【文章內(nèi)容簡介】 2 是不可能的，必須再有一個方程式 q2=f(V2),與式(4— 2)聯(lián)立，才能同時解出 V2， q2的確定值，假定暫不計及自水庫取水的興利部門瀉向下游的流量，則下瀉量 q 是泄水建筑物瀉流水頭 H 的函數(shù)，而當(dāng)泄洪建筑物的型式、尺寸等已確定時 q=f(H)=AHB (4— 3) 式中： A — 系數(shù)，與泄洪建筑物的型式、尺寸、閘孔開度及淹沒系數(shù)有關(guān)。 B — 指數(shù)，對于堰流 B 一般等于 3/2，對于閘孔出流一般 B=1/2 根據(jù)水力學(xué)公式， H 與 q 的關(guān)系曲線可求。若是堰流 H 即為庫水位 Z 與堰頂高程之差；若是閘孔出流 H 即為庫水位 Z 與閘孔中心線高程之差。因此可以根據(jù) H 與 q 的關(guān)系曲線求出 Z 與 q 的關(guān)系曲線 q=f(Z),并且，由庫水位 Z，又可借助于水庫容積特性曲線 V=f(Z), 求出相應(yīng)的水庫 蓄水容積 V，則式 (43)可用下泄流量 q 與庫容 V 的關(guān)系曲線代替，即 q=f(V),與式 (4— 2)聯(lián)立方程組，求解V2， q2。 當(dāng)水庫承擔(dān)下游防洪任務(wù)時，要求保持 q 不大于下游允許的最大下泄流量qmax 時，就要利用閘門控制流量 q，但計算的基本公式和方法與上面介紹的是一致的。 本設(shè)計泄水建筑物是正槽溢洪道 (泄水建筑物型式的選擇和尺寸的確定見 節(jié) )。采用閘門全開式泄洪，故下泄流量是 q=AH3/2,H 即為庫水位 Z 與堰頂高程之差，由于資料有限僅有 %和 2%的流量及其對應(yīng)的三日洪峰流量，無法描繪出洪水過程線，故采用 三角形法擬畫出洪水過程線（具體做法見本章 節(jié)）。本設(shè)計中調(diào)洪演算是為了定出設(shè)計、校核水位和相應(yīng)的下泄流量，已知下泄量與水頭的關(guān)系曲線（式 4— 3），通過假定下泄流量 q，可利用洪水過程線計算出水庫蓄水量 V，通過 V=f(Z)可查出對應(yīng)的水位，得到 q=f(Z)曲線，通過兩條 qZ 曲線即得到設(shè)計、校核水位及相應(yīng)流量。 節(jié) 洪水標(biāo)準(zhǔn)分析 設(shè)計情況，采用 50 年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)。 P=2%的洪峰流量為 m3/s,三日洪量為 965 萬 m3。 校核情況，采用千年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn) p=%洪峰流量為 m3/s,三日洪量為 1569 萬 m3。 節(jié) 泄水建筑物型式的選擇 水利樞紐中的泄水建筑物一般包括設(shè)于河床的溢流壩、泄水閘、泄水孔，設(shè)于河岸的溢洪道、泄水隧洞等。 本設(shè)計采用壩型為復(fù)合土工膜防滲堆石壩（具體見第六章 節(jié)），因此泄 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 水建筑物一般不布臵在河床。 下面根據(jù)本工程的地形、地質(zhì)條件，對正槽溢洪道、側(cè)槽溢洪道及泄水隧洞這三種泄水建筑物進(jìn)行比較選擇。 泄水隧洞布臵得一般原則是：地質(zhì)條件好，路線短，水流順暢，與樞紐其他建筑無相互不良的影響。洞線宜選擇在沿線地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體完整穩(wěn)定、巖性堅硬，上覆 巖體厚度大，水文地質(zhì)條件有利和施工方便的地段。避開圍巖破碎、地下水位高或滲水量很大的巖層和可能坍塌的不穩(wěn)定地帶，同時防止洞身離地表太淺。 本工程壩址區(qū)地處華夏系及新華夏系構(gòu)造復(fù)合部位，壩址區(qū)斷層裂隙發(fā)育，巖石破碎，巖層坍塌和撓曲常見。 壩址區(qū)巖石的透水性及相對不透水層經(jīng)先導(dǎo)孔壓水試驗，左岸相對不透水層埋深 10~24 米，上部透水層 q 值為 ~，大者達(dá)到 ，屬中等 嚴(yán)重透水層。 本工程壩高 52 米，正常蓄水位 米，因此要避開透水層而布臵泄水隧洞，工程量顯然很大，而且本工程地質(zhì)條 件不好，故不采用隧洞泄洪。 河岸溢洪道是布臵在攔河壩壩肩或攔河壩上游水庫庫岸的泄洪通道，水庫的多余的來洪經(jīng)此泄往下游河床，常以堰流方式泄水，有較大的超泄能力。 正槽溢洪道 —— 過堰水流方向與堰下泄槽縱軸線方向一致。 