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。

①设计流量，α取0.9
Q
溢
=5116−0.9×332=
设L为溢流段净宽（不包括闸墩的厚度），则通过溢流孔口的单宽流量为
q=Q
溢
/L
(2)孔口尺寸
设有闸门的溢流坝，需用闸墩将溢流段分隔为若干个等宽的孔口。

若孔口宽
度为b，则孔口数n=L/b,一般选用略大于计算值得整数。

令闸墩厚度为d，则溢流前沿总长L0应为；L0=nb+(n−1)d，由调洪演算可设计洪水位及相应的。

当采用开敞溢流时，可利用下式计算堰顶水头H0。

下泄流量Q
溢
=nbεm√2gH3/2
Q
溢
式中；ε为闸墩侧收系数，与墩头型式有关；m为流量系数，与堰顶型式有关；g为重力加速度，m/s2。

设计洪水位减去H0既为堰顶高程。

4.闸门和启闭机
闸门分为工作闸门、检修闸门、事故闸门。

工作闸门一般设在溢流堰顶，有时为了使溢流面更陡一些，可将闸门设在靠近堰顶不远的下游处。

检修闸门和工作闸门之间应留有1~3米净距，以便进行检修。

全部溢流孔通常备有1~2个检修闸门，交替使用。

⑴工作闸门选择
①平面闸门；主要优点结构简单，闸墩受力条件好，各孔口可共用一个活动式启闭机；缺点是启闭力较大，闸墩较厚，设有门槽，水流条件差。

②弧形闸门；主要优点是启闭力较小，闸墩较薄，无门槽，水流平顺；缺点是闸墩较长，且受力条件差。

根据工程情况结合实际选择平面闸门。

⑵检修闸门
检修闸门采用平面闸门，可跟工作闸门共用启闭机。

⑶启闭机
⑴活动式启闭机；多用于平面闸门，可以兼用与启吊工作闸门和检修闸门。

⑵固定式启闭机；固定在工作桥上多用于弧形闸门。

根据前面选择应选用活动式启闭机。

5.闸墩
闸墩承受闸门传来的水压力，也是坝顶桥梁的支承。

（1）闸墩的平面形状，在上游端应使水流平顺，减小孔口水流的收缩；下游端应减小墩后水流的水冠和冲击波。

上游端一般采用半圆形或椭圆形；下游端一般用流线型或圆弧曲线，也有用半圆形的。

常见的闸墩形状如图3-8所示。

近年来，溢流坝的下游端也常采用方形，使墩后形成一定围的空腔，有利于过坝水流底部掺气，防止溢流坝面发生空蚀。

（2）闸墩厚度；与闸门型式有关。

平面闸门需设闸门槽，槽深0.2~5.0m ，宽4~1m ，门槽处的厚度不得小于5.1~1m ，以保证有足够的强度。

弧形闸门闸墩的最小厚度为0.2~5.1m 。

（3）闸墩的长度和高度；应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求。

（4）边墩；溢流坝两侧设边墩，也叫边墙，一方面起闸墩作用，同时也起分隔溢流坝段和非溢流坝段的作用。

边墩从坝顶延伸到坝趾，边墩高度由溢流水深决定，并应考虑溢流面上由水流冲击和掺气所引起的水深增加值，边墩顶高出水面
5.1~1m 。

另外，为防止温度裂缝，在导墙上每隔15m 做一道伸缩缝，缝做简单的止水，以防工作时漏水。

6.横缝的布置
溢流坝段的横缝，有以下两种布置方式；
⑴缝设在闸墩中间，当坝段间产生不均匀沉降时，不致影响闸门启闭，工作可靠，缺点是闸墩厚度大。

⑵缝设在溢流孔跨中，闸墩成为整体墩，可使大跨度弧形闸门支铰结构得到加强，但易受到地基不均匀沉降的影响。

本设计缝设在闸墩中间。

4.2溢流面体形设计
溢流面由顶部的曲线、中间的直线和底部的反弧三部分组成。

设计要求；①有较高的流量系数，泄流能力大；②水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；
③体形简单、造价低、便于施工等。

1.顶部曲线段
由于WES坝面曲线的流量系数较大且剖面较瘦，工程量较省，坝面曲线用方程控制，设计施工方便，所以今年来我国多采用WES曲线。

本设计结合书本与规，采用WES剖面曲线。

上游段采用三圆弧及下列型式的曲线
y H d =0.413(
χ
H d
)0.625−0.81(
χ
H d
)1.85
式中；H d为定型设计水头，一般为校核洪水位时堰顶水头的75%~95%。

WES型堰顶下游段曲线，当坝体上游面为铅直时，可按下式计算；
χ1.85=2.0H d0.85y
坐标原点在堰顶，如图3-55所示。

2.反弧线
溢流坝面反弧线段是使沿溢流面下泄水流平顺转向的工程措施，通常采用圆弧曲线，反弧线半径应结合下游消能设施来确定。

根据DL 5108-1999《混凝土重力坝设计规》规定；对于挑流消能，R=(4~10)h，h为校核洪水闸门全开时反弧线段最低点处的水深。

反弧线流速愈大，要求反弧半径愈大。

当流速小于16m/s 时，取下限值。

流速大时，宜采用较大值。

当采用底流消能，反弧段与护坦相连时，宜采用上限值。

根据国外工程资料，提出反弧半径经验公式为
R=2
3
Fr3/2h
Fr= /√gh
式中Fr为反弧最低点处的佛劳德数。

3.中间直线段
中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度与非溢流坝段的下游坡相同。

4.剖面设计
剖面设计有如图3-57 三种形式
（1）对于有鼻坎的溢流坝，鼻坎超出基本三角形以外，当Ɩ/h>0.50，经
核算B-B’截面的拉应力较大时，可设缝将鼻坎与坝体分开，如图3-57
（a）所示。

（2）当溢流重力坝剖面大于基本三角形剖面时，为节约坝体工程量，但又不影响泄流能力，可将堰顶突向上游，如图3-57（b）所示，其突出部分的高度h1应大于0.5H max。

（3）如溢流重力坝较低，其坝面顶部曲线段可直接与反弧段连接，而无中间直线段，如图3-57（c）。

4.3消能防冲设计
1.消能防冲的设计原则
①尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流部的絮动中，以及水流和空腔的摩擦上；
②不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷
③下泄水流平稳
④结构简单，工作可靠；
⑤工程量小
2.挑流消能设计
4.4坝身泄水孔设计
1.泄水孔类型
在水利枢纽中为满足泄洪、发电、排沙、放空水库及施工导流等要求，需要在重力坝体设置不同高程的泄水孔口，进口一般布置在库水位以下较深处。

泄水孔按其孔口流态分为有压泄水孔和无压泄水孔；按其进口高程可分为中孔和底孔。

其中无压孔的工作闸门布置在深孔进口，为使工作闸门后形成无压流，需将门后孔道的顶部抬高。

检修闸门一般设在工作闸门前部。

泄流时工作闸门前的进口段为有压流，门后为无压流。

运用时明流段水压力小，孔壁可不用钢板衬砌，施工较简便。

与有压孔相比，其流速相对较小，对坝体应力和防渗影响不大。

2.进口曲线
3.孔身
4.渐变段
5.竖向连接
6.平压管和通气孔。