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1、4 溢流坝段设计4.1 孔口设计 泄水方式的选择：为使水库有较好的超泄能力，结合本工程实际情况，采用开敞式孔口溢流。 洪水标准的确定：本次设计的主要建筑物级别为3级，根据规范水利水电枢纽等级划分及洪水标准查山区、丘陵区水利工程建筑物洪水标准，采用50年一遇的洪水标准设计，500年一遇的洪水校核。 流量的确定：由基本资料可知，设计洪水情况下，溢流坝的下泄流量为8640；校核洪水情况下，溢流坝的下泄流量为11840。 单宽流量的选择：坝址处基岩比较坚硬完整，综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，单宽流量取120。 孔口净宽的拟定：分别计算设计和校核情况下溢洪道所需孔口宽度，计算成果如下：根据公式B=
2、Q/qB=8640/120=72m根据以上计算，取每孔净宽b=16m，孔数=5，则实际溢流坝孔口净宽为80m， 溢流坝段总长度（溢流孔口的总宽度）的确定：根据工程经验拟定闸墩的厚度为：中墩厚4m，边墩厚3m；则溢流坝段的总长度为: 堰顶高程的确定：由堰流公式： 式中：Q流量 淹没系数。不淹没时取1.0 m流量系数。 侧搜索系数。n孔数b单孔净宽拟定侧收缩系数0.92，流量系数0.502，因为过堰水流为自由出流，故1，c=1.0，由堰流公式：，计算堰上水头，再计算堰顶高程，如表4-1所示。表4-1 堰顶高程计算表格计算情况水位（m）流量（m3/s）侧收缩系数流量系数m孔口净宽（m）堰上水头（m）
3、堰顶高程（m）设计情况131.8386400.920.5028014.1117.73校核情况135.82118400.920.5028017.4118.42所以，堰顶高程取117.73m。 闸门高度的确定，计算如下：门高正常蓄水位堰顶高程(0.10.2)130-117.73+0.1=12.37m ，查规范取门高为13m。 定型设计水头的确定：堰上最大水头校核洪水位堰顶高程135.82-117.73=18.09，定型设计水头(75%95%)13.5717.19m取16.3m, /=16.3/18.09=0.91经查表4-2可知，坝面最大负压0.182.9m，小于混凝土重力坝设计规范最大负压不超过
4、36水柱高度，符合要求。表4-2 堰面可能出现的最大负压0.750.7750.80.8950.8750.90.951最大负压0.50.450.40.350.250.20.10 泄流能力校核：先由水力学公式计算侧收缩系数，然后计算不同作用下的流量系数，根据已知条件，采用堰流公式 (4-1)来校核堰的泄流能力，计算结果见表4-3：根据水力学查得；m=0.49， 的取值是由水力学公式 （4-2）计算得到， =1-0.2+(n-1)/(nb) (4-2)表 4-3 孔口泄流能力校核计算情况流量Q(/s)侧收缩系数流量系数m孔口净宽（m）堰上水头（m）流量Q（/s）Q-QQ100%设计情况86400.9
5、20.498014.184532.1%5%校核情况118400.890.5078018.09122963.8%5%由计算结果知：孔口的泄流能力满足要求。4.2 消能防冲设计通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大能量，所以要采取有效的消能措施，保护下游河床免受冲刷。消能设计的原则：消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨蚀，以保证坝体和有关建筑物的安全。设计时应根据坝址地形，地质条件，枢纽布置，坝高、下泄流量等综合考虑。消能设计的原则是：尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及与空气的摩擦上，且不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷，使下泄水流平顺；结构简单，工作可靠和工程量较少。溢流坝常用
6、的消能方式是：挑流消能、底流消能、面流消能和消力戽消能。挑流消能：利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床，与下游水流相衔接的消能方式。挑流消能通过鼻坎可以有效地控制射流落入下游河床的位置，范围和流量分布对尾水变幅适应性强，结构简单，施工、维修方便，耗资少，但对下游冲刷严重，堆积物较多，尾水波动与雾化都比较大，挑流消能使用于基岩比较坚硬的中、高水头各类建筑物，是一种应用非常广泛的消能方式。底流消能：通过水跃，将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除多余动能的消能方式。消能主要靠水跃产生的表面漩滚与底部主流之间的强烈紊动、剪切和掺混作用。底流消能具有流态稳