側(cè)槽溢洪道 —— 水流過堰后急轉(zhuǎn)近 90176。，再經(jīng)泄槽下泄。 從地質(zhì)條件上來說，溢洪道應(yīng)力爭位于較堅硬的巖基上，但較泄洪隧洞要求較低，但在地基條件差的基巖上，注意襯砌和防沖得設(shè)計。 同時對于堆石壩而言，河岸溢洪道可與壩體相接，從而既可減少溢洪道的開挖量，也可以減少壩體的填筑量。 因此，本工程泄水建筑物采用 河岸溢洪道。 正槽溢洪道在水力學(xué)上的特點是，泄流能力完全由堰的型式、尺寸以及堰頂水頭決定，過堰流量穩(wěn)定于某一值后，泄槽各斷面的流量也隨之都達(dá)到同一值，故水流平順穩(wěn)定，運用安全可靠，另外，結(jié)構(gòu)簡單、施工方便。 側(cè)槽溢洪道在當(dāng)水利樞紐的攔河壩難以本身溢流，且河岸陡峭，布臵正槽溢洪道將導(dǎo)致巨大的開挖量時，可能成為比較經(jīng)濟的泄水建筑物。與正槽溢洪道相比，側(cè)槽溢洪道前緣可少受地形限制，而向上游庫岸延伸，由增加溢流前緣寬度而引起開挖量增加較少，從而可以以較長的溢流前緣寬度換取較低的調(diào)洪水位，或換取較高的堰頂高程。 本工 程的溢洪道布臵在左岸（說明見 節(jié)），岸坡較陡優(yōu)選側(cè)槽溢洪道，但是，溢洪道的興建需要注意和解決的問題是，高水頭、大流量及不利地形地質(zhì)條件下，高速水流引起的一系列水力學(xué)和結(jié)構(gòu)問題，而側(cè)槽溢洪道的水流現(xiàn)象復(fù)雜，進(jìn)槽水流須立即轉(zhuǎn)彎近 90176。，再順槽軸線下泄，對每一個不同的側(cè)槽斷面，其所通過的流量是不相同的，然而，側(cè)槽內(nèi)的水流現(xiàn)象的復(fù)雜性，并不僅僅表現(xiàn)在流量的沿程的變化上，水流自堰跌入側(cè)槽后，在慣性的作用下，沖向側(cè)槽對岸壁，并向上翻騰，然后再重力作用下轉(zhuǎn)向下游流去，在槽中形成一個橫軸螺旋流。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 考慮到側(cè)槽溢洪道水流現(xiàn) 象的復(fù)雜，而且，本工程地質(zhì)條件較差，建側(cè)槽溢洪道對結(jié)構(gòu)方面的要求會很高，危險性大，同時由于本樞紐的壩體不是很高，正槽溢洪道的開挖量不會增加很大。 綜上所述，結(jié)合本工程的地形、地質(zhì)條件，泄水建筑物采用正槽溢洪道，布臵于左岸與壩體相接。 節(jié) 調(diào)洪演算及建筑物尺寸的確定 調(diào)洪演算過程 通過洪水資料，作出設(shè)計情況和校核情況下的洪水過程線； 假定堰高、堰寬，確定各情況下的起調(diào)流量； 假定不同的下泄流量 q,由洪水過程線求出庫容 V，由庫容 V，查水位 庫容曲線，找出相應(yīng)的水位 H，從而，對于每一組情況下可 作出一條 Q~H 曲線； 根據(jù)公式 Q=εm g2 H3/2,又可作出一條 Q~H 曲線； 對應(yīng)于每一種情況，可從 QH 圖中確定相應(yīng)的 Q 和 H 值。 洪水過程線的模擬 由于本設(shè)計中資料有限，僅有 p=2%、 p=%的流量及相應(yīng)的三日洪水總量，無法準(zhǔn)確畫出洪水過程線。設(shè)計中采用三角形法模擬洪水過程線。根據(jù)洪峰流量和三日洪水總量，可作出一個三角形（如圖中虛線），根據(jù)水量相等原則，對三角形進(jìn)行修正，得到一條模擬的洪水過程線（如圖中的實線）。 計算公式 計算采用 公式： Q=εmB g2 H3/2 式中：ε — 側(cè)收縮系數(shù)，ε =； m— 流量系數(shù)， m=； B— 溢流孔口凈寬； H— 堰上水頭。 圖 41 三角形法 圖 42 洪水過程線 圖 43 調(diào) 洪演算 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 計算結(jié)果 計算結(jié)果如下表： 方案 堰頂高程(m) 設(shè)計洪水位 (m) 設(shè)計下泄流量 (m3/s) 校核洪水位 (m) 校核下泄流量 (m3/s) 超高（ m） 1 堰頂寬 B=8 米 2 3 4 堰頂寬 B=10 米 5 6 注：超高△ Z =校核洪水位 正常蓄水位； 發(fā)電引用最大流量 5m3/s，相對較小，在計算時不予考慮。 方案選擇 以上方案中，上游水位超高△ Z 均小于 ，滿足要求，但方案 3 中 Q 泄=255m3/s，大于最大下泄流量 250m3/s，故方案 3 先舍去，剩下的五組方案均能滿足以上的兩個條件，因而方案的選擇需通過經(jīng)濟技術(shù)比較選定。本設(shè)計對此只做定性分析，同時也考慮與導(dǎo)流洞結(jié)合的問題。