溢流堰设计说明书

1、溢流坝段表孔设计溢流坝段既是挡水建筑物，又是重力坝枢纽中最重要的泄水建筑物。 设计时， 除了应满足稳定和强度要求外，还要满足因泄水带来的一系列要求，包括：(1)具有足够的孔口体形尺寸和较高的流量系数，以使之具有足够的溢流 能力。(2)应具有良好的孔口体形，以使水流平顺地过坝，不产生有害的负压、 震动和空蚀等。(3)保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲刷。(4)溢流坝段在枢纽中的位置，应使下游水流流态平顺，不产生折冲水流， 不影响枢纽中的其他建筑物的正常运行。(1)又灵活可靠的下泄水流控制设备，如闸门启闭机等4.1 确定溢流断面长度4.1.1 设计单宽流量溢流重力坝白单宽流量q需综合考虑地质条

2、件、枢纽布置、下游河道水深和 消能工设计等因素，通过技术经济比较后选定。单宽流量愈大，所需的溢流前缘 愈短，对枢纽布置有利，但下泄水流动能大，对下游消能防冲不利， 。近年来随 着消能工技术的进步，选定的单宽流量也不断增大。本设计中，三峡坝之下游段地质条件优良，故可假定单宽流量q=200m3/s,据此可假定溢流坝段长度。(1)设计洪水位工况下：Q = 23540 m3/s则可假定L =Q =235竺=117.7mq 200(2)校核洪水位工况下：Q = 35260 m3/sQ 35260则可假止 L = = = 176.3mq 200选取二者中的最大值，确定溢流段长度为 176.3 m本设计选用

3、平面钢闸门形式，因其结构简单，而且闸墩受力条件良好。取孔 口净宽为b = 8米。a、计算孔口数：(1)设计洪水位工况下：n =1177 =14.718(2)校核洪水位工况下：n= 63 =21.948由此可确定孔口数为22孔。据此计算Q溢=22 X 8X200 = 35300 m3/s,满足设计洪水位和校核洪水位工 况下所需的下泄流量。b、闸门布置：溢流坝段表孔采用平面钢闸门，常用的布置有跨缝布置和跨墩布置， 其中跨 缝布置可以减少闸墩长度，但对地基要求较严格，若产生地基不均匀沉降则对闸门启闭运行极为不利，而跨墩布置可以适当放松对地基的要求， 然而却增加了闸 门的长度，使整个溢流坝段长度增大，

4、对其经济性产生影响。综合各方面因素， 鉴于三峡工程所在地地基条件优良，故选用跨缝布置。经考虑论证后选取闸墩厚度为13m,则每段坝长为13+8=21m。c、溢流坝段前缘总长：溢流坝顶装设闸门时，用坝墩将溢流坝段分割成若干个等宽的孔口。设孔口宽度为b,则孔口数n = L/b。，令闸墩厚度为do闸门段长 L = 22X8+(22 1)X 13 = 449m因为采用跨缝布置，考虑深孔的交错布置(深孔为23孔，由下章可知)，故 其溢流坝段前缘总长为：Lo = L + 2d + b = 483 m.。4.1.2 堰顶总水头的确定由调洪演算求出的设计洪水位及相应的溢流坝下泄流量Q溢，可求的堰顶设计总水头Ho

5、。利用堰流公式计算Ho:Q溢=nb绅sm72gH 03/2(41)式中：Q溢一表孔下泄洪水的流量，有设计资料 Q溢=23540m3/s；n 一孔口数，22;b 一表孔净宽，8m；名一闸墩侧收缩系数，与墩头形式有关，初拟时可取0.9-0.95 ,本 计设计取0.92;J 淹没系数，因其为自由出流，故取 1.0;m 流量系数，以三峡工程为高坝，初拟时根据水工建筑物经验可 预定R/Hd 3.0 ,可以不计行近流速，取 m = 0.502。H。-堰顶设计总水头。将各参数代入上式，得堰顶设计水头：H0=16.23m则：堰顶高程=设计水位-堰顶水头= 175 16.47=158.53m本设计取158 m。

6、检验：结合本设计结果， 且之3.0。故可以不计行近流速，满足假设条件。 Hd综上所述：本设计溢流表孔坝段分成 23个坝段，分缝布置故有22个孔口； 选用平面钢闸门，闸门宽8米，堰顶高程为158米。4.2 溢流面曲线设计溢流重力坝的溢流面由顶部曲线段，中间直线段和下游反弧段三部分组成。 设计要求为：有较高的流量系数；水流平顺，不产生有害的负压和空蚀破坏； 体形简单，造价低，施工方便。4.2.1 定型设计水头的确定Hs定型设计水头即坝剖面设计时采用的堰顶水头，一般取校核水位时堰顶 水头Hzmax的75%-95%,并满足下列要求：遇校核水位闸门全开时， 堰顶附近出现的负压不得超过 3- 6m水柱；遇

