溢流坝段剖面设计
溢流坝的剖面的堰面曲线设计
溢流坝的堰面曲线1．顶部曲线段溢流堰面曲线常采用非真空剖面曲线。
采用较广泛的非真空剖面曲线有克－奥曲线和幂曲线(或称WES 曲线)两种。
克－奥曲线与幂曲线在堰顶以下(2/5～1/2)H s (H s 为定型设计水头)范围内基本重合，在此范围以外，克—奥曲线定出的剖面较肥大，常超出稳定和强度的需要，如下图所示。
克－奥曲线不给出曲线方程，只给定曲线坐标值，插值计算和施工放样均不方便。
而幂曲线给定曲线方程，如式（1），便于计算和放样。
克－奥曲线流量系数约为0.48~0.49，小于幂曲线流量系数（最大可达0.502），故近年来堰面曲线多采用幂曲线。
（1）开敞式溢流堰面曲线。
如下图所示，采用幂曲线时按下式和下表计算：y KH x n sn 1-= （1）式中 H s ——定型设计水头，按堰顶最大作用水头H zmax 的75%~95%计算，m ；n 、K ——与上游坝面坡度有关的指数和系数，见表—1； x 、y ——溢流面曲线的坐标，其原点设在堰面曲线的最高点。
原点上游宜用椭圆曲线，其方程式为12222=-+）（）（）（s s s bH y bH aH x （2）图1 克奥曲线与幂曲线比较1－幂曲线；2－克奥Ⅱ型曲线；3－克奥Ⅰ型曲线式中 aH s 、bH s ——分别为椭圆曲线的长轴和短轴，若上游面铅直，a 、b 可按下式选取：a ≈0.28~0.30ba=0.87+3a当采用倒悬堰顶时（下图）应满足：d ＞2maxHz （3） 仍可采用式（2）计算图2开敞式溢流堰面曲线表1 K 、 n 值表上游坝面坡度 Kn铅直面：3：0 2.000 1.850 倾斜面：3：11.9361.836选择不同定型设计水头时堰顶可能出现最大负压值见下表。
表2 不同定型设计水头对应的堰顶最大负压表H s /H zmax0.75 0.775 0.80 0.825 0.85 0.875 0.90 0.95 1.00 最大负压值（m ）0.5 H s0.45 H s0.4 H s0.35 H s0.3 H s0.25 H s0.20 H s0.10 H s0.0 H s其他作用水头H z 下的流量系数m s 和定型设计水头H s 情况下的流量系数m 的比值见下表。
第五章 混凝土溢流坝和坝身泄水孔
第五章混凝土溢流坝和坝身泄水孔第一节概述坝身设有溢流面、底孔、中孔的重力坝称为泄水重力坝。
它既是泄水建筑物，又是挡水建筑物。
因此它除了应满足挡水建筑物的稳定强度要求外，还应满足水流条件、解决好下泄水流对建筑物可能产生的空蚀、振动以及对下游的冲刷。
一、泄水重力坝的泄水方式1、坝顶溢流式①从坝顶过水，闸门承受水头较小，孔口尺寸可以较大；②闸门全开时，下泄流量与水头的二分之三次方成正比③闸门启闭方便，易于检查修理；④可以排冰及其他漂浮物，但不能预泄；2、大孔口溢流式①为满足预泄要求将堰顶高程降低；②利用胸墙挡水减小闸门高度；③低水位时胸墙不影响泄流，和堰顶泄流相同；④胸墙可以做成活动式的，当遇特大洪水时，可将胸墙吊起来；⑤库水位较低时，不能供水和放空检修；3、深式泄水孔按孔内流态可分为有压泄水孔和无压泄水孔①流量与水头的二分之一次方成比例，超泄能力小；②闸门承受水头高，操作、检修都比较复杂；③可向下游供水、预泄、放空、排沙和施工导流；以上三种方式各有特色，应结合具体情况比较选择，一般可配合使用，但为简化结构、便于施工和运用，类型不宜过多.第二节混凝土溢流坝溢流坝基本剖面的确定原则与非溢流坝完全相同，为满足泄水的要求，其实用剖面将坝体下游斜面修改成溢流面。
溢流面形状应具有较大的流量系数，泄流畅，坝面不发生空蚀。
一、溢流重力坝的剖面设计1、溢流面1°溢流面顶部曲线视堰顶是否允许出现真空，有真空堰和非真空堰两种堰型，非真空堰曲线稍稍切入相应于薄壁堰的溢流水舌，使其在设计条件下坝面不致发生真空；真空堰较非真空堰瘦，堰面与自由水舌脱开，工程中常用的非真空堰有克奥曲线和幂曲线(WES), 如图5.1所示。
