【文章內(nèi)容簡介】 泄洪時(shí)，庫水位壟高，加大了淹沒損失，非溢流壩頂高程也相應(yīng)提高；但結(jié)構(gòu)簡單，管理方便。適用于洪水量較小、淹沒損失不大的中、小型工程。設(shè)置閘門的溢流孔，閘門頂大致與正常蓄水位齊平，堰項(xiàng)高程較低，可以調(diào)節(jié)水庫水位和下泄流量，減少上游淹沒損失和非溢流壩的工程量。通常大中型工程的溢流壩均裝設(shè)有閘門。(2)孔口溢流式 可根據(jù)洪水預(yù)報(bào)提前放水，以騰出庫容儲(chǔ)蓄洪水，從而提高了調(diào)洪能力。當(dāng)庫水位低于胸墻時(shí)，下泄水流和壩頂溢流式相同。當(dāng)庫水位高出孔口一定高度時(shí)，為大孔口泄流。根據(jù)本工程的實(shí)際情況，建議采用開敞溢流式，即：壩頂溢流式，堰頂設(shè)閘門。 斷面尺寸的設(shè)計(jì)(1)單寬流量的確定 一般首先考慮下游河床的地質(zhì)條件，在沖坑不危及壩體安全的前提下選擇合理的單寬流量。根據(jù)國內(nèi)外工程實(shí)踐和本工程情況，建議在設(shè)計(jì)水位下單寬流量取80～90m3/()，校核洪水位下取105～1l5m3/()。本設(shè)計(jì)以設(shè)計(jì)水位下單寬流量取q=90m3/()，校核洪水位下取q校 =110m3/()。(2)孔口尺寸 當(dāng)采用開敞式溢流時(shí)，設(shè)計(jì)洪水下泄流量Ｑ=18276 m3/s，校核洪水下泄流量Ｑ校=24527 m3/s。即，確定溢流段凈寬：L=Q/qL設(shè)=Q/q=18276/90=L校=Q/q=24527/110=，孔口寬度取15m。則溢流段分段數(shù)為：。取整數(shù)為15段，即，溢流段總寬度為15*15=225m。 堰頂高程堰頂水頭H0由開敞式溢流堰泄流能力計(jì)算公式反算得出。Q=CmεσSL（2g）1/2H03/2 即: H0 ={ Q/ [CmεσSL（2g）1/2]}2/3={18276/[1*****（2*）1/2]}2/3= (注:上游溢流壩面設(shè)為鉛直，則C=；；。先假定P/D0≥,H0/HD==)所以，堰頂高程H=H設(shè)H0== 上游堰頂高程P=H河床底高程== 閘門尺寸的設(shè)計(jì) 包括閘門形式選擇，工作橋、交通橋的布置及閘墩的形式、長度、高度、厚度等尺寸的擬定。 設(shè)置工作閘門和檢修閘門工作閘門設(shè)在溢流堰的頂部，為了使溢流面水流平順，將閘門設(shè)在堰頂稍下游一些。檢修閘門和工作閘門之間應(yīng)留有2米的凈距，以便進(jìn)行檢修。全部溢流孔通常備有1～2個(gè)檢修閘門，交替使用?？紤]閘孔較寬，工作閘門選為為弧形閘門，其主要優(yōu)點(diǎn)是啟門力小，閘墩較薄，且無門槽。水流平順，局門開啟時(shí)水流條件較好；缺點(diǎn)是閘墩較長，且受力條件差。檢修閘門采用平面閘門。啟閉機(jī)選用固定式啟閉機(jī)，固定在工作橋上。 閘墩和工作橋閘墩的作用是將溢流壩前緣分隔為若干個(gè)孔口，并承受閘門傳來的水壓力，也是壩頂橋梁和啟閉設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)。為了使水流平順，減小孔口水流的側(cè)收縮，閘墩上游端常采用半圓形，下游端逐漸收縮，形成流線型，以使水流平順擴(kuò)散?？紤]到分縫。由于閘墩較薄，為避免產(chǎn)生拉應(yīng)力，需要配置受力鋼筋和構(gòu)造鋼筋，由閘墩結(jié)構(gòu)計(jì)算確定?？紤]到滿足布置閘門、工作橋、交通橋和啟閉機(jī)械的要求， m。工作橋采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。工作橋的平面布置滿足啟閉機(jī)械的安裝和運(yùn)行條件的要求。