7、定、消能效果较好、对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，多用于中低水头。但护坦较长、土石方开挖量和混凝土方量较大，工程造价较高。面流式消能：利用鼻坎将主流挑至水面，在主流下面形成反向漩滚，使主流与河床隔开。主流在逐渐扩散而消能，反向漩滚也消除部分能量。反向漩滚流速较低且沿河床流向坝址，河床一般无需加固。但需注意防止水流裹夹石块，磨蚀坝址地基。面流消能适用于下游尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅不大，或有排水，漂木要求的情况。消力戽消能：消力戽的挑流鼻坎潜没在水下，形不成自由水舌，水流在戽内产生漩滚，经鼻坎将高速的水流挑至表面，其流态如所示。戽内的漩滚可以消耗大量的能量，因高速水
8、股在表面，也减轻了对河床的冲刷。消力戽适用于尾水较深（大于跃后水深）且变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸抗冲能力较强的情况。高速水流在表面，不需做护坦，但水面波动较大，其缺点与面流消能工相同。综合上述几种消能方式的优缺点，结合本工程的实际情况，选择消力戽消能。图4.1 消力戽消能1- 戽内漩滚； 2-戽后底部漩滚； 3-下游表面漩滚； 4-戽后涌浪消力戽设计的主要内容是：确定反弧半径，戽坎高度和挑射角度。要求做到：既要防止下游水位过低时出现自由挑流，造成严重冲刷，也要避免下游水面过高，淹没太大时，急流潜入河底淘刷坝脚。初拟尺寸参考下述经验：4.2.1挑射角目前兴建的工程，大多数采用挑角，少数
9、采用“”。试验表明，过去认为挑角为最优的是不完全恰当的。虽然挑角大，下游水位适应产生稳定戽流的范围增大；但是大的挑角将造成高的涌浪，使下游产生过大的水面波动和对两岸的冲刷，同时过大的挑角，也造成过深的冲刷坑。但挑角过小，则戽内表面漩滚易“冲出”戽外，并易出现潜底戽流。因此，根据具体情况，采用挑角=。4.2.2反弧半径R一般来讲，消力戽底反弧半径R越大，坝上水流的出流条件越好，同时增加戽内漩滚水体，对消能也有利；但当R大于某一值时，R的增大对出流状况的影响并不大。R的选择流能比有关，一般选择为H/R=2.18.4。本设计中选择H/R=5，而式中H=28m，因此得到R=4m。4.2.3戽唇高度a为
10、防止泥沙入戽，戽唇应高于河床，对于戽端无切线延长时，有a=R(1-cos)，因此得到a=1.2m。4.2.4戽底高程Z0戽底高程一般取与下游河床同高，其设计标准是以保证在各级下游水位条件下均能发生稳定的戽流为原则。戽底太高，容易发生挑流流态；戽底太低，虽能保证戽流流态产生，但降低过多，挖方量增多。因此，戽底高程的确定，需将流态要求和工程量的大小一并考虑，取Z0=102m，与下有河床一样高。4.3 溢流坝的剖面设计溢流坝基本剖面为三角形，一般其上游面为铅面直面或折线面，溢流面由顶部曲线、底部反孤段两部分组成。 见图4.2所示。 XY3 2图4.2 溢流坝剖面1-顶部曲线段 2-反弧段 3-切点
11、4-基本断面 5-溢流水舌4.3.1 上游侧曲线确定上游侧采用椭圆曲线，其方程为： （4-6）其中定型设计水头=16.3m，按闸门布置要求，取，b=a/(0.87+3a)=0.17，椭圆方程为： =1 （4-7）4.3.2 堰顶下游段堰面曲线确定曲线采用幂曲线： （4-8）式中 Hd 定型设计水头，此处为16.3m； k,n 与上游面的倾斜度有关的参数； x,y 为以堰顶点为坐标原点，x以向下游为正，y以向下为正；因上游面铅直，所以n=1.85 , k=2.0 ; 所以 即y=0.0467按上式算得的坐标值如下表44：表4-5 O点下游曲线坐标值（m）x12345678Y0.04670.168
12、0.3570.6070.9181.2861.7102.189x910111213141516Y2.7223.3083.9464.6355.3756.1657.0047.892根据表中数值可绘得堰顶下游曲线OC。4.3.3 反弧段确定反弧曲线的上端与上游幂曲线相切于D点，下游与河床相切于E点，D点、E点及反弧段曲线圆心O点的坐标，可用作图法确定。即切点D（22.02，14.22）,圆心（25.15，11.73），E(25.15，15.73)4.3.4 坝基宽度B的计算附加上鼻坎厚度1.2m,则整个坝基宽度为： B=25.15+1.2+40.707+4.9=34.1m 图4.3 溢流坝剖面示意图4
13、.4闸门与启闭设备的选型 目前工程中应用比较广泛的有平面闸门和弧形闸门。 弧形闸门和平面直开闸门均为方案选择中优先考虑的门型，弧形闸门的优缺点如下： 优点：可封闭相当大面积的孔口。 所需要高度和厚度较小。 没有影响水流流态的门槽。 所需启闭力较小。缺点：需要较长的闸墩。 闸门所占空间位置较大。 不能提出孔以外进行检修维护，不能在孔口间互换。 闸门所承受总水压力集中于支座处，对土建结构不利。平面闸门是使用广泛的一种门型，因为它能满足各种类型泄水孔道的需要，它的优缺点如下： 优点：门叶可以移出出口便于检修闸门。 所占顺水流方向的空间尺寸较小。门叶可以在孔口之间互换，故在孔数较多时，可兼做事故闸门和检修闸门。对移动式启闭机的适应性较好。 闸门所占空间位置较小。缺点：由于门槽的存在，特别是深孔平面闸门，会影响流道的平滑，容易引起空蚀破坏。 闸门启闭力较弧形闸门大，需用较大的启闭机。 对于露顶闸门，由于泄水时，闸门底部需高出最高水位，故工作桥排架较高。 结合本设计的具体情况
