溢流坝段设计

溢流坝段设计
一、孔口设计
1、孔口形式
本设计溢流坝段采用开敞式溢流坝，孔口形式采用坝顶溢流式，堰顶不设闸门，所以溢流堰堰顶高程即为正常蓄水位605m。

2、孔口尺寸
本设计溢流堰净宽51m，每孔净宽17m。

二、溢流坝剖面设计
溢流坝曲线由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成，溢流面曲线采用WES曲线。

1、设计依据
《溢洪道设计规范》（SL 253-2002）
2、基本资料
有上述资料可得出H max=5.97m。

3、溢流曲线设计
溢流曲线具体尺寸要求如下图一所示，其中H d为堰面曲线定型设计水头设计水头，规范要求按最大作用水头H max的75%到95%计算，本设计采用80%倍的H max，所以H d=4.78m。

上游堰高P1=42m>1.33H d=6.35m，所以本设计为高堰流量系数m d=0.502。

1)
曲线参数计算表
2)、下游曲线段
下游曲线段计算公式为：
1
n n d x kH y
-=
式中：H d 为堰面曲线定型设计水头；
x ，y 为原点下游堰面曲线横纵坐标； n 与上游堰坡有关； k 当P 1/H d >1.0时，k 值由规范查取，当P 1/H d ≦1.0时，k 取2.0到2.2。

上游堰坡垂直，所以由规范查的n=1.85；P 1/H d =8.8>1.0，所以由规范查的k=2.0。

综上所述，本设计溢流堰堰面曲线段公式为：
()
()
1.85
0.5
d
d
y x H H =
经excel 计算可得堰面曲线计算表如下表所示：
3）、中间直线段
直线段与曲线段的切点计算如下所示：
0.850.851.85120.7y
x d d x d H =-=-
代入数据计算可得：
7.97t x m
= 6.154t y m
=
4）、下游反弧段
本设计采用挑流消能，由规范查的反弧段半径R=(4~10)h 0，式中h 0为校核水位闸门全开时挑流鼻坎反弧段最低点处的水深。

挑流鼻坎高程取579.00m （下游最高水位577.54m ）。

反弧段最低点流速：
v =式中：φ为堰面流速系数，由长江流域规划办公室提供的公式初步确定为：
0.51/31/3(10.055/)(10.055/0.2778)0.93E k ϕ=-=-=
23.29/v m s
===则
1836.76 1.5523.2951m c q h m vB =
==⨯水深
反弧段半径R=(4~10)h 0，本设计反弧段流速为23.29m/s>16m/s ，但流速也不是很大，同时考虑反弧段要与中间直线段相切，所以取R=6.42h 0=9.95m 。

综上所述，溢流面初步拟定的剖面如下图所示:
4、消能防冲设计
本设计采用挑流消能，挑流鼻坎采用连续式鼻坎；挑射角规范要求在20̊ 到35̊之间，本设计取挑射角θ=30̊；反弧段半径R 规范要求取（4~10）h 0，h 0为校核水位闸门全开时挑流鼻坎反弧段最低点处的水深；鼻坎高程规范要求高于下游最高水位1~2m ，本设计下游最高水位577.54m ，鼻坎高程取为579.00m 。

1）、挑射距离计算
由于冲坑最深点大致落在水舌外缘的延长线上，故跳射距离可按下式估算：
2
111[sin cos cos L v v g θθ=
+
式中：L 为水舌挑射距离；
V 1为坎顶水面流速，按鼻坎处平均流速v 的1.1倍计，即：
1 1.1v =式中：H 0为库水位至坎顶的落差，φ为堰面流速系数；
h 1为坎顶平均水深在铅直方向的投影，即h 1=hcos θ； h 2为坎顶至河床面高差。

由上面计算可得v=23.29m/s ，所以v 1=1.1×23.29=25.62m/s ；
h 1=1.55cos θ=1.34m ；h 2=579-563=16m ；把这些数值代入挑射距离的计算
公式有：
L=68.79m
2）、冲坑深度计算
最大冲坑深度的数值与很多因素有关，特别是河床的地质条件，目前估算公式很多，设计规范推荐按下式计算：
0.50.25
k t q H α=
式中:t k 为冲坑深度；q 为单宽流量；H 为上下游水位差；ɑ为冲刷系数根据规范本设计取为0.8。

