挑流鼻坎坎顶至下游河床高程差的选取和挑距计算的方法
附录一泄水建筑物水力设计计算公式
附录一泄水建筑物水力设计计算公式一、堰面曲线1.开敞式溢流孔的堰面曲线。
采用幂曲线时按下式和附表1计算。
(附1)式中 Hs为定型设计水头，按堰顶最大作用水头Hzmax的75%～95%计算(m)，其它符号见附图1，数值见附表1。
附表1上游坝面坡度k n垂直(3∶0) 2.000 1.8503∶1 1.936 1.836 原点上游宜用椭圆曲线，其方程式为式中 aHs和bHs分别为椭圆曲线的长轴和短轴。
若上游面垂直，其长轴aHs和短轴bHs可按以下关系选定：附图1采用倒悬堰顶时(如附图1)，应满足。
定型设计水头选择及堰顶可能出现的最大负压值参照附表2。
定型设计水头Hs情况下的流量系数m和其他作用水头Hz情况下的流量系数mz的比值参照附表3。
2.设有胸墙的堰面曲线。
当校核情况下最大作用水头Hzmax (孔口中心线上)与孔口高(D)的比值时；或闸门全开时仍属孔口泄流，即可按下式计算：(附2)式中 Hs——定型设计水头，一般取孔口中心线至水库校核洪水位的水头的75%～95%；——孔口收缩断面上的流速系数，一般取=0.96；若孔前设有检修闸门槽时取=0.95。
其余符号参照附图2。
附图2原点上游可用单圆，复式圆或椭圆曲线，与胸墙底缘通盘考虑。
若时，应通过试验决定。
附表2Hs/Hzmax 0.75 0.775 0.80 0.825最大负压值(m) 0.5Hs 0.45Hs 0.4Hs 0.35HsHs/ Hzmax 0.85 0.875 0.90 0.95 1.0 最大负压值(m) 0.3Hs 0.25Hs 0.2Hs 0.1Hs 0.0Hs附表3Hz/Hs 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 mz/m 0.85 0.90 0.95 0.975 1.0 1.025 1.07二、泄水建筑物泄水能力计算公式1.开敞式溢流孔的泄水能力可按下式计算：(附3)式中 Q——流量，m3/s；B——溢流堰净宽，m；Hz——堰顶作用水头，m；g——重力加速度，m/s2；mz——流量系数，初设时在定型设计水头作用的情况下，当(P为堰高，m)时，取mz=m=0.47～0.49；当时，取m=0.44～0.47；——侧收缩系数，根据闸墩厚度及墩头形状而定，初设时可取=0.90～0.95；——淹没系数，视泄流的淹没程度而定，不淹没时=1。
水工建筑物IP课件PPT第4讲
底流消能
具有流态稳定、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， 可适应高、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。
底流消能
既适用于坚硬岩基，也适用于较软弱或节理 裂隙较为发育的岩基。 底流消能设计是在给定的泄流量和相应的上、 下游水位条件下，选定合适的护坦高程和护坦长 度。消力池的长度取决于水跃长度，一般为平底 自由水跃长度的70%～80%。
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，或有排冰、漂木要 求的情况。一般不需要作护坦。
消力戽消能
挑流鼻坎潜没在水下，形不成自由 水舌，水流在戽内产生旋涡，经鼻坎将 高速的主流挑至水面。
消力戽消能
适用于尾水较深，流量变化范围较 小，水位变幅不大，或有排冰、漂木要 求的情况。一般不需要作护坦。 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。
挑流消能
鼻坎挑射角度一般为 20 ~ 25 ；鼻坎 反弧半径一般采用 R (8 ~ 10)h ， h 为鼻坎 上水深。鼻坎坎顶高程应高出下游水位， 一般以1～2m为宜。 水舌挑射距离按水舌外缘计算为：
1 2 2 L v1 sin cos v1 cos v1 sin 2 2 g (h1 h2 ) g
宽缝重力坝 优点：
扬压力小； 便于混凝土散热； 坝体工程量省 10%~20%。
缺点：
施工模板用量多。
空腹重力坝
优点：
由于空腔下部不设底板，减小了 坝底面上的扬压力，可节省坝体 混凝土方量20%左右； 减少了坝基开挖量； 坝体前、后腿嵌固于岩体内，有 利于坝体的稳定； 前、后腿应力分布均匀，坝踵压 应力较大； 便于混凝土散热； 坝体施工可不设纵缝； 便于监测和维修。
第四节 消能与防冲
第四节消能与防冲通过坝体的下泄水流具有很大的能量，当水位差为40m时，单宽流量q=50秒立方米，一米宽河床内的水流动能可达24000匹马力，如此巨大的能量主要消耗于两个方面：1、水流的内部损耗，如摩擦、冲击、紊动、漩涡；2、水流与固体边界作用，如摩擦、冲刷等；当冲刷扩展到坝基时，就会危及坝体安全；消能设计原则：1°尽量增加水流的内部紊动, 2°限制水流对河床的冲刷范围消能方式：(底流消能、挑流消能、面流消能、消力戽消能)1、底流消能1°工作原理在坝趾下游设消力池、消力坎等，促使水流在限定范围内产生水跃，通过水流的内部摩擦、掺气和撞击消耗能量。