图5.1 溢流坝面图5.2 WES型堰面曲线要求：①堰面压力分布合理，无负压；②泄流能力大；定型设计水头H d (图5.3)当H(运)＞Hd时，出现负压，Q↑，负压需控制；当H(运)＜H d时，出现正压，Q↓.图5.3 孔口射流曲线2°直线段直线段的坡度取用非溢流坝下游坡度，并作调整，使其与非溢流坝在同一平面，上部与溢流曲线相切，下部与反弧段相切。
溢流坝段剖面设计
溢流坝段设计不设闸门的堰顶高程就是水库的正常蓄水位，库水位超过堰顶后就溢过堰顶泄向下游，这种型式结构简单、管理方便，适用洪水流量大、上游淹没损失不大的中小型工程。
坝顶表孔溢洪道优点：（1）结构简单，检查维修方便，（2）水流平顺，（3）便于排除漂浮物，不易堵塞，（4）泄流量与堰顶水头H 的3/2次，超泄潜力大。
但表孔位置较高，在开始泄流时流量很小，不能及时加大泄量降低库水位。
另外它不能满足排砂、放库等要求。
1.1 溢流堰泄流能力计算基本公式： 32s W Q Cm =σε 式中：Q —流量，m 3/s ；B —溢流堰净宽，m ；H w —堰顶以上作用水头，m ；g —重力加速度，m/s 2；m —流量系数，根据P/H d ≥3时，可取m=m=0.47～0.49,本设计取0.49； C--上游面为铅直时，C 取1.0；ε—侧收缩系数，取1.0；δs —淹没系数，取1.0；H w =(1438.1-1435.5) ⨯90%=2.34m333220.4925 2.34194.13/s w Q Cm m s σε==⨯=1.2 堰剖面设计溢流坝段的堰面曲线，当设置开敞式溢流孔时可采用实用堰曲线。
设计水头可以取0.75～0.95倍的校核水位时的堰上水头。
H d =H max ×90%=(1438.1-1435.5) ×90%=2.34m堰顶O 点上游三段圆弧的半径及其水平坐标值为R 1=0.5Hd=0.5×2.34=1.17mR2=0.2Hd=0.2×2.34=0.47mX 2=-0.276Hd=-0.276×2.34=-0.65mR 3=0.04Hd=0.04×2.34=0.09mX 3=-0.282Hd=-0.282×2.34=0.66m1.2.1 反弧半径的计算查溢洪道设计规范《SL 253-2000》2.5.4挑流消能可用于岩石地基的高中水头枢纽。
溢流坝段设计（1）
溢流坝段设计（1）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)、曲线上游圆弧段参数计算如下表所示：曲线参数计算表2)、下游曲线段下游曲线段计算公式为：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P1/H d>1.0时，k值由规范查取，当P1/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；P1/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：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：代入数据计算可得：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)h0，式中h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：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：反弧段半径R=(4~10)h0，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=6.42h0=9.95m。
第四章溢流坝段设计说明
第四章溢流坝段设计4.1孔口设计1.确定工程等级本工程基本资料防洪要求减轻洪水对A市和A平原的威胁，在遇到5000年一遇和1000年一遇的洪水时，经水库调洪后，洪峰流量由原来的12100立方米/秒、10900立方米/秒分别削减为6350立方米/秒、5750立方米/秒。
要求设计洪水时最大下泄流量限制为6550立方米/秒。
其他参数见表4。
4-1由此可以确定水工建筑物工程等级为Ⅰ级。
2.孔口形式选择溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。
因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺，不产生空蚀破坏。
溢流坝的泄水方式主要有以下两种：（1）开敞溢流式除泄洪外，它还可排除冰凌或其它漂浮物，如图 1 所示。
堰顶可设置闸门，也可不设。
不设闸门时，堰顶高程等于水库的正常高水位，泄洪时库水位雍高，从而加大了淹没损失，但结构简单，管理方便，适用于泄洪量不大、淹没损失小的中小型工程；设置闸门的溢流坝，闸门顶高程大致与正常高水位齐平，堰顶高程较低，可利用闸门的开启高度调节库水位和下泄流量，适用于大型工程及重要的中型工程。
闸门在顶部，操作方便，易于检修，工作安全可靠，所以，开敞溢流式得到广泛采用。
（2）大孔口溢流式为了降低堰顶闸门的高度，增大泄流可采用带有胸墙的溢流堰，如图2 所示。
这种型式的溢流孔可按洪水预报提前放水，从而腾出较大库容蓄纳洪水，提高水库的调洪能力。
为使水库具有较大的泄洪潜力，宜优先考虑开敞式溢流孔。
(3)综合上面所述，本设计采用开敞式溢流设闸门。
图1开敞溢流式堰图2孔口溢流式堰3.孔口尺寸确定从基本资料中得知，本电站4台5万千瓦机组。
正常蓄水位为2184.5米，汛期限制水位为2182米，死水位2163米，4台机满载流量332立方米/秒，相应尾水位2103.5米。
（1）单宽流量的确定。
通过调洪演算，可得出枢纽的总下泄流量Q总（坝顶溢流、泄水孔及其他建筑物下泄流量的总和），通过溢流孔口的下泄流量应为Q 溢=Q总−αQ式中；Q0为经过电站和泄水孔等下泄的流量，α为系数，正常运用时取0.75~0.9，校核运用时取1.0。
第四章溢流坝段设计
第四章溢流坝段设计4.1孔口设计1.确定工程等级本工程基本资料防洪要求减轻洪水对A市和A平原的威胁，在遇到5000年一遇和1000年一遇的洪水时，经水库调洪后，洪峰流量由原来的12100立方米/秒、10900立方米/秒分别削减为6350立方米/秒、5750立方米/秒。
要求设计洪水时最大下泄流量限制为6550立方米/秒。
其他参数见表4。
由此可以确定水工建筑物工程等级为Ⅰ级。
2.孔口形式选择溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。
因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺，不产生空蚀破坏。
溢流坝的泄水方式主要有以下两种：（1）开敞溢流式除泄洪外，它还可排除冰凌或其它漂浮物，如图1 所示。
堰顶可设置闸门，也可不设。
不设闸门时，堰顶高程等于水库的正常高水位，泄洪时库水位雍高，从而加大了淹没损失，但结构简单，管理方便，适用于泄洪量不大、淹没损失小的中小型工程；设置闸门的溢流坝，闸门顶高程大致与正常高水位齐平，堰顶高程较低，可利用闸门的开启高度调节库水位和下泄流量，适用于大型工程及重要的中型工程。
闸门在顶部，操作方便，易于检修，工作安全可靠，所以，开敞溢流式得到广泛采用。
（2）大孔口溢流式为了降低堰顶闸门的高度，增大泄流可采用带有胸墙的溢流堰，如图2 所示。
这种型式的溢流孔可按洪水预报提前放水，从而腾出较大库容蓄纳洪水，提高水库的调洪能力。
为使水库具有较大的泄洪潜力，宜优先考虑开敞式溢流孔。
(3)综合上面所述，本设计采用开敞式溢流设闸门。
图1开敞溢流式堰图2孔口溢流式堰3.孔口尺寸确定从基本资料中得知，本电站4台5万千瓦机组。
正常蓄水位为2184.5米，汛期限制水位为2182米，死水位2163米，4台机满载流量332立方米/秒，相应尾水位2103.5米。
（1）单宽流量的确定。
通过调洪演算，可得出枢纽的总下泄流量Q总（坝顶溢流、泄水孔及其他建筑物下泄流量的总和），通过溢流孔口的下泄流量应为Q 溢=Q总−αQ0式中；Q0为经过电站和泄水孔等下泄的流量，α为系数，正常运用时取0.75~0.9，校核运用时取1.0。
第二节 混凝土溢流坝
第二节混凝土溢流坝溢流坝基本剖面的确定原则与非溢流坝完全相同，为满足泄水的要求，其实用剖面将坝体下游斜面修改成溢流面。
溢流面形状应具有较大的流量系数，泄流畅，坝面不发生空蚀。
一、溢流重力坝的剖面设计1、溢流面1°溢流面顶部曲线视堰顶是否允许出现真空，有真空堰和非真空堰两种堰型，非真空堰曲线稍稍切入相应于薄壁堰的溢流水舌，使其在设计条件下坝面不致发生真空；真空堰较非真空堰瘦，堰面与自由水舌脱开，工程中常用的非真空堰有克奥曲线和幂曲线(WES), 如图5.1所示。
图5.1 溢流坝面图5.2 WES型堰面曲线要求：①堰面压力分布合理，无负压；②泄流能力大；定型设计水头H d (图5.3)当H(运)＞Hd时，出现负压，Q↑，负压需控制；当H(运)＜H d时，出现正压，Q↓.图5.3 孔口射流曲线2°直线段直线段的坡度取用非溢流坝下游坡度，并作调整，使其与非溢流坝在同一平面，上部与溢流曲线相切，下部与反弧段相切。
3°反弧段结构尺寸：①▼鼻坎高程②挑角θ③反弧半径R④l/h＜0.5时不分开,l/h＞0.5时分开2、溢流坝的孔口尺寸1°己知设计洪水位和允许下泄流量: 先定q→L→H。
→堰顶高程2°未知设计洪水位和允许下泄流量影响因素：①设计洪水标准；②下游防洪要求；③地形地质条件(单宽流量)④总泄量a、确定单宽流量b、孔口尺寸溢流重力坝的实用剖面也是由三角形基本剖面修改而成。
在溢流面曲线段、直线段和反弧段根据水力学条件确定后，可用基本剖面与溢流面曲线相拟合，形成如下几种可能的实用面，溢流坝的使用剖面见图5.4.图5.4 溢流坝的实用剖面3、溢流坝顶部结构布置包括闸门、启闭机、闸墩、工作桥、公路桥等.4、溢流重力坝的稳定及强度计算(方法同非溢流重力坝)。
溢流坝段设计
4、溢流坝设计4.1 孔口设计4.1.1 泄水方式的选择重力坝的泄水主要方式有开敞式溢流和孔口式溢流，前者除泄洪外还可以排除冰凌或其他漂浮物。
设置闸门时，闸门顶高程大致与正常高水位齐平，堰顶高程较低，可利用闸门的开启高度调节水位和下泄流量，适用于大中型工程，所以为是水库有较大的泄洪能力，本设计采用开敞式溢流。
4.1.2 洪水标准的确定本次设计的重力坝是2级建筑物，根据《水利工程水工建筑物洪水标准》采用500年一遇的洪水标准设计，2000年一遇的洪水标准校核。
4.1.3 流量的确定经水文、水利调洪演算确定：设计情况下，溢流坝的下泄流量为5327.7m3/s；校核情况下，溢流坝的下泄流量为6120.37m3/s。
4.1.4 单宽流量的选择坝址处基岩比较完整，根据综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，单宽流量取100～150 m3/（s.m）。
4.1.5 孔口净宽拟定分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度。
计算成果见表2-5表2-5孔口净宽计算成果表4.1.6 溢流坝段总长度确定初步拟定闸墩厚度，中墩厚d=4.5m，边墩厚t=3m，则溢流坝段的总长度B0为：B=nb+（n-1）d+2t=45+9+6=60m4.1.7 堰顶高程的确定初拟侧收缩系数ε=0.95，流量系数m=0.502。
因过堰水流为自由出流，故σs=1，由堰流公式Q=σsεmnb（2g）0.5H01.5计算堰上水头H0，计算水位分别减去相应的堰上水头即为堰顶高程。