一般來說△ Z 大，壩增高，大壩工程量加大； B 大則增加隧洞的開挖及其它工程量，而 Q/B 越大消能越困難，襯砌要求也高。方案 1， 2 雖然 B 小，但是 Q/B 及水頭較大，增加閘門及啟閉 設(shè)備的造價，且△ Z 相對較大，主體工程較大，故不予采用。方案 4， 5， 6 中，△Z 依次減小，而 Q 及水頭 H 增大不多，故最后采用方案 6。即堰頂高程 ，溢流孔口凈寬 10m；該方案設(shè)計洪水位 ，設(shè)計下泄流量 m3/s，校核洪水位 ，校核泄洪量 m3/s。 堰頂高程的確定 堰頂上游 L 型擋墻應(yīng)超過水庫靜水位以上高度 Δh=2hL+h0+hc 式中： 2hL — 波浪高度 2hL=Vf — 計算風(fēng)速，設(shè)計情況為 速；校核情況為最大風(fēng)速。 D — 庫面吹程 (km)。 h0 — 波浪中心線高出靜水位高度， h0=LLLh24 2? cthLLH1? 。 hc — 安全超高。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 安全超高見下表： 土壩壩頂安全超高值 (m) 運用情況 壩 的 級 別 1 2 3 4 正常 非常 L 型防浪墻高程 =max??? ?? ??校設(shè)校核洪水位設(shè)計洪水位 hh 通過計算： △ h 設(shè) =， △ h 校 = 則 設(shè)計洪水位 +△ h 設(shè) =+= 校核洪水位 +△ h 校 =+= ∴防浪墻頂高程 =，取為 。 壩頂高程 == 閘門的設(shè)計 因為 B=10m，不是很寬，采用單扇閘門擋水，選用平板閘門。閘門的高度由擋正常蓄水位確定，取 5m；則其寬高比為 滿足在 至 的范圍之內(nèi)。另外布臵時將閘門放在堰頂偏下游一些，以壓低水舌使其貼著堰面下泄。 閘墩 (邊墩 )的長度應(yīng)滿足工作橋、交通橋及啟閉機等布臵要求，取 8m。閘墩高度取決于閘門和啟閉機的形式，應(yīng)保證開啟后的閘門底緣高出水庫最高洪水位，并留有一定安全超高，取 ,閘墩厚度取 。 堰前喇叭口進(jìn)水口底板高程取 。 泄水建筑物的設(shè)計 溢流堰采用實用堰的形式；消能方式為挑流消能。 實用堰堰頂高程從上得為 ，挑出高程為 。 1） 溢流面曲線 曲線1 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 堰面曲線采用 WES 曲線。如上圖示的冪曲線（曲線 1）的方程為：yKHx ndn 1?? 式中： dH — 定型設(shè)計水頭，按堰頂?shù)淖畲笞饔盟^ maxH 的 75%~95%計算； nK? — 與上游壩面坡度有關(guān)的系數(shù)和指數(shù)，壩面鉛直時，, ?? nK ，當(dāng)壩面坡度為 3： 1 時， , ?? nK 。 溢流面曲線坐標(biāo) x， y 的原點在堰頂，上游采用橢圓曲線，方程為 : 1)( )()( 2 222 ???ddd bHybHaHx ~?a aba ?? 本設(shè)計中： mH ? ， 所以， mHd ? ； , ???? Knba 所以：冪曲線為： yx ?? 橢圓曲線為： 1)( )()( 2222 ??? yx 溢流壩面下游反弧段的半徑為收縮斷面水深 ch 的 10 倍。 如右圖示，根據(jù)能量方程得，2222 ccid hgqhaH ???? 其中 ai 為堰頂高程 與反弧段最低點的高程差。 通過試算法計算出 mhc ? 。 得到反弧段的半徑 mhR c )~()10~6( ?? ，取 R=。 中間以直線光滑連接。 計算中發(fā)現(xiàn)，橢圓曲線的長軸只有 ,當(dāng)工作閘門布臵于堰頂后，難以布臵檢修閘門。故設(shè)計中在 橢圓段 后先與一水平 ，以水平線代替，并取其長度與壩頂相同為 5m。下游部分則與上面設(shè)計相同。 2） 挑射距離與沖刷坑深度的估算 水舌挑距估算公式： ])(2s i nc osc oss i n[1 21221121 hhgvvvgL ????? ???? 式中： L — 水舌挑距，為鼻坎末端至沖刷坑最深點的距離； 1v — 坎頂水面流速， 1v =q/ 1h =。 ? — 鼻坎挑射角度 ,? =30176。 。 1h — 坎頂平均 水深在鉛直面上的投影 , 1h =。 2h — 坎頂至河床表面之差 , 2h =. WES 堰面曲線 斷面2斷面1 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 計算得 L= 沖刷坑深度的估算公式： tHhKt Krr ??? 39。 式中： rt — 沖刷坑深度； H — 上下游水位之差 ,