见图5.62°产生底流消能的条件3°岩基上护坦的构造要求：护坦厚度应满足稳定要求，在扬压力和脉动压力作用下不浮起。
荷载：①水重集度②平均脉动压强③动水压力(比较复杂，由试验确定)④扬压力强度(设排水时，仅有浮托力，不设排水时, 除考虑浮托力外还有渗透压力) .图5.6 底流消能措施图5.7所示为设计底流消能时, 水跃第二共轭水深与下游水深的关系.2、挑流消能1°工作原理利用鼻坎将水流挑向空中，并使其扩散，掺入大量空气，然后落入下游河床水垫，形成旋滚，消耗能量约20％。
起初冲刷河床，形成冲坑，达一定深度后，水垫加厚冲坑趋于稳定。
见图5.8.图5.7 水跃第二共轭水深与下游水深的关系.图 5.8挑流消能示意图2°设计内容选择鼻坎型式, 反弧半径, 鼻坎高程, 挑射角度.3°连续式挑坎R增加水流转向容易，但鼻坎向下游延伸较长，工程量增加；减小水流转向困难，一般取(8～10)hc；θ↑挑射距离远，入水角大，冲坑深；θ↓挑射距离近，入水角小，冲坑浅；θ=20～35°, 鼻坎高程一般高出下游最高水位1～2m。
4°对坝体安全的评估挑距: L, 冲坑: tk5°差动式挑坎使水流通过高低坎分为两股射出，在垂直方向有较大的扩散，水舌入水宽度增加，减少了单位面积上的冲刷能量，两股水流在空中互相撞击、掺气加剧。
岸边溢洪道设计[详细]
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岸边溢洪道设计6.3.1溢洪道说明溢洪道其主要任务是泄洪,土石坝不允许水过坝顶,需要专门修建泄洪建筑物.根据本工程的地形条件,上游坝址左岸沿河流方向有一道呈现弧形的纵向凹槽,所以选择溢洪道设置在大坝左岸,为带胸墙孔口式岸边溢洪道.溢洪道由引渠段、 堰闸段、 泄槽段、 挑流鼻坎段组成. 6.3.2 溢洪道引水渠为了 使水流平缓,减小或不发生漩涡和翻滚现象,进口采用喇叭口,进口宽度 B=50米.设计流速4米/s,横断面在岩基上接近矩形,边坡根据稳定要求确定这里选择边坡坡度 为1:0.5;采用梯形断面,进水渠的纵断面做成平底.在靠近溢流堰前断区,由于流速较大,为了 防止冲刷和减少水头损失,可采用混泥土护面厚度 为0.5米. 6.3.3 控制段控制段包括溢流堰及两侧连接建筑物,溢流堰通常可以选择宽顶堰、实用堰、驼峰堰. 溢流堰的体形应尽量满足增大流量系数,溢流堰作用是控制泄流能力,本次设计采用实用堰,优点是流量大,在相同的泄流条件下需要的堰流前缘长,工程量小.采用弧形闸门.初步拟定堰顶高程H=设计洪水位—堰顶最大泄水位H 0 堰顶高程H=1838=1858.22—H 0,则H 0=20.22米 胸墙式孔口溢流堰形式的下泄流量Q 公式为:320=Q ε溢式中:ε ——闸墩侧收缩系数,0.9; 米——流量系数,0.48:; g ——重力加速度 ,9.81 2m/s ;B ——堰宽,12米;水位为设计洪水位1858.22米时,堰顶高程1838米,设计Q 溢=4645米3/s.则由上面公式计算得出的B=26.69米,取B=14米.计算取b=28米,孔口数2孔,弧形工作闸门取值14x19米(宽x 高).中墩厚3米,边墩宽1米,闸室宽度 =14x2+3+2x1=33米. 堰面曲线的确定开敞式堰面曲线,幂曲线按式(7-2)计算:1n n d x KH y -= (7-2)式中 Hd ——堰面曲线定型设计水头,对于上游堰高P1≥1.33Hd 的高堰,取Hd=(0.75～0.95)H 米ax,对于P1<1.33Hd 的低堰,取Hd=(0.65～0.85)H 米ax,H 米ax 为校核流量下的堰上水头. x 、y ——原点下游堰面曲线横、纵坐标; n ——与上游堰坡有关的指数,见表A.1.1;k ——当p1/Hd>1.0 时,k 值见表A.1.1,当P1/Hd ≤1.0 时,取k=2.0～2.2.本次设计Hd=0.8H 米ax=0.8x24.45=19.56米,P1=Hd=19.56=19.56,则引水渠底板高程为1818.44米.p2=0.6Hd~1.33Hd=18米.根据表A.1.1 确定堰面参数值:因为P1/.Hd=1,所以取K=2.2;其中n=1.85,R1=0.5Hd,a=0.175 Hd,R2=0.2 Hd,b=0.282 Hd.即公式1n n dx KH y -== 1.850.852.219.56x y =⨯ 可以得出 1.8527.55x y =上游段曲线采用三圆弧法,圆弧半径为:R 1=0.5H d =9.78米,R 2=0.2H d =3.912米,R 3=0.04H d =0.7824米.对应的水平范围为L 1=0.175 H d =3.432米,L 2=0.276 H d =5.40米,L 3=0.282 H d =5.52米.闸墩顶部高程=校核水位+安全超高=1862.55+0.41862.95米.图7-1控制段曲线图衔接面计算:1.直线段和堰面曲线切点xc,yc 确定.