第五章 泄水建筑物体型和轮廓尺寸选定的水力设计第一节 堰坝水流与堰型问题任何水利枢纽都有泄洪建筑物，为安全计，其泄流方式多采用表孔堰流枢纽中的拦河坝为混凝土坝时，常将一段拦河坝布置成溢流坝；拦河坝为土石坝时，一般须布置河岸溢洪道本节先以高溢流坝和河岸开敞式正槽溢洪道的控制堰为对象，讨论其体型选择和轮廓尺寸布置的有关水力学问题 一、溢洪道控制堰堰型及其水力特性 作为溢洪道的控制堰，其体型、尺寸和布置方式是溢洪道泄流能力的决定性因素不同的泄流能力，洪水期可能出现的水库最高洪水位和相应要求的坝高不同，因此，控制堰的设计是否合理，直接关系到枢纽布置方案的优劣这里我们仅从水力学观点分析一些主要堰型的水力持性 控制堰在平面上可呈直线或曲线一般大体积混凝土溢流坝、河岸正槽溢洪道都常将堰顶轴线布置为直线；溢流拱坝坝顶为曲线河岸溢洪道也有采用曲线堰顶布置的，如墨西哥式溢洪道，主要用于山区小型水库无闸门控制的溢洪道 控制堰的水力特性很大程度上取决于沿水流向垂直剖面的形态，剖面形态不同，其水力特性、适用条件也不同对于实用堰，首先应确定是非真空堰还是真空堰，是高堰还是低堰非真空堰与真空堰的区别，在于是否依赖堰顶附近水流底部的适当负压(真空度)来保证运行工况的泄流能力；高堰与低堰的区别，在于堰的上游堰高与堰顶运行水头之比是否足够大．从而使堰的泄流能力不再受此相对堰高的影响。
大部分溢流坝或溢洪道，为减免负压可能导致的有害后果，常采用非真空剖面堰，溢流坝通常属高堰；河岸溢洪道的控制堰既可能是高堰，也可能是低堰在实际工程中，适当控制堰顶负压值的真空剖面堰也不乏先例 (一)非真空实剖面高堰非真空实用堰的堰型选择原则，应以其能在较大的堰顶水头变化范围内有较大的流量系数，且堰面不产生危害性负压为标准这使人易于想到，实用堰堰顶曲线可按薄壁堰自由溢流水舌下缘进行构制早在1888年，巴赞(Bazin)首次用上述原则得到了巴赞实用堰剖面，认为沿该堰面溢流将不产生负压实际上，由于堰面粗糙和摩阻的存在，仍易产生负压近百年来，很多学者对巴赞剖面进行了修正，基本思想是：将堰面外形稍稍伸入薄壁堰温流水舌下缘内，以免产生负压克里格尔(c舱a8er)剖面即其中之一我国以往采用较广的是克一奥剖面，则是奥菲采洛夫由克里格尔剖面线与水舌下缘线折中而得，给出该线的x、y对应坐标值克一奥堰适用于堰高与堰顶水头只之比P／H—5的高堰溢流状态．以设计水头运行时，其流量系数m＝o．49 近年来我国许多高溢流坝设计均采用美国陆军工程师团水道试验站(U．S．Army corps of Engineer，Waterways Experiment station)基于大量试验研究所得的WES堰，见图5—I。
与克一奥堰相比，其主要优点是：流量系数较大；剖面较瘦，从而节省工程量；以设计水头运行时堰面无负压；堰面曲线以连续方程给出，便于设计施工设计定型水头为Hd时，堰顶下游堰面曲线方程为： (5—1)式中：参数k、n可根据上游临水堰面是否倾斜，以及行近流速水头能否忽略，而有不同适应值和型号表5—1示出各型WES堰剖面曲线方程参数，表中各参数含义如图5—1(b)所示5-1 WES堰5-1 WES 剖面曲线参数WESⅠ型堰具有倒悬堰顶，如图5—2(b)所示适应于溢流坝与非溢流坝基本剖面匹配时，前者偏大的情况，可避免工程量的浪费堰顶形态取决于图中阴影线所示薄壁堰自由水舌线的下线，故与设计水头、悬顶高度M都有关堰顶定位坐标、以及上下游堰面曲线方程参数都要依据M／Hd值，用WES给出之图解确定(本书从略)但为了使其与WESⅠ型堰具有同等溢流特性，实际工程中常使据试验研究表明，这时堰面曲线可完全沿用WESⅠ型上游面倾斜的WES堰实乃美国垦务局USBR)的主要研究成果，经WES进一步验证归纳面列入其《水力设计准则》的WESⅢ、Ⅳ、Ⅴ型堰分别具有3：1、3：2、3：3的倾斜上游面，其中前两者也适用于高堰工作状态；后者既可用于高堰，也可用于低堰。