计算成果见表2-6表2-6堰顶高程计算成果表4.1.8 闸门高度的确定门高=正常高水位-堰顶高程+（0.1～0.2）=215.5-201.07+（0.1～0.2）=14.5m 取15m4.1.9 定型设计水头的确定堰上最大水头Hmax =校核洪水位-堰顶高程即：Hmax=217.14-201.07=16.07m定型设计水头Hs 为Hs=（75%～95%）Hmax=12.05～15.27m，取Hs=14.2m，由14.2/16.07=0.88查表知0.3Hs=4.26m小于规定的允许值（3～6m水柱）。
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溢流坝段设计
不设闸门的堰顶高程就是水库的正常蓄水位，库水位超过堰顶后就溢过堰顶
泄向下游，这种型式结构简单、管理方便，适用洪水流量大、上游淹没损失不大的中小型工程。
坝顶表孔溢洪道优点：（1）结构简单，检查维修方便，（2）水流平顺，（3）便于排除漂浮物，不易堵塞，（4）泄流量与堰顶水头H 的3/2次，超泄潜力大。
但表孔位置较高，在开始泄流时流量很小，不能及时加大泄量降低库水位。
另外它不能满足排砂、放库等要求。
1.1 溢流堰泄流能力计算
基本公式： 32
s W Q Cm =ζε 式中：Q —流量，m 3/s ； B —溢流堰净宽，m ； H w —堰顶以上作用水头，m ； g —重力加速度，m/s 2；
m —流量系数，根据P/H d ≥3时，可取m=m=0.47～0.49,本设计取0.49； C--上游面为铅直时，C 取1.0； ε—侧收缩系数，取1.0； δs —淹没系数，取1.0；
H w =(1438.1-1435.5) ⨯90%=2.34m
3
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20.4925 2.34194.13/s w Q Cm m s σε==⨯= 1.2 堰剖面设计
溢流坝段的堰面曲线，当设置开敞式溢流孔时可采用实用堰曲线。
设计水头可以取0.75～0.95倍的校核水位时的堰上水头。
H d =H max ×90%=(1438.1-1435.5) ×90%=2.34m 堰顶O 点上游三段圆弧的半径及其水平坐标值为
R 1=0.5H
d
=0.5×2.34=1.17m
R2=0.2H
d
=0.2×2.34=0.47m
X 2=-0.276H
d
=-0.276×2.34=-0.65m
R 3=0.04H
d
=0.04×2.34=0.09m
X 3=-0.282H
d
=-0.282×2.34=0.66m
1.2.1 反弧半径的计算
查溢洪道设计规范《SL 253-2000》2.5.4挑流消能可用于岩石地基的高中水头枢纽。
溢洪道挑流消能设施的平面型式可采用等宽式扩散式收缩式挑流鼻坎可选用连续式差动式和各种异型鼻坎等。
2.5.5当采用挑流消能时应慎重考虑挑射水流的雾化和多泥沙河流的泥雾对枢纽其它建筑物及岸坡的安全和正常运行的影响。
2.5.8面流消能可用于下游尾水大于跃后水深且水位变幅不大河床及两岸在一定范围内有较高的抗冲能力或有排冰要求的枢纽。
2.5.9消力戽或戽式消能工可用于下游水深大于跃后水深下游河床及两岸有一定抗冲能力的枢纽有排泄漂浮物要求时不宜采用消力戽下游宜设置导墙。
根据资料以及下游情况选择挑流消能，挑流消能可大大减少工程量。
反弧半径R可取4～10h。
h
c
为校核洪水位时反弧最低点处的水深（m）。
反弧处流速越大反弧半径宜采用最大值。
h c 用迭代公式计算。
1
2021435.5138550.550.5 2.3452.84
ci E h p E p H ϕ+==-==+=+= 其中取0.95
解得h=0.255m
反弧段流速大，反弧半径也宜选用较大值。
长江科学院曾提出影响自由挑射的最小反弧半径
min 23F h R Fr
h r =
--式中挑坎上的水深；
挑坎上的弗劳德数，计算可知 Fr=13.9
由水力学公式 计算收缩水深处的速度
2
02
2
2
252.840.25529.80.9530.5/c V E h g V V m s
ϕ=+=+
⨯⨯=代人数据得得。