对 1.8527.55x y =求导,坡率为1:0.65,x=10.64,y=2.88.7.4.2.2泄流能力计算开敞式幂曲线WES 实用堰的泄流能力320m Q C δε= (7-6) 式中:Q——流量,米3/s;B ——溢流堰总净宽,米,定义B =nb ; b ——单孔宽度 ,米;C ——上游坡度 影响系数,上游铅直,C=1; H 0——堰上水头,米; 米——流量系数,取0.5; ε——收缩影响系数,取0.9;m δ——淹没系数,取1.33322110.90.52820.225074/m Q C m sδε==⨯⨯⨯⨯=5074>4645 米3/s (设计洪水情况,满足要求).7.5 泄槽设计正槽溢洪道在溢流堰后多用泄槽与消能防冲设施相连接,以便将过堰洪水安全泄向下游河道.河岸溢洪道的落差主要集中在这段.泄槽坡度 常大于临界坡度 ,所以又叫做陡槽.泄槽横断面宜采用矩形断面.当结合岩石开挖采用梯形断面时,边坡不宜缓于1︰1.5,并应注意由此引起的流速不均匀问题. 7.5.1 泄槽的平面布置及纵、横剖面泄槽在平面上应尽可能的采用直线、等宽对称布置.可以让水流平顺流入下游,而且这样结构简单,便于施工.实际中可以设置收缩短,减少工程开挖量和衬砌.出口设置扩散段减少单宽流量,有益于消能防冲,减少对河道的侵蚀.泄槽纵剖面设计主要是决定纵坡.泄槽纵坡必须保证泄槽中的水位不影响溢流堰自由泄流和在槽中不发生水跃,水流始终处于急流状态.所以纵剖i 必须大于临界坡度 ic,此种情况下,泄槽起点的水深等于临界hc,矩形泄槽ic 和hc 值如下:2c g Li ac B=⨯ (7-7)c h = (7-8)上式中:C —谢才系数,161C R n=•其中R 为水力半径(米),n-为粗糙系数,对于混凝土n=0.014～0.016; g —重力加速度 ,g=9.81米/s2; α—流速分布系数,取α=1.0; L —泄槽横断面湿周,米; B —水面宽度 ,米; q —单宽流量,米3/s. 泄水槽宽度 为:L=2×14+3+2×1=33米 单宽流量为:q=Q/B=7136/33=216.24米3/s临界水深:16.83c h m ===临界水力半径为:116616.83287.642216.8328117.64100.240.014c c c h B R mh B C R n ⨯===+⨯+=•=⨯=229.81330.00151100.2428c g L i ac B ⨯=⨯==⨯⨯ 由公式:213222423AQ R i nQ n i A R=•=采用混凝土护面n=0.014,h=hc 故 222244223371360.0140.003(2816.83)7.46Q ni A R ⨯===⨯⨯大于临界坡度 ,泄水槽内水流为明槽恒定急变流.为了 减小工程量,泄槽沿程可随地形、地质边坡,但变坡次数不宜过多,而且在两种坡度 连接处,要用平滑曲线连接,以免在变坡处发生水流脱离边壁引起负压或空蚀.,当坡度 由陡变缓时,需用反弧连接,流速大时宜选用较大值.边坡位置应尽量与泄槽在平面上的变化错开,尤其不要在扩散段变坡,泄槽变坡处易遭动水压力破坏.常用的纵坡为1%～5%,有时可达10%～15%,此工程地基为坚硬的岩基,可以陡些,取泄槽纵坡为5%;泄槽的横剖面,在岩基上接近矩形,以使水流分布均匀,有利于下游消能.7.5.1.2试算槽内正常水深h 的计算(坝下游收缩断面水深) 根据《水力学》(公式10-5)可知2132A Q R i n= i=0.05 可以得出试算表表7-5hc 试算结果Q 0 2942 4596.8 6459.2 6655.37 6853.1 7052.55 7253.558所以,下游反弧段断面正常水深hc=5.4米,泄槽起始底板高程为1822.7米. 根据《水工建筑物》溢洪道的相关设计要求,反弧半径可采用(3～6)h(h 为校核洪水位闸门全开时反弧最低点的水深),反弧R=(28.5~57),取40米 ,.圆心角=43.32°.7.5.1.3 推算水面曲线泄槽水面线由能量方程,用分段求和法计算:2222112112cos cos 22V V h h g g L i jααθθ-⎡⎤⎛⎫⎛⎫+-+⎢⎥⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦=- (7-13) 2243n VJ R =(7-14)式中:12L -—分段长度 米;h1、h2分段始末断面水深米; a1,a2,—流速分布不均匀系数取1.05;V1、V2—分段始末断面平均流速米/s; θ —泄槽底坡角度 i=tg θ ,θ=3°; J —分段内平均摩阻坡降;n —泄槽糙率系数n=0.014;V —分段平均流速米/s;R —分段平均水力半径米.