用于高堰时下游堰面曲线仍用式(5—1)，k、n值按表5—l取值；堰顶上游曲线则用表5—l中各半径之圆弧与上游坡面相接图5-2 WESⅠ型和Ⅲ型堰（a）Ⅰ型堰 （b）Ⅲ型堰我国工程科技人员对用于溢流坝的高堰体型也作过不少研究现行《混凝土重力坝设计规范》和《混凝土拱坝设计规范》建议的体型曲线既引用了WESⅠ型和WESⅢ型的下游堰面线，又辅以我国的研究成果，对堰顶上游统一用式(5—2)所示的椭圆曲线(图2-3)取代原WES堰的圆弧连线： （5-2）式中：a、b分别为椭圆的长、短半袖与设计水头之比当上游面铅直时，a和b可按以下建议值选定a＝o．28一o．30，＝o．87十3a图5-3 溢流坝坝顶堰型 我国现行规范附录中对定型设计水头建议取月＝(o．75一o．95)，这里，相当于水库水位为校核洪水位时，堰顶最大运行水头当采用倒悬堰顶时，要求众d＞／2(图5—3)，以取代前述WES[型堰对M的要求以高堰状态工作的溢流堰(坝)，除顶部曲线如上所述外，堰顶下游堰面线末端一般与某一已定斜坡的直线相切，如图5—1所示BC段，其下一般还要有一反弧段CD，以便与坝消能工(消力池护坦或挑流鼻坎等)衔接。
为使水流平顺，反弧半径R不能太小，反弧处流速越大,R也应越大，下列经验公式可供参考： (5-3)式中：v为反弧处平均流速，m／s；H为堰顶水头，mWES堰的泄流能力已有大量的试验研究成果以WESⅠ型堰而言，设堰顶水头 (包括行近流速水头在内)，定义过堰单宽流量为： (5-4)式中：表征泄流能力的流量系数m与相对上游堰高相对堰顶水头月／有关如图5—4所示，对于1. 33且／的情况,＝o．502，即为以设计水头运行时的流量系数对于其他运行情况，图中汇总结出了据 、求取m／的曲线这些曲线对于满足的WESⅠ型堰也可应用对于WESⅢ、Ⅳ、Ⅴ型堰，周文镕给出了取决于堰面上游面坡度的流量系数近似修正曲线，示于图5—4左上角按照WESⅠ型堰，流量系数M乘以修正系数c即得相应上游面的流量系数值图 5-4 WES堰的流量系数 WES堰的堰面压强分布规律己有较多试验研究成果图5—5所示为WES型堰面压力水柱高与之比沿的分布规律，这里x为以堰顶为原点的水平坐标值通过上述分析，可得出以下几点结论： 图5-5 WESⅠ型堰堰面压强分布(1)上游相对堰高1. 33时，P对流量系数已无太大影响，亦即WES堰的高、低堰界限大致为＝1．33，这样并不严谨，后面将进一步讨论。
(2)对于既定堰型，流量系数m随相对堰顶水头从加大而加大／＝l时，则m＝＝0．502；／＜1时，m＜；Ho／＞l时，m＞但当达到1.3左右，m的加大缓慢了 (3)当／＜1时堰面元负压；当／＞1时堰面出现负压，并随／加大而加剧，当／＝1．33时负压水柱可达o．5左右 (4)为使实际运行时m较大而负压绝对值又较小，对于WES高堰剖面设计．按照规范，常取＝(o．75一o．95) ，亦即将最大运行水头限制在＝(1．33一1.05) 之间由此可知，在实际工程中WES高堰常满足1. 33，且／<1.33正是在这样的情况下，它与克一奥堰等其他堰型相比，才有明显的优越性其优越性不但表现在流量系数大、剖面瘦和设计施工方便，还表现在由低堰到高堰所需值不大 综上所述，以高堰状态工作的溢流坝，可采用WES堰或在此基础上稍加衍变的体型 (二)低堰水力特性和堰型选择 低堰水力特性除受堰型和水头影响外，还与上、下游堰高有关，影响因素多，问题较复杂，研究成果不如高堰成熟，工程实践中采用的堰型样式繁多以往较著名的低堰主要出白美国垦务局USBR)和陆军工程师团水道试验站(WES)，此外还有克一奥堰。
基于蒲壁低堰自由溢流水舌试验资料提出的USBR堰，其堰面曲线上游段由两段圆弧组成，如图5—6所示，参数、、、可由图5—7所示的关系曲线确定，其中，为行近流速水头，为定型设计水头下游段由下列函数形式的幂曲线表示 （5-5） 式中：参数k、n值可由图5—8确定图 5-6 USBR 堰型示意图图2-7 、、、与的关系图2-8 k、n与的关系USBR低堰的流量系数m可由式5—4)定义根据美国垦务局建议，可分如下4步求取(1) 据上游堰高与定型设计水头之比，由图5—9求取上游面直立情况下，以运行且下游堰高无影响时的流量系数图2-9 与的关系(2) 对于运行水头情况，则用图5—10按查取水头修正系数图 5-10 与的关系 (3)对于上游非直立情况，则用图5—11，由上游面坡度和相对堰高查取坡度修正系数图 5-11 与的关系(4)对于下游堰高有影响情况，垦务局给出了下游堰高影响系数的曲线原曲线横标以给出(、d的含义见图5—12)，但由于，亦即，故可换用为横标按图5—12曲线查取最后得m为： （5-6） WES低堰又可分为两种体型： (1)具有直立上游面的堰型。
其堰顶曲线形式与WESI型堰顶部相同，亦即将高堰堰顶直接移用于低堰其流量系数可由图5—4查取当相对运行水头＝0.6、o.8、1.o、1.33时，还可用下列经验公式计算： （5-7）图 5-12 与的关系 （5-8） （5-9） （5-10） 以上求流量系数的方法只适用于下游堰高很大以致对溢流无影响的情况要计入下游堰高影响时，问题就变得复杂得多，水道试验站只给出堰高和反弧半径R=的堰以运行时，流量系数的变化规律，如图5—13所示图 5-13 上游面直立的WES低堰m与的关系图 5-14 上游呈 的WES低堰(2)上游面呈45斜坡的WES低堰，如图5—14所示这种堰实际上仍是以美国垦务局的薄壁堰水舌资料为基础构制的堰顶下游段堰面曲线仍采用式(5—1)的幂曲线，堰顶上游曲线则为： （5-11）堰面曲线的5个参数k、n、、B、．以及堰顶定位坐标、，都须由行近流速水头与定型设计水头之比推求取决于的关系，如图5—15所示k、n、、由图5—7和图5—8查出，、B和则示于图5—16目前，对这种堰的水力特性的全面研究很不够，水道试验站只给出了＝1且下游堰高无影响时的流量系数，如图5—17所示。
图5—17所示的m比USBR低堰相应的m稍大图 5-15 与的关系 关于克一奥型低堰，由于其体型直接移用高堰曲线，原有缺点照样存在，已无特色可言在此处不再赘述图 5-16 、B、与的关系图5-17 m与的关系 由于工程实践的需要，近年来，我国科技人员对低堰水力特性亦进行了不少试验 研究和计算分析，丰富了人们对低堰的认识 山东省水利科学研究所以我国工程上应用较多的WESI型低堰为对象，进行了大量试验当下游堰高相对上游堰高足够大(视)，而无影响时，表征泄流能力的流量系数为： （5-12）整理此试验资料，可得一簇曲线，如图5—18所示该图表明了如下持性：①m确与、两者有关，对于给定的 (即堰型既定)，m先随加大而加大，而后又随加大而减小，m有一极值存在，回顾反映高堰状态泄流特性的图5—4，没有揭示出这一特性，显然是由于该图所据试验资料仅限于＜1.33之故；②极值m的大小随加大而加大，而。