7、常遇洪水位(等于或低于20 年一遇的洪水)闸门全开时，坝顶附近不得出现负压。Hzmax二校核洪水位堰顶高程 =180.4-158 = 22.4 m当实际来水的堰顶水头Hz高出Hs时，堰顶附近将出现负压，Hz超出Hs愈 大，负压值愈大，显然，遇到校核洪水位，即Hz=Hzmax时，堰顶附近将出现最大负压值。选用不同定型设计水头时堰顶附近可能出现的最大负压值见下表:Hs/Hzmax0.750.7750.800. 8250.850.8750.900.951.0Hs16.8 017.3617.9 218.8419.0419.6020.1621.2822.4最大负0.5 H0.45 H 10.4 h0.3

8、5 Hr 0.3 H0.25 H0.20 Hr 0.10H0.0 H压值ZZzZZZZZZ当实际来水的作用水头低于定型设计水头 Hs时，堰体对水舌有顶托作用， 使其流量系数减少，减少溢流段下泄量，所以要考虑有一定的负压值，但负压值 不宜过大，不能超过规范规定的36米水柱，本设计取用Hs=0.9Hzmax,即最大负 压值为Hs= 90%Hzmax=90%x 22.4 =20.16m4.2.2 堰面曲线的设计重力坝溢流面曲线由顶部曲线段 AB、中间段BC和下部反弧段CD三 部分组成。设计要求是：有较高的流速系数；水流平顺，不产生有害的 负压和空蚀破坏；体形简单，造价低，施工方便。如图4 1图4 1

9、A、顶部曲线段开敞式坝顶溢流的顶部曲线，其合理形式应与薄壁堰的水合下缘曲线相 吻合。本设计采用 WES型曲线，此曲线又以堰顶。为界分为上游段AO和下游 段OB。图4 2a、上游段AO应有利于改善堰面压力和流速分布，提高流量系数，宜用 1/4 椭圆曲线，具方程为x2 (bHs-y)2 / c、2 +2- = 1(4 , 2)(aHs)2(bHs)2式中：aHs、bHs 椭圆的长、短半轴，因上游坝面铅直，可取 a=0.28-0.30 ,a/b=0.87 +3a,本设计取a=0.29、b=0.17,即：aHs=0.29 x 20.16 = 5.85m bHs=0.17X 20.16 = 3.43m2

10、2方程简化为：.上5.853.43以堰顶为原点，各点坐标见下表：Y0.00.51.01.52.02.53.03.43X0.0-3.04-4.13-4.84-5.32-5.63-5.80-5.85b、下游段曲线OB采用WES曲线，方程为Xn=KHsn-1(4 3)式中：K、n 与上游坝面坡率( y/Ax)有关的系数，按水工建筑物 表210采用。由上游面铅直即(Ay/Ax) =3: 0,查得 K=2.000,n=1.850o按WES曲线与中间直线段相切，中间直线段坡率取为与挡水坝段相同为 1:0.7,令 dy/dx=1:0.7 得切点 B 的坐标为(33.617, 25.959)同样以堰顶为原点，

11、坐标轴y轴向下为正向对方程列表计算，故OB段各点坐标见下表:Y0.01.02.04.06.08.010.012.0X0.05.78218.41012.23215.230F 17.79320.07322.152Y14.016.018.020.022.024.025.959X25.880 127.58129.19730.74132.22133.61733.617B、中间直线段其上部与坝顶曲线相切，下部与反弧段曲线相切，坡率与挡水坝段的下游坝 面坡率相同，取为1： 0.7。C、下部反弧段为使下泄水流平顺地与下游水面衔接，常采用反弧曲线。a、效能方式的选择溢流坝消能防冲设计的任务是在尽可能短的距离内使

12、下泻水流的动能消耗 在水流内部的紊动和水流与空气的摩擦中， 并与下泻水流平顺地连接起来，不产 生危机大坝安全的河床或河岸的局部冲刷。常用的消能方式有：底流消能，挑流消能，面流消能和母流消能。各种消能 方式适用的条件不同。底流消能适用与坝体下游基岩软弱没有排冰或过漂浮物要求的中低水头坝， 多用于中小型工程。挑流消能适用于基岩教完整，抗冲能力较强的高中水头溢流 坝。面流消能适用于尾水较深而水位流量变幅不大，河床与两岸抗冲能力较强的 中低水头坝，而母流消能适用于尾水较深，无航运或排漂要求，下游河床及两岸 抗冲能力较强情况。考虑到三峡坝基基岩完整坚硬，水头较高且有排冰排漂要求，经过比较选用 挑流消能。

