大负压值。
采纳不一样定型设计水头时堰顶邻近可能出现的最大负压值见下表:
HS/HZmax

HS
最大负
压值
当实质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,因此要考虑有必定的负压值,但负压值不宜过大,不可以超出规范规定的3~6米水柱,本设计取用HS=,即最大负压值为
Hs=90%Hzmax=90%×=
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三部分构成。设计要求是:①有较高的流速系数;②水流平顺,不产生有害的负压和空蚀损坏;③体形简单,造价低,施工方便。如图4—1
图4—1
A、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
符合。本设计采纳WES型曲线,此曲线又以堰顶O为界分为上游段AO和下游
段OB。
图4·2
a、上游段AO应有益于改良堰面压力和流速散布,提升流量系数,宜用1/4椭圆曲线,其方程为
x2
(bHsy)2
1
(4·2)
(aHs)2
(bHs)2
式中:aHs、bHs-椭圆的长、短半轴,因上游坝面铅直,可取
a=3a本设计
取a=、b=,即:
aHs=×=
bHs=×=
方程简化为:
x2
y2
1

2

以堰顶为原点,各点坐标见下表:
Y
X
b、下游段曲线OB采纳WES曲线,方程为
xn=KHsn-1
(4·3)
式中:K、n-与上游坝面坡率(△y/△x)相关的系数,按《水工建筑物》
表2-10采纳。由上游面铅直即(△y/△x)=3:0,查得K=,n=。
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:,令dy/dx=1:得切点B的坐标为(,)
相同以堰顶为原点,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:
Y
X
Y
X
B、中间直线段
其上部与坝顶曲线相切,下部与反弧段曲线相切,坡率与挡水坝段的下游坝面坡率相同,取为1:。
C、下部反弧段
为使下泄水流平顺地与下游水面连接,常采纳反弧曲线。
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耗费
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结起来,不产生危机大坝安全的河床或河岸的局部冲洗。
常用的消能方式有:底流消能,挑流消能,面流消能和戽流消能。各样消能方式合用的条件不一样。
底流消能合用与坝体下游基岩脆弱没有排冰或过飘荡物要求的中低水头坝,多用于中小型工程。挑流消能合用于基岩教完好,抗冲能力较强的高中水头溢流坝。面流消能合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,而戽流消能合用于尾水较深,无航运或排漂要求,下游河床及两岸抗冲能力较强状况。
考虑到三峡坝基基岩完好坚硬,水头较高且有排冰排漂要求,经过比较采纳挑流消能。
挑流消能的设计要求是: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β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。连续式鼻坎结构简单,坎上水流平顺,不易空蚀,水流挑距远;差动式鼻坎消能成效较连续式好,但挑距较小,坎壁易空蚀,施工复杂,应采纳连续式鼻坎。
c、鼻坎高程确实定
假定鼻坎高程为,由《水工设计手册》可查得以下一组公式:
V
2gS
31


k1
q
k1

gZ
Q
h
Vb
(4·4)
本设计采纳校核洪水位工况作为计算工况
式中:q—校核洪水位时的单宽流量,q
35260
;
22
8
V—鼻坎处的均匀流速,m/s2;
—流速系数;
Z—上下游水位差,;
h—坎顶水深,m;
b—溢流坝段净宽,本设计b228176m;
s—上游水位到鼻坎高程,。
代入可得鼻坎处的均匀流速为:
V
1

?

3
q



d、反弧半径和挑角确实定
图4·2
L
1[v12sincosvcosv1
2sin2
2gh1h2]
(4·5)
g
式中:L—水舌距离,m;
m;
—坎顶水面流速,约为鼻坎处均匀流速,
—鼻坎挑角;
—坎顶均匀水深h在铅直方向的投影,m;
—坎顶至下游河床面的高差,m;
g—重力加快度,
反弧半径R可按(4-10)h采纳,h为校核水位闸门全开时反弧段最低点处的水深。本设计取用R=6h。
将鼻坎处的均匀水深代入得:
v1



H
h1
hcos
Qcos

cos
V

H
选用坝基高程为5m,则:h2H5
溢流坝段的简化图如(图4·3)
O
E
αA
C
Bθ
△H
G
D

由上图依据几何知识得:
依据三角形基本剖面知:tan
,
则得:BD
Rsin,OBRcos
AC
Rcos

OA
Rsin

AB
OAOB
Rcos

C点高程为:HC
H
AB
HRcos


H
Rcos
鼻坎到上游的距离为:
L1ECACBD



sin
反弧段半径:
R6h
Q
635260

6

H
22
8

H
v1b
则:L1




sin

H
综上所述:用Excel进行试算,过程见(附表
4·1)。
本设计综合考虑,表孔和深孔的泄流不发生矛盾,同时也不与深孔的冲坑相
复合,以及工程量的实质施工关系
故而取H
90m,
10o。
进而得:


h



为使水流转向平顺,本设计取R30。
点高程为:
H'
9030cos100

e、计算最大冲坑深度
冲坑深度取决于水流的冲洗能力和河流的抗冲能力。开始泄流时,前者大于后者。河床被冲洗形成冲洗坑。跟着冲洗加深,水垫高度加大,入射水流得以缓冲,动能和冲洗能力减小,直至两者均衡时,冲坑深度趋于稳固。本设计按溢流坝段右端进行计算。
规范(SDJ22-78)介绍采纳以下经验公式估量最大冲坑水垫厚度:
tk

(4·6)
式中:tk—水垫厚度,自水面算至坑底,
m;
q—单宽流量,校核洪水位工况下
q=
35260
,
228
设计洪水位工况下q
23540
22

8
H—上下游水位差,校核洪水工况下:
H==;
设计洪水工况下:H=175-62=113m;
—冲坑系数,对坚硬完好的岩石,=~,取=。
将各参数代入式中,得:
校核洪水工况下:tk






下游水深:ht
83
479>
故河床不形成冲洗坑,知足条件。
设计洪水工况下:tk


113



下游水深:ht
62
458>
故河床不形成冲洗坑,知足条件。
导墙设计
不掺气水面线确实定
a、WES型溢流坝面的与下游直线段的切点坐标(Xt,Yt)可按下是求得
Xt


(4·7)
Yt


式中:Hd—定型设计水头,
—坝坡系数
有前设计得,切点坐标为(,)
b、曲线段长度LC
依据《水工设计手册卷六》,关于WES曲线LC由X/Hd查算,此中X从堰顶开始向下游计算。
X
Xt

Hd
Hd


LC

查表得:
Hd
LC


则:上游堰面长度为L1


下游堰面长度为L2
LC
L1

c、直线段长度
从切点到直线上随意一点(Xi,Yi)的距离
Lsi
4·8)

Yyt
sin
式中:—直线段坝面与水平方向的夹角,本设计为



LS

d、从堰面顶曲线起点到(Xi,Yi)的坝面距离
LLstLsi
(4·9)
到反弧段起点的距离:


e、界限层厚度


L
K
(4·10)
式中:K—坝面粗拙系数,关于混凝土坝面,一般取(~)㎜
,本设计取㎜.
则反弧段起点的界限层厚度为





103

f、计算单宽流量
3
qm2gH2
(4·11)
式中:H—堰上水头,本设计取校核洪水时的水头H=;
—水头H时的流量系数,本设计考虑到施工放样时偏差和堰面
平坦,按水工建筑规范取m=;
g—重力加快度。
校核洪水位时的单宽流量:
3


g、试算法推求势流水深hp
采纳公式为: