【正文】 第五章 泄水建筑物體型和輪廓尺寸選定的水力設(shè)計(jì) 第一節(jié) 堰壩水流與堰型問題 任何水利樞紐都有泄洪建筑物，為安全計(jì)，其泄流方式多采用表孔堰流。樞紐中的攔河壩為混凝土壩時(shí)，常將一段攔河壩布置成 溢 流壩；攔河壩為土石壩時(shí)，一般須布置河岸 溢 洪道。本節(jié)先以高溢流壩和河岸開敞式正 槽 溢洪道的控制堰 為對 象，討論其體型選擇和輪廓尺寸布置的有關(guān)水力學(xué)問題。 一、 溢 洪道控制堰堰型及其水力特性 作為溢洪道的控制堰，其體型、尺寸和布置方式是溢洪道泄流能力的決定性因素。不同的泄流能力，洪水期可能出現(xiàn)的水庫最高洪水位和相應(yīng) 要求的壩高不同，因此，控制堰的設(shè)計(jì)是否合理，直接關(guān)系到樞紐布置方案的優(yōu)劣。這里我們僅從水力學(xué)觀點(diǎn)分析一些主要堰型的水力持性。 控制堰在平面上可呈直線或曲線。一般大體積混凝土溢流壩、河岸正 槽 溢洪道都常將 堰頂軸線布置為直線；溢流拱壩壩頂為曲線。河岸溢 洪道也有采用曲線堰頂布置的，如墨西哥式 溢 洪道，主要用于山區(qū)小型水庫 無 閘門控制的溢洪道。 控制堰的水力特性很大程度上取決于沿水流向垂直剖面的形態(tài)，剖面形態(tài)不同，其水力特性、適用條件也不同。對于實(shí)用堰，首先應(yīng)確定是非真空堰還是真空堰，是高堰還是低堰。 非真 空堰與真空堰的區(qū)別，在于是否依賴堰頂附近水流底部的適當(dāng)負(fù)壓 (真空度 )來保證運(yùn)行工況的泄流能力；高堰與低堰的區(qū)別，在于堰的上游堰高與堰頂運(yùn)行水頭之比是否足夠大．從而使堰的泄流能力不再受此相對堰高的影響。 大部分溢 流壩或 溢 洪道，為減免負(fù)壓可能導(dǎo)致的有害后果，常采用非真空剖面堰，溢流壩通常屬高堰；河岸 溢 洪道的控制堰既可能是高堰，也可能是低堰。在實(shí)際工程中，適當(dāng)控制堰頂負(fù)壓值的真空剖面堰也不乏先例。 (一 )非真空實(shí) 剖 面高堰 非真空實(shí)用堰的堰型選擇原則，應(yīng)以其能在較大的堰頂水頭變化范圍內(nèi)有較大的流量系數(shù)，且堰面 不產(chǎn)生危害性負(fù)壓為標(biāo)準(zhǔn)。這使人易于想到，實(shí)用堰堰頂曲線可按薄壁堰自由溢流水舌下緣進(jìn)行構(gòu)制。早在 1888 年，巴贊 (Bazin)首次用上述原則得到了巴贊實(shí)用堰剖面，認(rèn)為沿該堰面溢流將不產(chǎn)生負(fù)壓。實(shí)際上，由于堰面粗糙和摩阻的存在，仍易產(chǎn)生負(fù)壓。近百年來，很多學(xué)者對巴贊剖面進(jìn)行了修正，基本思想是：將堰面外形稍稍伸入薄壁堰溫流水舌下緣內(nèi)，以免產(chǎn)生負(fù)壓?？死锔駹?(c 艙 a8er)剖面即其中之一。我國以往 采 用較廣的 是 克一奧剖面，則是奧菲采洛夫由克里格爾剖面線與水舌下緣線折中而得，給出該線的 x、 y 對應(yīng)坐標(biāo)值。克一奧堰適用于堰 高與堰頂水頭只之比 P／ H 3? — 5 的高堰溢流狀態(tài)．以設(shè)計(jì)水頭 dh 運(yùn)行時(shí)，其流量系數(shù) m＝o． 49。 近年來我國許多高 溢 流壩設(shè)計(jì)均采用美國陸軍工程師團(tuán)水道試驗(yàn)站(U． S． Army corps of Engineer， Waterways Experiment station)基于大量試驗(yàn)研究所得的 WES 堰，見圖 5— I。與克一奧堰相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是：流量系數(shù)較大；剖面較瘦，從而節(jié)省工程量；以設(shè)計(jì)水頭運(yùn)行時(shí)堰面無負(fù) 壓 ；堰面曲線以連續(xù)方程給出，便于設(shè)計(jì)施工。設(shè)計(jì)定型水頭為 Hd 時(shí)，堰頂下游堰面曲線方程為： 1nndx kH y?? (5— 1)式中：參數(shù) k、 n 可根據(jù)上游臨水堰 面 是否傾斜，以及行近流速水頭能否忽略，而有不同適應(yīng)值和型號。表 5— 1 示出各型 WES 堰剖面曲線方程參數(shù)，表中各參數(shù)含義如圖 5— 1(b)所示。 51 WES 堰 51 WES 剖面曲線參數(shù) WESⅠ 型堰具有倒懸堰頂，如圖 5— 2(b)所示。適應(yīng)于 溢 流壩與非 溢 流壩基本剖面匹配時(shí)，前者偏大的情況，可避免工程量的浪費(fèi)。堰頂 形態(tài)取決于 圖 中陰影線所示薄壁堰自由水舌線的下線，故與設(shè)計(jì)水頭 dH 、 懸頂高度 M 都有關(guān)。堰頂定位坐標(biāo) x? 、y? 以及上下游堰面曲線方程參數(shù)都要依據(jù) M／ Hd 值，用 WES 給出之圖解確定 (本書從略 )。但為了使 其與 WESⅠ 型堰具有同等溢流特性，實(shí)際工程中常使 ? 據(jù)試驗(yàn)研究表明，這時(shí)堰面曲線可完全沿用 WESⅠ 型。上游面傾斜的 WES 堰實(shí)乃美國墾務(wù)局 USBR)的主要研究成果，經(jīng) WES 進(jìn)一步驗(yàn)證歸納面列入其《水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》的。WESⅢ、Ⅳ、Ⅴ 型堰分別具有 3： 3： 3： 3 的傾斜上游面，其中前兩者也 適 用于高堰工作狀態(tài)；后者既可用于高堰，也可用于低堰。用于高堰時(shí)下游堰 面 曲線仍用式 (5— 1)， k、 n 值按表 5— l 取 值 ；堰頂上游曲線則用表 5— l 中 各 半徑之圓弧與上游坡 面相接。 圖 52 WESⅠ型和Ⅲ型堰 （ a） Ⅰ型堰 （ b）Ⅲ型堰 我國工程科技人員對用于溢流壩的高堰體型也作過不少研究?，F(xiàn)行《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范 》 建議的體型曲線既引用了 WESⅠ 型和 WESⅢ 型的下游堰面線，又輔以我國的研究成果，對堰頂上游統(tǒng)一用式 (5— 2)所示的橢圓曲線 (圖 23)取代原 WES 堰的圓弧連線： ? ? ? ?? ?2222dbx +1a d dHyH b H? ? （ 52） 式中： a、 b 分別為橢圓的長、短半袖與設(shè)計(jì)水頭 dH 之比。當(dāng)上游面鉛直時(shí)， a dH和 b dH 可按以下建議值選定 a＝ o． 28 一 o． 30， ab ＝ o． 87 十 3a。 圖 53 溢流壩壩頂堰型 我國現(xiàn)行規(guī)范附錄中對定型設(shè)計(jì)水頭建議取月 dH ＝ (o． 75 一 o． 95) maxH ，這里， maxH 相當(dāng)于水庫水位為校核洪水位時(shí)，堰頂最大運(yùn)行水頭。當(dāng)采用倒懸堰頂時(shí)，要求眾 d＞ maxH ／ 2(圖 5— 3)，以取代前 述 WES[型堰對 M 的要求。 以高堰狀態(tài)工作的溢流堰 (壩 )，除頂部曲線如上所述外，堰頂下游堰面線末端一般與某一已定斜坡的直線相切，如圖 5— 1 所示 BC 段，其下一般還要有一反弧段 CD，以便與壩消能工 (消力池護(hù)坦或挑流鼻坎等 )銜接。為使水流平順，反弧半徑 R 不能太小，反弧處流速越大 ,R 也應(yīng)越大，下列經(jīng)驗(yàn)公式可供參考： 10xR ?? 3 .2 8 2 1 1 61 1 .8 6 4vHx H??? ? (53) 式中： v 為反弧處平均流速， m／ s； H 為堰頂水頭， m。 WES堰的泄流能力已有大量的試驗(yàn)研究成果。以 WESⅠ 型堰而言，設(shè)堰頂水頭 0H (包括行近流速水頭在內(nèi) )，定義過堰單寬流量 為： 3 202q m g H? (54) 式中：表征泄流能力的流量系數(shù) m 與相對上游堰高 / dPH相對堰頂水頭月 0H ／dH 有關(guān)。如圖 5— 4 所示，對于 / dPH? 1. 33 且 0H ／ dH 的情況 , dm ＝ o． 502， dm 即為以設(shè)計(jì)水頭 dH 運(yùn)行時(shí)的流量系數(shù)。對于其他運(yùn)行情況，圖中匯總結(jié)出了據(jù) / dPH、0/ dHH求取 m／ dm 的曲線。這些曲線對于滿足 dMH? 的 WESⅠ 型堰也可應(yīng)用。 對于 WESⅢ、Ⅳ、Ⅴ 型堰，周文镕給出了取決于堰面上游面坡度 / dPH的流量系數(shù)近似修正曲線，示于 圖 5— 4 左上 角 。按照 WESⅠ 型堰，流量系數(shù) M 乘以修正系數(shù) c 即得相應(yīng)上游面的流量系數(shù)值。 圖 54 WES 堰的流量系數(shù) WES 堰的 堰面壓強(qiáng)分布規(guī)律己有較多試驗(yàn)研究成果。圖 5— 5 所示為 WES 型堰面壓力水柱高 ph 與 dH 之比沿 / dxH的分布規(guī)律，這里 x 為以堰頂為原點(diǎn)的水平坐標(biāo)值。通過上述分析，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論： 圖 55 WESⅠ型堰堰面壓強(qiáng)分布 (1)上游相對堰高 / dPH? 1. 33 時(shí) ， P 對流量系數(shù)已無太大影響，亦即 WES 堰的高、低堰界限大致為 / dPH＝ 1． 33，這樣并不嚴(yán)謹(jǐn)，后面將進(jìn)一步討論。 (2)對于既定堰型，流量系數(shù) m 隨相對堰頂水頭從加大而加大 。 0H ／ dH ＝ l時(shí)， 則 m＝ dm ＝ 0． 502； 0H ／ dH ＜ 1 時(shí)， m＜ dm ； Ho／ dH ＞ l 時(shí) ， m＞ dm 。但當(dāng)0H 達(dá)到 dH 左右， m的加大緩慢了。 (3)當(dāng) 0H ／ dH ＜ 1 時(shí)堰面元負(fù)壓；當(dāng) 0H ／ dH ＞ 1 時(shí)堰面出現(xiàn)負(fù)壓，并隨 0H／ dH 加大 而 加劇，當(dāng) 0H ／ dH ＝ 1． 33 時(shí)負(fù)壓水柱可達(dá) o． 5 dH 左右。 (4)為使實(shí)際運(yùn)行時(shí) m較大而負(fù)壓絕對值又較小，對于 WES高堰剖面設(shè)計(jì)．按照規(guī)范，常取 dH ＝ (o． 75 一 o． 95) maxH ，亦即將最大運(yùn)行水頭限制在 maxH ＝ (1． 33 一 ) dH 之間。 由此可知，在實(shí)際工程中 WES 高堰常滿足 / dPH? 1. 33，且 0H ／ dH 。正是在這樣的情況下，它與克一奧堰等其他堰型相比，才有明顯的優(yōu)越性。其優(yōu)越性不但表現(xiàn)在流量系數(shù)大、剖面瘦和設(shè)計(jì)施工方便，還表現(xiàn)在由低堰到高堰所需 / dPH值不大。 綜上所述，以高堰狀態(tài)工作的溢流壩，可采用 WES 堰或在此基礎(chǔ)上稍加衍變的體型。 (二 )低堰水力特性和堰型選擇 低堰水力特性除受堰型和水頭影響外，還與上、下游堰高有關(guān)，影響因素多，問 題較復(fù)雜，研究成果不如高堰成熟，工程實(shí)踐中采用的堰型 樣 式繁多。以往較著名的低堰主要出白美國墾務(wù)局 USBR)和陸軍工程師團(tuán)水道試驗(yàn)站 (WES)，此外還有克一奧堰。 基于蒲壁低堰自由 溢 流水舌試驗(yàn)資料提出的 USBR 堰，其堰面曲線上游段由兩段圓弧組成，如圖 5— 6 所示，參數(shù) 1R 、 2R 、 cx 、 cy 可由圖 5— 7 所示的關(guān)系曲 線確定，其中， ah 為行近流速水頭， dH 為定型設(shè)計(jì)水頭。下游段由下列函數(shù)形式的冪曲線表示 k nddyxHH???? ???? （ 55） 式中：參數(shù) k、 n 值可由圖 5— 8 確定。 圖 56 USBR 堰型示意圖 圖 27 1R 、 2R 、 cx 、 cy 與 adHH的關(guān)系 圖 28 k、 n 與 adHH的關(guān)系 USBR 低堰的流量系數(shù) m 可由式 5— 4)定義根據(jù)美國墾務(wù)局建議，可分如下 4 步求取 (1) 據(jù)上游堰高 1P 與定型設(shè)計(jì)水頭 dH 之比，由圖 5— 9 求取上游面直立情況下， 以 dH 運(yùn)行且下游堰高無影響時(shí)的流量系數(shù) dm 。 圖 29 dm 與 1 dpH的關(guān)系 (2) 對于運(yùn)行水頭 0 dHH? 情況，則用圖 5— 10 按 0 dHH查取水頭修正系數(shù) Hk 。 圖 510 Hk 與 0 dHH的關(guān)系 (3)對于上游非直立情況，則用圖 5— 11，由上游面坡度和相對堰高 1 dpH查取 坡度修正系數(shù) wk 。 圖 511 wk 與 1 dpH的關(guān)系 (4)對于下游堰高 2P 有影響情況，墾務(wù)局給出了下游堰高影響系數(shù) dsk 的曲線。原曲線 橫標(biāo)以 ? ? 0dh d H? 給出 ( dh 、 d 的 含義見圖 5— 12)，但由于 20dh d P H? ? ? ，亦即? ? 0 2 0 1dh d H P H? ? ?，故可換用為橫標(biāo) 20PH按圖 5— 12 曲線查取 dsk 。最后得 m為： H w ds dm k k k m? （ 56） WES 低堰又可分為兩種體型： (1)具有直立上游面的堰型。其堰頂曲線形式與 WESI 型堰頂部相同，亦即 將高堰堰頂直接移用于低堰。其流量系數(shù)可由圖 5— 4 查取。當(dāng)相對運(yùn)行水頭 0 dHH＝ 、 、 、 時(shí)，還可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 0 dHH? 0 .0 1 7 410 .4 6 3dPm H??? ???? （ 57） 圖 512 dsk 與 20PH的關(guān)系 0 dHH ? 0 .0 2 0 810 .4 8 4dPm H??? ???? （ 58） 0 dHH ? 0 .0 2 4 110 .4 9 9dPm H??? ???? （ 59） 0 dHH ? 0 . 0 3 1 610 . 5 1 1dPm H??? ???? （ 510） 以上求流量系數(shù)的方法只適用于下游堰高很大以致對溢流無影響的情況。要計(jì)入下游堰高影響時(shí)，問題就變得復(fù)雜得多，水道試驗(yàn)站只給出堰高 12P P P??和反弧半徑 R= dH 的堰以 dH 運(yùn)行時(shí)，流量系數(shù)的變化規(guī)律，如圖 5— 13 所示。 圖 513 上游面直立的 WES 低堰 m與 dPH 的關(guān)系 圖 514 上游呈 045 的 WES 低堰 (2)上游面呈 45。斜坡的 WES 低堰，如圖 5— 14 所示。這種堰實(shí)際上仍是以美國墾務(wù)局的薄壁堰水舌資料為基礎(chǔ)構(gòu)制的。堰頂下游段堰面曲線仍采用式 (5— 1)的冪曲線，堰頂上游曲線則為： 11nnw w wy x xkB