代入数值计算得：
t k =11.54m
L/t k =5.96>5，不会对坝体安全造成威胁所以满足挑流设计要求。

5、底孔设计
底孔主要作为排沙孔，也有宣泄洪水、防空水库的功能。

底孔设在非溢流坝段，进口中心线高程580.00m ，空口尺寸3×3m 。

本设计底孔为有泄进水孔，包含进口段、空身段和出口段。

工作闸门布置在出口，闸门采用平板闸门。

事故检修闸门设在进口段之后，检修闸门也采用平板闸门。

1）、进口段
进口段曲线应满足下列要求：①减小局部水头损失，提高泄流能力；②控制负压防止空蚀。

进口曲线常采用1/4椭圆，其方程为：
22
221()x y A A α+=
椭圆长轴（x 轴）多与孔轴平行。

对于矩形断面的泄水孔的顶面曲线，A 为
孔高，ɑ采用1/3~1/4；空口两侧壁曲线也用椭圆曲线，A 为孔宽，ɑ采用1/4；进口段底部边界线采用圆弧。

进口段的中心线，一般布置成水平。

根据上述要求，进口段顶面ɑ取1/3，其曲线方程为：
2
219x y +=
两边侧壁的曲线方程为：
22190.5625x y +=
2）、空身段
空身段采用圆形断面，直径为3m 。

3）、渐变段
本设计有压泄水孔断面为圆形，所以在进口闸门后需设渐变段，以便水流平顺过渡，防止负压和空时产生。

渐变段可采用在矩形的四个角上加
圆弧的办法过渡，本设计工作闸门不知在出口，所以在出口段也需要设置渐变段。

渐变段工作复杂，不宜太长，一般采用洞身直径的1.5~2倍，边壁收缩率在1:5~1:8之间。

在坝身有压泄水孔末端，水流从压力流突然变成无压流，引起出口附近压力降低，容易产生顶部负压，所以在出口常设1:10~1:5的斜坡，面积收缩率为0.85~0.90。

根据上述要求，渐变段长度取洞身长度直径的1.5倍，L=4.5m ；边壁收缩率1:8；出口段顶部设1:10的斜坡，面积收缩率为0.85。

6、水面线计算 1）、堰顶部分
坝顶头部水面线坐标X/H d 和Y/H d 可查《水工设计手册第六卷.泄水与过坝建筑物》P6-181表27-2-5进行插值计算。

H d =4.78m ，H/H d =1.25，具体计算过程如下表所示：
坝头部水面线计算表
2）、直线部分的不掺气水面线求解
①切点坐标（X t ，Y t ）已经确定为（7.97，-6.154）。

②求曲线长度L c,t ，查《水工设计手册》第六卷泄水与过坝建筑物图27-2-5，得L c,t /H d =2.08，所以L c,t =9.94m 。

③求直线段长度L s ，从切点到直线上任意一点（x i ，y i ）的距离计算公式为：
,sin i t
s i Y Y L α-=
式中:sin=0.82。

④从堰顶曲线起点到点（x i ，y i ）的距离L=L c,t +L s,i 。

⑤计算边界层厚度。

公式为：
0.10.02()mm L
L K δ-=，式中K 取0.45。

列表计算如下所示
:
边界层厚度计算表
⑥势流水深h p 试算，试算公式为：
2
2
cos 2i p p
q H Y h gh α+=+
失算过程如下：对于每一个Y i ，假定一个h p ，通过计算得到另一个h p 值，再将得到的数值代入，依次进行下去，直到获得两个相等的数值为止。

现以Y i =6.154为例，试算如下表所示：
势流损失h p试算表
由上表可以看出，Yi=6.154时，hp的试算结果为2.479。

按照这样的方法，最终的试算结果如下表所示：
势流损失h p试算汇总表
⑦正交于坝面的坝面水深h=h p +0.18δ，所以将上述计算综合得出正交于坝面
的坝面水深h 如下表所示：
坝面水深计算表
3）、反弧段水深计算
1836.76 1.5523.2951m c q h m vB =
==⨯水深
4）、溢流坝段边墙高度的确定
水面线安全超高规范要求取0.5~1.5m ，非直线段适当增加。

本设计堰顶曲线处的边墙高度高出水面线1.5m ，直线段的边墙高度高出水面线1m ，反弧段的边墙高度高出挑坎水深1.5m 。

地基高程563m
堰顶高程605m
鼻坎高程579m
1:0.1
1:
0.7。