溢流坝设计：

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,、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水工建筑物级别1 2 3 4 51000,500 500,100 100,50 50,30 30,20 洪水重现设计情况5000,2000 2000,1000 100,500 500,200 200,100 期(年) 校核情况,、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,为:,,,s,α,o (1)式中 ,s—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;,o,经过泄水孔、电站、船闸等建筑物下泄的流量。

,、单宽流量？的确定单宽流量是确定孔口尺寸的重要依据。

单宽流量大，溢流孔口的宽度可以缩短，有利于枢纽的布置，但增加了下游消能的困难，下游的局部冲刷可能更严重;反之，单宽流量小，有利于下游消能，但溢流孔口的宽度增大，对枢纽的布置不利。

因此，一个经济而又安全的单宽流量，必须综合地质条件、下游河流水深、枢纽布置、消能等多种因素，经技术经济比较后选定。

3工程实践证明:软弱岩石或裂隙发育岩石，？,20,50,/(s.m);较好的岩石，？,50,3370,/(s.m);坚硬或完整岩石，？,100,150,/(s.m)。

4、孔口尺寸确定和布置溢流孔的净宽为,，根据Q=B？，可计算出B，(,=Q/q)(其它符号同前)。

对于设置闸门的溢流坝，需用闸墩将溢流坝分隔成若干个孔口。

每个孔口的净宽为,，孔数为,，则,,B/b(取整)。

,与,的选择，应结合闸门型式、启闭设备、运用条件、坝顶布置、与坝段的适应等因素进行确定。

单孔宽度不宜过大或过小，宽度过小，孔数,增多，闸墩增多，运行不便;宽度过大，闸门尺寸大，启闭设备容量大，增加了运行的难度。

一般大中型工程采用,,8,16,，若有排冰、过木要求，,可加大到18,20,;小型工程,<8,。

为了降低工程造价，应采用规范中推荐的孔口尺寸。

为了便于消能，,宜为单数。

若中墩的厚度为,，边墩的厚度为,，则溢流坝段的总长度为,,nb+(n-1)d+2t 0 溢流堰顶高程的确定(以开敞式孔口为例):由堰流公式32Q,,,mnb2gH， (2) S0已知,、(б,1)n、b,先假定ε、,，分别计算设计、校核情况下的堰上水头H，相s0应的洪水位减去堰上水头H即为堰顶高程。

一般取较小的值作为所求的堰顶高程。

0堰上最大水头,max、定型设计水头Hs的确定:Hmax,校核洪水位—堰顶高程Hs,(75%,95%)Hmax，定型设计水头,,不同，堰顶可能出现的最大负压也不同。

规范规定:校核洪水位闸门全开时，出现的负压不得超过3,6,水柱。

定型设计水头,,的选择，与堰顶可能出现的最大负压，可参考表2确定:表2 堰面可能出现的最大负压参考表0.75 0.775 0.80 0.825 0.85 0.875 0.90 0.95 1.0 Hs/Hmax0.5Hs 0.45 Hs 0.4 Hs 0.35 Hs 0.3 Hs 0.25 Hs 0.2 Hs 0.1 Hs 0 最大负压值(m)闸门的高度:门高,正常高水位—堰顶高程，超高(0.1,0.2,)(泄流能力校核:已知,,、堰上水头，先计算ε、,，然后根据堰流公式(2)，计算Q',Q,,，若满足，则设计的孔口符合要求。

，100%,5%Q'当堰顶水头H,H时，流量系数,,0.502;当H?H时，流量系数m由表3查得: sss表3 ,,,s与,,,s关系表/H 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Hzsm/ms 0.85 0.90 0.95 0.975 1.0 1.025 1.07 z溢流坝的横缝布置有两种方式:一种是横缝布置在墩中间，其特点是各段产生不均匀沉陷时，不影响闸门的启闭，但墩厚增大，适用于软弱地基;另一种是横缝布置在孔口中间，其特点与前一种相反，适用于坚硬地基。

(三)消能防冲设计通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大的能量，必须采取有效的消能措施，保护下游河床免受冲刷。

消能设计的原则是:消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨损，以保证坝体和有关建筑物的安全。