在水位情校核况下计算h1,取溢流堰末端断面为开始计算断面,高程为:1822.7米, 校核洪水位到该断面的水位差为: 1862.45-1822.7=39.75米20.929.8139.725.1m/s Vc gh ==⨯⨯=17136h 8.623325.1c Q m BV ===⨯由溢洪道所处地形条件可知,溢洪道泄槽变坡断面处距离上游控制断面接近234.5米,由推算结果可知溢洪道进口处断面水深为8.7米,流速为24.9米/s;泄槽变坡处断面水深为7.7米,流速为28.1米/s.7.5.3 掺气减蚀水流沿泄槽下泄,流速沿程增大,水深沿程减小,即水流的空化数沿程递减,经过一段流程之后,就会产生水流空化现象.空化水流到达高压区,因空泡溃灭而使泄槽壁遭受空蚀破坏,抗空蚀措施有:掺气减蚀、优化体形、控制溢流表面的不平整度 和采用抗空蚀材料等.工程实践表明,临近固体边壁水流掺气,有利于减蚀和免蚀.掺气减蚀的机理很复杂,水流掺气可以使过水边界上局部负压消除或减轻,有助于制止空蚀的发生,空穴内含有一定量空气成为含气型空穴,溃灭时破坏力较弱;过水边界附近水流掺气,气泡对空穴溃灭的破坏力起一定的缓冲气垫作用.掺气设施主要包括两个部分:一是借助于低挑坎、跌坎或掺气槽,在射流下面形成一个掺气空间的装置;一是通气系统,为射流下面的掺气空间补给空气.掺气装置的主要类型有掺气槽式、挑坎式、跌坎式、挑坎与掺气槽联合式、跌坎与掺气槽联合式、此外还有突扩式和分流墩式等,该工程选择挑坎与掺气槽联合式,其水流流态比其他的几种较好.在掺气装置中,通过改变坎的形式和尺寸,可以改变射流下面掺气空间的范围,从而达到控制空气和水混合浓度的目的.挑坎高度为0.2米,挑角为7°,挑坎斜面坡度为1/10.跌坎高度一般在0.6米.由于地形原因,需要进行一次变坡.由缓坡变陡坡i=0.14.中间可以用抛物线连接.抛物线方程按公式:22tan(4cos)Oxy xk Hθθ=+式中:x,y:抛物线横纵坐标,泄槽末端为原点;θ为上端坡角;k:落差系数取k=1.3H:抛物线起始断面的比能;其中H按照公式计算H=h+av2/2g;h:抛物线起始断面的水深;v:抛物线起始断面的平均流速,米/s;a:动能修正系数,可以近似取1.y=0.05x+0.00495x2,推出关于x,y的曲线坐标值表7-3曲线坐标值推算表V 28.1 28.8 30.0 31.8 33.3 34.9C 94.2 93.9 93.4 92.8 92.3 91.8J 0.018 0.019 0.022 0.026 0.030 Es 47.9 49.9 53.2 58.4 63.0 68.3 ΔE 2.0 3.3 5.2 4.6 5.3 i-J 0.1224 0.1206 0.1176 0.1139 0.1101 ΔS(米) 16.1 27.4 44.0 40.1 48.1S总(米) 16.1 43.6 87.6 127.7 175.8溢洪道变坡进口断面的水深难为7.5米,流速28.8米/s,出口水深为6.2米.流速34.9米/s.7.5.4 边墙高度确定因为水流为急流,水深沿程下降,考虑摻气水深h b=(1+ζV/100)h安全加高取1米.,进口断面处边墙高度h=A+h bh b=(1+ζV/100)h+1=(1+1.2×24.9/100)×8.7+1=13米出口断面处边墙高度h=A+h bh b=(1+ζV/100)h+1=(1+1.2×28.1/100)×7.7 +1=12米h b=(1+ζV/100)h+1= (1+1.2×34.9/100) ×6.2+1=10米最终取边墙厚度取2.5米.7.5.5 泄槽的衬砌为了保护地基不受冲刷,岩石不受风化,泄水槽一定要做衬砌.对衬砌的要求如下:表面要光滑平整,以防止产生负压和空蚀;分缝止水可靠,以避免高速水流侵入底板以下,产生脉动压力引起破坏;排水系统要通畅,以减小底板扬压力.衬砌材料要能抵抗空蚀和冲刷,寒冷地区还应有一定的抗冻性.本溢洪道为Ⅱ级溢洪道,采用混凝土衬砌.混凝土的抗空蚀能力强,随其抗压强度增加而增加,因此容易产生空蚀的部位应采用高强度混凝土.衬砌厚度取0.4米.为了适应混凝土的变形,需要设置纵横分缝,缝距为10～15米取20米.泄水槽两侧的边墙横缝布置一般与底板一致,本身不设纵缝,多在边墙接近的底板上设纵缝. 衬砌纵横缝下必须设置排水沟,且相互连通,渗水由横向排水沟集中到纵向排水沟内排向下游,管周围填满1～2厘米的卵砾石.7.6 溢洪道消能设计从河岸溢洪道下泄的水流流速高、能量大,必须进行有效的消能,以避免冲刷下游河床和坝脚,危急工程安全.消能方式常用挑流和底流两种.在土基或破碎软弱岩基上的溢洪道,一般采用底流消能.但对泄流较小的,也可考虑采用挑流消能.本设计,考虑采用挑流消能.消能计算的目的是主要确定挑流射程和冲坑深度,并且确定冲刷坑是否危急主体建筑物的安全. 挑流消能反弧半径R 一般为(6～10)h ,h 为挑流鼻坎反弧最低点水深,近似取6.2米,R 取6h ≈38米 挑角为40度 .鼻坎顶高程=1797米.