13、挑流消能的设计要求是：尽量使水股在空中扩散和掺气的程度大，挑射距离 远，水舌入水角B小。b、鼻坎型式的选择常用的鼻坎型式有连续式和差动式两种。连续式鼻坎构造简单，坎上水流 平顺，不易空蚀，水流挑距远；差动式鼻坎消能效果较连续式好，但挑距较小， 坎壁易空蚀，施工复杂，故选用连续式鼻坎。c、鼻坎高程的确定假设鼻坎高程为H ,由水工设计手册可查得以下一组公式：(4 -4)Q h :一Vb本设计选用校核洪水位工况作为计算工况式中：q一校核洪水位时的单宽流量,3526022 8= 200.34m3/s；代入可得鼻坎处的平均流速为: d、反弧半径和挑角的确定L = 1v12 sin C cos日 +vco

14、s： Jv12 sin 8 2 +2g(h1 +h2 )(4 5)g式中：L水舌距离，m；Vi一坎顶水面流速，约为鼻坎处平均流速，m；9一鼻坎挑角；h1 一坎顶平均水深h在铅直方向的投影，mh2 一坎顶至下游河床面的高差，m；2g一重力加速度，9.8m/s反弧半径R可按(4-10)h选用，h为校核水位闸门全开时反弧段最低点处的水深。本设计取用 R=6h。将鼻坎处的平均水深代入得：选取坝基高程为5m,则：h2=H -5溢流坝段的简化图如(图4 - 3)由上图根据几何知识得：图4. 4根据三角形基本剖面知：tana =0.7,得“ =34.992。则得：BD=Rsin 日，OB = RcosBC

15、点高程为：He =H +AB = H +Rcos6 -0.573R鼻坎到上游的距离为：反弧段半径：-267.42则：Li =126.28 -0.7H 十1.22 0.7cosi sin i,180.4 - H综上所述：用Excel进行试算，过程见(附表4 - 1)0本设计综合考虑，表孔和深孔的泄流不发生冲突，同时也不与深孔的冲坑相 复合，以及工程量的实际施工关系故而取 H =90m , 6 =10o。从而得：为使水流转向平顺，本设计取 R = 30。e点高程为：e、计算最大冲坑深度冲坑深度取决于水流的冲刷能力和河流的抗冲能力。开始泄流时，前者大于后者。河床被冲刷形成冲刷坑。随着冲刷加深，水垫高

16、度加大，入射水流得以缓 冲，动能和冲刷能力减小，直至二者平衡时，冲坑深度趋于稳定。本设计按溢流 坝段右端进行计算。规范(SDJ22-78)推荐采用以下经验公式估算最大冲坑水垫厚度：tk =o(q0.5H0.25(4-6)式中：tk 一水垫厚度，自水面算至坑底，m；q 一单宽流量，校核洪水位工况下q= 35260 = 200.34m3/(sm),22 823540设计洪水位工况下q =空5=133.7522 8H 一上下游水位差，校核洪水工况下：H=180.4-83 =97.4m；设计洪水工况下：H = 17562 = 113m；豆一冲坑系数，对坚硬完整的岩石，汽=0.91.2,取汽=1.1。将

17、各参数代入式中，得：校核洪水工况下：tk =1.1v（200.341户父（97.4）0.25 = 48.92m下游水深：ht =83 -4 =79tk故河床不形成冲刷坑，满足条件。0.50.25设计洪水工况下：tk =1.1 133.75113= 41.472m下游水深：ht =62 -4 =58 tk故河床不形成冲刷坑，满足条件。4.3 导墙设计4.3.1 不掺气水面线的确定a WES型溢流坝面的与下游直线段的切点坐标（Xt, Yt）可按下是求得(4-7)Xt =1.096:1177 HdYt =0.592 1 I177 Hd式中：Hd 一定型设计水头， Hd = 20.16m有前设计得，切

18、点坐标为（33.617, 25.959）b、曲线段长度Lc根据水工设计手册卷六，对于WES曲线Lc由X/Hd查算，其中X从堰 顶开始向下游计算。查表得:空=2.47 HdLc =2.5 20.16 = 49.80mC则：上游堰面长度为 L1V0.315Hd U0.315 20.16 -6.35m下游堰面长度为 L2 = Lc - Li =49.8 -6.35 = 43.45mc、直线段长度Ls从切点到直线上任意一点（Xi, Yi）的距离siY-ytsi n(4 - 8)式中：a 一直线段坝面与水平方向的夹角，本设计为55.0080d、从堰面顶曲线起点到（Xi, Yi）的坝面距离L - Lst Lsi(4 - 9)到反弧段起点的距离:8边界层厚度- = 0.02 i(4 -10)L K式中：K 一坝面粗糙系数，对于混凝土坝面，一般取(0.4270.61) mm, 本设计取0.5 mm.则反弧段起点的边界