设计时应根据坝址地形、地质条件，枢纽布置、坝高、下泄流量等综合考虑。

对于大型工程及高坝，还应进行水工模型试验。

溢流坝常用的消能方式有:挑流消能、底流消能。

这里主要介绍挑流消能设计。

挑流消能是利用溢流坝下游的挑流鼻坎将从坝顶下泄的高速水流抛向空中，使水流扩散、掺气，然后跌入下游河床的水垫中。

水流在同空气摩擦的过程中可消耗一部分能量，水流进入水垫后，发生强烈的摩擦、旋滚，冲刷河床形成冲坑，其余大部分能量消耗于冲坑中。

这种方式比较经济，一般适用于高水头、大流量、基岩较坚固的高坝或中坝。

,、挑流鼻坎设计挑流鼻坎设计主要是选择合适的鼻坎型式、鼻坎高程、挑射角及反弧半径。

鼻坎的型式有连续式和差动式两种。

连续式鼻坎结构简单，施工方便，鼻坎上水流平顺，挑距较远，应用也广泛。

鼻坎挑射角一般取θ,20,25?，对于深水河槽θ,15,20?。

鼻坎坎顶高程宜高出下游最高水位1,2,。

反弧半径,,(4,10),，,为校核洪水闸门全开时反弧处的水深(常近似取鼻)及(4)。

坎上水深)。

反弧处流速大时，反弧半径取大值。

计算,时，常用公式(3鼻坎处水流平均流速υ为:,2gH υ, (3) 0因为Q=Aυ=B,υ，所以鼻坎平均水深,为: Q,, (4) B,式中——堰面流速系数， ,,――库水位至坎顶高差，,; 03 ,――校核洪水时溢流坝下泄流量，,/s;,――鼻坎处水面宽度，,(差动式鼻坎:鼻坎末端设有高低齿坎，挑射出来的水流具有两种不同的挑射角，水流分股，扩散和掺气充分，空中消能效果较好，水舌入水范围较大，冲坑深度将会减小，但施工较为复杂。

一般地，高低齿坎挑射角θ、θ，平均值(θ，θ),2,25,30?，其差值1212θ-θ,5,10?，高低齿坎的宽度比为1.5,2.0，高低齿坎的高差与坎上水深比为0.5,121.0。

2 挑距和冲坑的估算连续式挑流鼻坎的水舌挑距,按水舌外缘计算，如图3，其估算公式为:图3 挑流消能冲刷坑计算1222,, (5) L,,sin,cos,，,cos,,sin,，2g(h，h)11112g式中,――水舌挑距，,;υ——坎顶水面流速，,,,，按鼻坎处平均流速υ的1.1倍计; 1,—坎顶垂直方向水深，,，h,hcosθ; 11,—坎顶至河床面高差，,; 2其它符号同式(3)。

最大冲坑水垫厚度估算公式:0.50.25 (6) t,,qHK'0.50.25 (7) t,,qH,HKs式中:---水垫厚度，自水面算至坑低，,; tK'—冲坑深度，,; tK3q---单宽流量，m/(s.m);H---上下游水位差，m;――下游水深，,; Hsα――冲坑系数，坚硬完整的基岩α,0.9,1.2，坚硬但完整性较差α,1.2,1.5;软弱破碎、裂隙发育的基岩α,1.5,2.0。

'为了保证大坝的安全，挑距应有足够的长度。

一般当,,,2.5,5.0时，认为是安tK全的。

不能满足时，可通过模型试验，结合工程实际进行论证。

另外，为了避免小流量时产生贴面流，淘刷坝脚，可在挑流鼻坎后面做一短段护坦，以保护坝脚安全。

(四) 溢流面剖面设计溢流坝的基本剖面为三角形。

一般其上游面为铅直或折线面，溢流面由顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。

1、顶部的曲线常采用非真空剖面曲线。

对于开敞溢流式，可采用幂曲线，如图4所示;对于胸墙式，可采用抛物线，如图5所示。

图4 开敞式溢流坝堰面曲线图5 孔口射流溢流坝堰面曲线nn,1幂曲线方程: (8) x,kHys式中:,、,——系数，上游面垂直时，,,1.85，,,2.0;上游面坡度为3:1时，,,1.863，,,1.963(H——定型设计水头，m。

s原点上游宜采用椭圆曲线，如图4所示，其方程为:22bHy(,)xs (9) ，,122aHbH()()ssa其中:?0.26,0.30， ,0.87+3 aab其它符号同式(8)。

Hmax采用倒悬堰顶时，应满足。

d,2抛物线方程为:2x (10) y,24,Hs式中:——孔口收缩断面上的流速系数，一般取,0.96; ,,原点以上可采用单圆、复式圆或椭圆曲线，并与胸墙底缘通盘考虑。

2、溢流坝剖面绘制顶部的曲线段确定后，中部的直线段分别与顶部曲线、底部的反弧段相切，其坡度一般与非溢流坝段下游坡率相同，即为1:m。

直线段与幂曲线相切时，切点,的横坐标为: xc1n,1k , (11) ,,xHcs,mn式中:k、n、H——与(2-21)式符号相同。

s,――坝下游的坡率。

反弧段的圆心求法:先画一条平行于坝的下游面且相距为圆弧半径,的直线，再画一条与挑坎顶点相距为Rcosθ的水平线，两线的交点即为圆心。

一般当挑坎超出基本剖面的长度,与挑坎的高度,的比值小于0.5时，挑坎与坝体不分缝;反之，二者之间需用结构缝分开，并验算挑坎的稳定性。