溢流壩兩側(cè)設(shè)邊墩，也稱邊墻或?qū)畨?，一方面起閘墩的作用，同時(shí)也起分隔溢流段和非溢流段的作用。 溢流面設(shè)計(jì)溢流面曲線有頂部曲線段、中間直線段和下部反弧段三部分組成。設(shè)計(jì)要求是：①有較高的流量系數(shù)；②水流平順，不產(chǎn)生空蝕。為減少頂部曲線段的形狀對泄流能力和流態(tài)的影響，壩頂溢流式孔口采用WES曲線。 溢流面頂部曲線可采用WES曲線曲線的具體形式見圖（22）。其中的Hd為定形設(shè)計(jì)水頭，按堰頂最大作用水頭Hmah的75%～95%計(jì)算。Hmah為校核流量下的堰上水頭，即:Hmah= H校H堰頂== m由于H0/HD=，得出 HD=H0/=堰頂WES曲線相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算如下表：距堰頂O點(diǎn)X值距堰頂O點(diǎn)Y值或R值X1== R1==X1==R2==X1==R3==X1=1m Y=X1=2mY=X1=3mY=…………= 計(jì)算各點(diǎn)坐標(biāo)堰頂WES曲線坐標(biāo)表堰頂左側(cè)XR堰頂右側(cè)X1234567891011Y 下游反弧段曲線下游反弧段的反弧半徑R=(4～1O)h，h為校核洪水位閘門全開時(shí)反弧段最低點(diǎn)處的水深。R太小，水流轉(zhuǎn)向不夠平順，過大又使向下游延伸太長，增加工程量。當(dāng)反弧段流速V ＜16 m/s時(shí)，可取下限，流速越大，反弧半徑也宜選用較大值。消能工采用挑流消能，鼻坎頂高程高出下游最高水位H= ,按照校核水位洪水期的允許下泄流量，,。溢流壩下游反弧段的作用是使溢流壩面下泄的水流平順地與下游消能設(shè)施相銜接，取反弧半徑R=16（下節(jié)有計(jì)算公式）。 中間直線段設(shè)計(jì)中間的直線段與壩頂曲線和下部反弧段相切，坡度一般與非溢流壩段的下游坡相同，即 1:。 水力計(jì)算水力計(jì)算的內(nèi)容包括堰頂過流量計(jì)算、下游消能水力計(jì)算等。根據(jù)本工程的實(shí)際情況，建議采用挑流消能方式。挑流消能設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括選擇合適的鼻坎形式、反弧半徑、鼻坎高程和挑射角度，計(jì)算各種泄量時(shí)的挑射距離和最大沖坑的深度。 堰頂過流根據(jù)溢流壩孔口尺寸可以得出：溢流壩段總寬度為225m，設(shè)計(jì)洪水泄流量Q設(shè)=18276m3/s C=；；，m=, H0設(shè)=；校核洪水泄流量Q =24527m3/s C=；；，=, H0設(shè)=；堰頂過流量計(jì)算公式見水工建筑物教材中的開敞式溢流堰泄流能力計(jì)算公式。, m時(shí)：Q = CmεσSL（2g）1/2H0設(shè)3/2 =****225*（2*）1/2* =18432m3/s＞Q設(shè)（18276m3/s） , m時(shí)：Q = CmεσSL（2g）1/2H0校3/2 =****225*（2*）1/2* =25357m3/s＞Q校（24527m3/s） 消能工的形式選擇設(shè)計(jì)原則：⑴盡量使下泄水流的大部分動(dòng)能消耗于水流內(nèi)部的紊動(dòng)中，以及水流與空氣的摩擦上；⑵不產(chǎn)生危及壩體安全的河床沖刷或岸坡局部沖刷；⑶下泄水流平穩(wěn)，不影響樞紐中其他建筑物的正常運(yùn)行；⑷結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；⑸工程量小，經(jīng)濟(jì)。根據(jù)地形、地質(zhì)、樞紐布置、水頭、泄量、運(yùn)行條件、消能防沖要求、下游水深及其變幅等條件進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇消能工的形式為挑流式消能。 挑流消能鼻坎頂高程：高出下游最高水位h=；按照校核洪水期的允許下泄流量，,；鼻坎底高程與溢流壩底高程相同。 下游反弧段的反弧半徑R=(4～1O)h，h為校核洪水位閘門全開時(shí)反弧段最低點(diǎn)處的水深。由于流速V 較大，經(jīng)分析，反弧半徑R也宜選用較大值，即：R=（4～1O）h=～，為使溢流壩面下泄的水流平順地與下游消能設(shè)施相銜接，本設(shè)計(jì)取16m。挑射角θ=15176?！?35176。取θ=35176。 最大沖坑深度最大沖坑深度：T= t式中：k—沖刷系數(shù)，因I83線覆蓋層為沙石層，由表225查得k=；q—單寬流量，由堰頂過流知最大流量，Q =25357m3/sq= Q/ L=25357/225= m3/（）H—上下游水位差，H= H校H校尾== mt—上下游水深，t==15 m故：T== *= 水舌挑射距離水舌挑射距離按照如下計(jì)算： L′＝L＋ΔL其中 L=1/g{ν12sinθcosθ+ν1 cosθ+ [ν12sin2θ+2g(h1+ h2)]1/2}ΔL=Ttanβ式中： L′—沖坑最深點(diǎn)到壩下游垂直面的水平距離，m；L—壩下游垂直面到水舌外緣進(jìn)入下游水面后與河床面交點(diǎn)的水平距離，m；ΔL—水舌外緣與河床面交點(diǎn)到?jīng)_坑最深點(diǎn)的水平距離，m；ν1—坎頂水面流速，m/s。，即：H0==ν1==（2gH0）1/2=**（2**）1/2= θ—挑射角；h1—坎頂垂直方向的水深，m。h1= h/ cosθ=176。=h—坎頂水深，h2—坎頂至河床面高差，h2== mψ—堰面流速系數(shù)，～；經(jīng)查水力學(xué)717表，取ψ=T—最大沖坑深度，m，由下面（2）項(xiàng)知T = mβ—水舌外緣與下游水面的夾角，取β=40176。L=1/{*sin35176。*cos35176。+ cos35176。+ [176。+2*(+ )]1/2}= ΔL=Ttanβ=*tan40176。=最大挑射距離：L′＝L＋ΔL=+=4 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 擋水壩荷載作用及其組合 作用在擋水壩上的荷載有：基本組合1：興利水位的靜水壓力，揚(yáng)壓力，浪壓力，自重，泥沙壓力?；窘M合2：設(shè)計(jì)洪水位時(shí)靜水壓力，揚(yáng)壓力，浪壓力，自重,泥沙壓力。特殊組合1：校核洪水位時(shí)靜水壓力，揚(yáng)壓力，浪壓力，自重,泥沙壓力。特殊組合2：興利水位的水壓力，揚(yáng)壓力，浪壓力，自重，泥沙壓力和地震慣性力，地震動(dòng)水壓力和動(dòng)土壓力等。基本組合基本組合特殊組合1中荷載相同，只計(jì)算最高水位時(shí)進(jìn)行驗(yàn)算，即計(jì)算特殊組合1和特殊組合2。 特殊組合1 m， m， m，取1m寬壩段進(jìn)行計(jì)算，見下圖。自重W1=1024=20040kNW2=1/224=41438kNW3=1/220424=960kN水壓力上游水平水壓力：P1=1/210=33048kN下游水平水壓力：P2=1/210=2904kN上游垂直水壓力：Q1=410=2448kNQ2=1/242010=400 kN下游垂直水壓力：Q4=1/210=2323kN揚(yáng)壓力壩基設(shè)帷幕灌漿和排水孔， ，排水處揚(yáng)壓力折減系數(shù)為α=。U1=10=16041kNU2=1/210=7498kNU3=1/2(+)510=2639kN浪壓力，多年平均最大風(fēng)速為V=，水庫吹程為D=3km。各波浪要素計(jì)算如下：因V=，20 V ，采用鶴地水庫公式計(jì)算浪高：2 hl= /g= /=2 Ll= /g= /=hz≈ hl= ；壩前水深H1=因gD/V2=52， 故h1%== ；又因?yàn)檎８咚磺闆r下，半個(gè)波長Ll= m；H1Ll,則浪壓力按深水波計(jì)算：P1=γ0 Ll－=－= kN泥沙壓力水平泥沙壓力：P m 1 =TLan2(45176。－φ/2)=TLan2(45176。－12176。/2)=1507kN垂直泥沙壓力：P m 2=1/2(+)49= 454kN[見附表一：荷載計(jì)算表（特殊組合1）] 特殊組合2， m，取1m寬壩段進(jìn)行計(jì)算：自重W1=1024=20040kNW2=1/224=41438kNW3=1/220424=960kN水壓力上游水平水壓力：P1=1/210=30576kN下游水平水壓力：P2=1/210=414kN上游垂直水壓力：Q1=410=2328kNQ2=1/242010=400 kN下游垂直水壓力：Q4=1/210=331kN揚(yáng)壓力壩基設(shè)帷幕灌漿和排水孔， ，排水處揚(yáng)壓力折減系數(shù)為α=。U1=10=6057kNU2=1/210=7221kNU3=1/2(+)510=2542kN浪壓力，多年平均最大風(fēng)速為V=，水庫吹程為D=3km。波浪要素計(jì)算如下：因V=，20 V ，采用鶴地水庫公式計(jì)算浪高：2 hl= /g= /=2 Ll= /g= /=hz≈ hl= ；壩前水深H1= m因gD/V2=52， 故h1%== ；又因?yàn)檎８咚磺闆r下，半個(gè)波長Ll= m；H1L l，浪壓力按深水波計(jì)算：P1=γ0 Ll－=－= kN泥沙壓力水平泥沙壓力：P m 1 =TLan2(45176。－φ/2)=TLan2(45176。－12176。/2)=1507kN垂直泥沙壓力：P m 2=1/2(+)49= 454kN地震慣性力：壩址處基本烈度為6度，該工程為1級建筑物，設(shè)計(jì)烈度為7度，故應(yīng)該考慮地震力。根據(jù)下列公式分別計(jì)算Fi=αiξGiαi/g式中：Fi－壩體分塊后，作用在第i壩塊形心上的水平地震慣性力；αi－水平向設(shè)計(jì)地震加速度；ξ－地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，；Gi－第i壩塊的重量，kN；αi－第i壩塊的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)，由下列公式計(jì)算：αi=式中：n－壩體分塊總數(shù)；H－壩高；G－壩體總重量，kN；Gj－第i壩塊重量，kNhi、hj－分別為第i，j形心倒壩底面的高度。將壩體分為3塊，則G1=1024=20040kN h1=G2=1/224=41438kNh 2= m G3=1/220424=960kN h 3= mG=20040＋41438＋960=62798kNH=故：α1=，α2=，α3=則：F1=20040F2=41438F3=960[見附表二 荷載計(jì)算表（特殊組合2）] 作用在溢流壩上的荷載及其組合作用在溢流壩上荷載有：基本組合1：興利水位的靜水壓力，揚(yáng)壓力，浪壓力，自重，泥沙壓力。基本組合2：設(shè)計(jì)洪水位時(shí)靜水壓力，揚(yáng)壓力，浪壓力，自重,泥沙壓力。特殊組合1：校核洪水位時(shí)靜水壓力，揚(yáng)壓力，浪壓力，自重,泥沙壓力。特殊組合2：興利水位的水壓力，揚(yáng)壓力，浪壓力，自重，泥沙壓力和地震慣性力，地震動(dòng)水壓力和動(dòng)土壓力等。基本組合基本組合特殊組合1中荷載相同，只計(jì)算最高水位時(shí)進(jìn)行驗(yàn)算，即計(jì)算特殊組合1和特殊組合2。 特殊組合1 m，