挑距:2111sin cos cos L v v g θθ⎡=+⎣式中 L ——自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距,米;θ——挑流水舌水面出射角,近似可取用鼻坎挑角,(°); h 1——挑流鼻坎末端法向水深,5米;h 2——鼻坎坎顶至下游河床高程差,米,如计算冲刷坑最深点距鼻坎的距离,该值可采用坎顶至冲坑最深点高程差;v 1——鼻坎坎顶水面流速,米/s ,可按鼻坎处平均流速v 的1.1 倍计.V1=1.1x28.1=38.3米/s;L=147.2米. 冲坑最大深度 为0.50.25t Kq H = 式(7-22)坎顶单宽流量q=Q/b =7136/33=216.24米/s H=1862.45-1795=67.45米 10.50.250.2521.1216.2467.4546.35t Kq Hm ==⨯⨯=为了 保证泄水建筑物不允许受冲坑影响,挑流消能设计应满足以下要求:2/4~5L t H -> (7-23)式中: H2——下游水深2/()147.2/46.3511 4.24L t H -=-=> 满足要求.8.1地基处理的主要要求地基处理的主要要求是:①控制渗流,减小渗流比降,避免管涌等有害的渗流变形,控制渗流量;②保持坝身和坝基的静力和动力稳定,不产生过大的有害变形,不发生明显的不均匀沉降,竣工后,坝基和坝体的总沉降量一般不宜大于坝高的1%;③在保证坝安全运行的条件下节省投资. 8.2地基的处理在坝趾处河床砂卵石覆盖层平均厚度 5—7米,出露岩性为大红峪组石英砂岩与板状粉细砂岩互层,岩石坚硬、构造简单、渗透性小.右岸已查明的小段层有6-7条,软弱夹层有13条;左岸山坡平缓,覆盖着31米厚的山麓堆积物,有断层一条.河床坝基岩石构造较为发育,开挖揭露出断层40余条,其中相对较大的有10多条.因此,在坝趾处开挖7米将河床砂卵石覆盖层清除并使河床平整并设置齿槽,对于较小的断层用用化学材料灌浆或做混凝土塞,对于较大的断层进行开挖回填混凝土处理.8.3岸坡的处理土坝的岸坡应清理为缓变的坡面,开挖边坡不宜太陡.岩石岸坡不宜陡于1:0.5～1:0.75.土坝岸坡不陡于1:1.5砂砾石坝壳部位的岸坡以维持自身岸坡稳定为原则.8.3帷幕灌浆帷幕深度是根据相对不透水层的位置确定的.按《碾压式土石坝设计规范》(SL274－2001)要求,相对不透水层是按羽容值确定的.对 1 级坝相对不透水层为3～5 Lu,但考虑到黑河工程为供水工程,应尽量减少水库渗漏量,故相对不透水层按3 Lu 控制.根据灌浆试验和规范要求确定在坝基设两排帷幕孔,排距2 米,孔距2. 5 米.帷幕的厚度为排距再加0.6～0.7倍的孔距,设计为3. 6 米,全长645米,帷幕深度标准控制为单位吸水率≤3 Lu,初步确定灌浆孔深为42～68米.由于坝基1770.07米高程以下有一厚达20～30米的相对隔水层,因此帷幕下限不超过440米,左右岸坡帷幕应与地下水位衔接,左岸地下水位埋深70米左右,右岸地下水位埋深近80米.左岸坝肩为单排帷幕,帷幕长60米,向左接古河道防渗灌浆灌浆.右岸坝肩为单排帷幕,帷幕长163米.。
挑流消能的水力计算
LK (0.7 ~ 0.8) L j
式中， L j 为平底渠道中的自由水跃长度。
（3）消能池设计流量的选择 池深 d 是随 (hc ht ) 增大而增加。所以，可 以认为，相当于 (hc ht ) 为最大时的流量即为池 深的设计流量。
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第三节 挑流消能的水力计算
挑流消能的优点是节约下游护坦，构造简单，便 于维修；缺点是雾气大，尾水波动大。
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• • • • •
水跃淹没系数σ’= ht/ hc02 临界式水跃 σ ’= 1 远离（远驱）式水跃 σ’< 1 淹没式水跃 σ ’> 1 消能设计要求： σ’= 1.05～1.1
11
泄水建筑物下游收缩断面水深的计算 以通过收缩断面底部的水平面为基准面，列出 坝前断面0－0及收缩断面c－c的能量方程式，可得
8
水利工程中有时需结合具体工程的需要，将三种消 能方式结合应用。下图采用消能戽就是一种底流和面流 结合应用的实例。
9
第二节 底流消能
• 从泄水建筑物下泄的水流一般为急流，存在一个收 缩断面，水深为最小，为hc0，且一般hc0<hc，即处 于急流状态。根据下游河道水深ht与跃后水深hc02的 相对大小，水流存在有三种水跃型式。 • ht＝hc02 临界式水跃 • ht < hc02 远离（远驱）式水跃 • ht > hc02 淹没式水跃 • 远离式水跃对工程最不利，急流段长，加固河段长， 工程量大。 • 淹没式水跃消能效率低。 • 临界式水跃位置不稳定 。 • 一般采用稍有淹没的水跃进行消能较理想。
挑坎型式及尺寸的选择
常用的挑坎有连续式和差动式。
25
采用较多的是连续式挑坎。
(1) 挑坎高程 挑坎高程愈低，出口断面流速愈大，射程愈远。
混凝土重力坝毕业设计计算书
1.5
由于防渗的需要,坝基须设置防渗帷幕和排水孔幕.据基础廊道的布置要求,初步拟定防渗帷幕与排水孔廊道中心线在坝基面处距离坝踵5.5m.
第二章
2.1
作用在坝基面的荷载有：自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力、土压力,常取 坝长进行计算.
2.
自重
自重 在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位完全一样计算步骤如下；
∑P=17061.85 KN
K′=3.190789>2.3
> 2.3
故非溢流坝段抗滑稳定满足设计规X要求.
第四章
4.1
4.1.1
根据SL319-2005《混凝土重力坝设计规X》,按下列公式进行应力计算：
图4.1应力计算图示
<1>上游面垂直正应力：
<2>下游面垂直正应力：
式中：
4.
由《混凝土重力坝设计规X》SL319—2005可知：
4.2.
<1>上游面垂直正应力：
T=109.45
<2>下游面垂直正应力：
第五章
5.1
为了使水库具有较大的超泄能力,采用开敞式孔口,WES实用堰.
5.2
洪水标准的确定：本次设计的重力坝是Ⅲ级建筑物,根据GB50201—94表6.2.1,采用50年一遇的洪水标准设计,500年一遇的洪水标准校核.
5.3
流量的确定：根据基础资料可知,设计情况下,溢流坝的下泄流量为115.75m3/s；在校核情况下溢流坝的下泄流量为176m3/s.
14775.9
15784.29
扬压力
-25586.66
-57222.22
-59984.09
波浪力
3 溢流坝设计
溢流坝设计：（一）泄水方式的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。
2、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。
图1 开敞溢流堰 图2 孔口溢流堰（二）孔口设计１、 洪水标准的确定 根据建筑物的级别及运用情况确定洪水标准。
见表1 表1 山区、丘陵区水利工程水工建筑物洪水标准２、 设计流量的确定 确定设计流量时，先拟定溢流坝的泄水方式，然后进行调洪演算，求得各方案的防洪库容、设计洪水位和校核洪水位及其相应的下泄流量；然后估算淹没损失、枢纽造价、效益，进行综合比较，选出最优方案。
若考虑泄水孔及其它建筑物能分担一部分泄洪任务，则通过坝顶溢流的下泄流量Ｑ为：Ｑ＝Ｑs －αＱo （1）式中 Ｑs —下泄流量（经过调洪演算确定的枢纽中总的下泄流量）；α—系数，考虑电站部分运行等因素对下泄流量的影响，正常运用时，α＝0.75～0.9，校核情况α＝1.0；Ｑo －经过泄水孔、电站、船闸等建筑物下泄的流量。
水工建筑物级别 1 2 3 4 5 洪水重现期（年） 设计情况 1000～500 500～100 100～50 50～30 30～20 校核情况 5000～20002000～1000 100～500 500～200 200～100３、 单宽流量ｑ的确定 单宽流量是确定孔口尺寸的重要依据。
第十章 消能-2013
10.2 底流式衔接与消能
• 10.2.1 水跃发生的位置和水跃的形式
ht hc02， 临界水跃
ht hc02， 远离水跃
ht hc02， 淹没水跃
淹没系数 ' ht / hc02表示淹没程度 。
设计时，一般要求 ' 1.05 1.1
• 10.2.2收缩断面水深的计算
2.挑流消能
在泄水建筑物下游端修建一挑流鼻坎，将下泄水流 向空中挑射至远离建筑物的下游。
3、面流式消能
在泄水建筑物末端设置一较小挑角的垂直鼻坎，将下泄的 滚消能 。
高速水流引向下游水流的上层，主流在水面，坎后底部旋
4.消力戽
水利工程中有时需结合具体工程的需要，将三
种消能方式结合应用。上图采用消能戽就是一种底流 和面流结合应用的实例。
例10.1 图10.7所示为一修筑于矩形断面河道中的溢流 坝，坝顶高程为110.0 m，溢流面长度中等，河床高程为 100.00 m，上游水位为112.96 m,下游水位为104.00 m，通 过溢流坝的单宽流量q = 11.3 m2/s。试判别坝下游是否要做 消能工。如要做消能工，则进行消力池的水力计算。
（2）用试算法计算消力池池深
' hc02
q2 q2 d ht 2 2 g ( ' hc02 ) 2 g (1ht ) 2
' hc02
q2 q2 d ht 2 g ( ' hc02 )2 2 g (1ht ) 2
设几个hc0值计算相应的f（d），计算结果列于表10.3。
试算法求d。
• 试算法求d。
在实际试算时往往不直接假设d，而是先假 设hc0，利用收缩断面水深计算公式 算出
溢洪道1
第一章基本资料............................................................................................. 错误！未定义书签。
1.1地形、地质情况.......................................................................................... 错误！未定义书签。
1.1.2库区工程地质条件................................................................ 错误！未定义书签。
1.1.3坝址工程地质条件................................................................ 错误！未定义书签。
1.2水文与气象 ................................................................................................. 错误！未定义书签。
1.3工程特性值 ................................................................................................. 错误！未定义书签。
1.4水位.............................................................................................................. 错误！未定义书签。
1.5其他.............................................................................................................. 错误！未定义书签。
水力学：泄水建筑物下游的水流衔接与消能
9.2 底流消能
9.3 挑流消能 9.4 面流消能
9.1 概述
1
选用适当的措施，在下游较短 的距离内消除多余能量△E，并 使高速下泄的集中水流安全地 转变为下游的正常缓流。
1
如图所示一溢流坝，单宽流量 q=80m3/s m，上下游 水位差为△Z= 60m，若不计流速水头及坝面能量损耗，
查表得φ=0.95 试算收缩断面水深hc0
当T0=13 m时，hc0=0.768 m 利用共轭水深关系求hc02
hc02>ht=4 m，坝下游发生远离水跃，需做消能工
(ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ) 用试算法计算消力池池深
A ht 2 g 1ht q2
2
4.45 (m)
假设一个hc0，
2/3
q 2 2 g ( hc 02 ) 2
例10.2 按例10.1中所给的溢流坝，如下游采用消 力墙消能，试进行消力墙的水力计算（消力墙的 流量系数m=0.4）。 解：(1) 计算消力墙高度s 用 进行试算。例10.1已求得hc02=5.45m
2 q2 11 . 3 B hc02 1.05 5.45 5.92 (m) 2 2 2 g ( hc 02 ) 2 9.81 1.05 5.45
h 2 g ( z s cos ) v cos sin 2 L0 1 1 2 2 g v sin z为上下游水位差，s 为上游水面至坎顶的距离， h
为坝顶水股的厚度。
2. 水下挑距L1的计算
hp为冲坑水深，b 为水舌入水角。
如有实测的水文资料，可根据给定的流量查 得 否则，近似按明渠均匀流求正常水深的方法 计算
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挑 流鼻坎末端法向水深 ，１ １； １ 鼻坎坎顶至下游河 床高程差 ， ｍ；
图 １ 挑流鼻坎结构 图
厂
ｚ 鼻 坎 坎 顶 水 面 流速 ， ／。 ， ． 一 ｍ ｓ
表 １鼻坎坎顶至下游河床 高程差 ｈ ： 沿河床距离的变化表 单位 ： ｍ
ｂ ｌ ０ ｌ ５ ｌ ０ １ １ Ｏ ２ ｌ３ Ｉ３ ｌ ０ ｌ ｌ ５ ２ ｌ ５ Ｏ ５ ４
例： 某一溢洪道泄槽末端消能形式采用连续重力式挑流 鼻坎 ， 其结构 图如 图 １ 所示 。该溢洪道挑流消能段底部反弧 半径 Ｒ １．ｍ，鼻坎宽 １ ． ＝ ４０ ２０ ｍ，挑射角 ０ ２ 。 ＝ ５ ，鼻坎 顶高程 １ ２ ．ｍ， 流鼻坎末端法 向水深 。１８ 鼻坎坎顶 水面流 ０４ 挑 ０ ＝． ｍ，
专 ｒ ｉ ｏ ｎ ｏ ｒ—￣——ｓ— １ １ ｎ ｓ， ｓ ｎ—（ｃ０一Ｊ ） ’ ａｌ ｒ—２———Ｏ （ 【 ｓ ｃ ｓ——ｈｏ— ｉ—ｇ１—ｈ — —— ＋ ２ —
６
பைடு நூலகம்
式中 ：
￡ 自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘 一
挑距 ， ｍ；
一
挑 流水 舌水 面 出射 角 ， 似可 取 挑流 鼻坎 挑 角 ，。； 近 （）
河床的变化表。 从表 １ 可知：： ＾ 的值沿河床变化关系为正 比例 函数 ， 随着河床距离的增 加 ， ｈ 的值也在增加 。 从上面 的例题可 以看 出： 鼻坎坎顶 至下游河床高程差 ｈ
￡ ２． ． ． ． １．１． １． １． １． ｆ ６ ２７ ２６２ ５２４ ３ ２３０ ３８ ３５ ５８ ６Ｏ ７６ ８７ ９４ ０６ １６ １２ ２６ ｈ ｌ． １３ ２ ４ ３ ５ ３ ６ ４ ７ ５ ８ ５ ９ ６ ２ ０ ． ． ． ． ． ． ． ． １２ ７ ４ １ ｌ ８ ｌ ５ １ ２ ｌ ９ ｌ ７
的值不是恒定 的常数 ， 在这种 情况下 ， 如何来求挑距 的值 呢？ 同时又如何来相应的选取 ｈ 的值 呢？ ： 下面 ， 通过本文 中的 例子 ， 详细分析 ， 来解决文 中提 出的问题。
在《 溢洪 道设 计规范｝ Ｌ ５ — ０ ０中关于挑流水 舌射程 Ｓ ２３ ２０
的计 算公 式如 下 ：
＾ ｌ ． １ ３Ｉ ． ３１ ３８ ４５ ５２ ５ ９Ｉ． ２ ０ ｌ ． ２４ ｌ ． ｌ ． ｌ ． １ ． ｌ． ７ １ ２ ７ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ６ ０ ６ 为 自挑流鼻坎末端算起沿下游河床床面的距离 ， 一 ｍ。
２ 分 析计 算 首 先 把 已 知值 ：挑 射 角 ０ ２ 。 ＝ ５ ，挑 流 鼻 坎 末 端 法 向水 深
式（ ） １ 中各个参数确定后 ， 即可算出挑距 Ｌ的值 。 但是 ， 在 水利工程专业书籍 中， 关于计算挑距 、 如何选取鼻坎坎顶至下 游河床高程差以及二者的相互关系的例题不多。而在实际水 利工程设计 中， 关于溢流坝坝址 、 溢洪道泄槽末端 以及各种泄 水孔洞 出口等明流的消能方式选用挑流消能工消能时 ，其中 鼻坎坎顶至下游河床高程差 ｈ 的选取和挑距 的计算是 比较 。 常见和重要 的。因此 ， 在本文 中， 就关于挑流水舌射程的计算
和 挑 距 三的计 算 。总 结 了在 下 游坡 度较 陡 的情 况下 ， 应 用挑 流水 舌射 程 的计 算公 式。 如何 关 键 词 ： 利 工 程 ； 距 ；图解 法 与试 算 法 ； 流 水 挑 挑 中国 分 类 号 ：Ｖ ２ Ｔ ２２ 文献 标 识 码 ： Ｂ
１ 问题 的提 出
１１ ｍ， ＝ ． 鼻坎 坎顶水 面流速 ｌ＝ ６ ｍ ｓ鼻坎 坎顶至 下游河 ８ ， １ ． ／， ， ４
床高程差 ｈ 的各数值代人式（ ） 经计算 ， ： １ 中， 得挑距 三值见表 ２ 。从表 ２可以看出 ： 随着 ｈ 的值不 断变化 ， ： 挑距 Ｌ的值也在
公式中 ｈ 值的选取和 Ｌ值 的计算确定方法做主要讨论。 ：
第 ４期 （ 总第 １ ８ ） ７期
２１ ０ ０年 １ 月 １
山西 水利 科技
ＳＨＡＮＸＩ ＨＹＤＲｏＴＥＣＨＮＩ ＣＳ
Ｎ ．（ ｏ ｌ ｏ１８ ｏ Ｔ ｔ Ｎ ．７ ） ４ ａ
ＮＯ ．０１ Ｖ２ ０
１ ０ — ９ １ ） ４—０—２ ０ ６ ８ ３ ｒ０ ０ ０ — — —１ ２ ２ ０
个（ 的值才是所选取的呢？ 矗， ） 针对所求值的选取 ， 作者经过 认 真思考 和分 析 ， 以用 图解法和试算法两种计算方法来解 可
决 。下 面 ， 别 用 图解 法 和 试算 法来 解 决 这 个 问题 。 分 表 ２ 挑 距 与 鼻 坎 坎 顶至 下游 河 床 高 程差 ｈ 的关 系表 单位 ：Ｉ Ｉ Ｔ
挑流鼻坎坎顶至下游 河床 高程差 的选取和挑距计算的方法
王 功
（ 山西省水利建设开发 中心 ， 太原 ０ ０ ０ ） ３ ０ ２ 摘 要： 通过一个下游河床坡度较 陡情况的算例 ， 在其它值 为已知的情况下， 用图解法和试 应
算法两种计算方法 ， 详细地 分析 了挑 流水舌射程公式 中鼻坎坎顶至下游河床 高程差 ｈ 的选取 ：
速 Ｉ １．ｒｓ该 溢 洪 道 泄 槽 末 端 河 床 纵 坡 为 １．９ － ６ｉ ， ＇ ４ｄ １ ＝ ４２ ％。ｈ 的 值 可 以 查 表 １表 １ 鼻 坎 坎 顶 至 下 游 河 床 高 程 差 （ ｈ） ， 是 即 ２沿
不断变化 ， 它们不是唯一 的值 。 那么 自然就有一个 问题 ： 哪一
［ 收稿 日期 ］ ０ ０ ０ — ２ ２ １— ５ ２ ［ 作者 简 介 ］ 功 ， ，９ ３年 生 ，９ ８太 原 理 工 大 学 水利 系水 工 建 筑 专 业 本 科 毕 业 ，０ ７西安 理 工 大 学 Ｊ ｆ 水 电 学 院 水 工 结 王 男 １７ １９ ２０ Ｊ ， ｃ］