【正文】 型堰面曲線圖（單位：m）二、反弧段 溢流壩壩面反弧段是使沿溢流面下泄的水流平順轉(zhuǎn)向的工程設(shè)施，通常采用圓弧曲線，反弧段半徑應(yīng)結(jié)合下游消能設(shè)施來(lái)確定。根據(jù)DL5108—1999《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：對(duì)于挑流消能R=（4～10）h，h為校核洪水閘門(mén)全開(kāi)時(shí)反弧段最低點(diǎn)處的水深或者取R=（8～10）h，h為鼻坎上水深。反弧處流速愈大，要求反弧段半徑愈大。當(dāng)流速小于16m／s時(shí)取下限；流速大時(shí)，宜采用較大值。鼻坎高程在工程中一般采用下游最高尾水位以上m高。挑射角按試驗(yàn)，一般取20176?！?5176。，在此取=25176。鼻坎處水流平均流速V為：V=ψ （27）式中：ψ為溢流壩的流速系數(shù)；H0為庫(kù)水位至坎頂高差，m。因?yàn)镼=AV=BhV,所以鼻坎處平均水深為：h=Q／﹙BV﹚ （28）式中：Q為溢流壩下泄流量，m3／s；B為鼻坎處水面寬度，取B=L0=78m。（1） 反弧段半徑的確定 H0=－=,Q=／，所以，溢流面長(zhǎng)度較長(zhǎng)，由參考文獻(xiàn)2：《水力學(xué)》下冊(cè)中泄水建筑物的流速系數(shù)ψ取值知ψ=，代入公式（27）得：V=ψ==／s，代入公（28）得：h=Q／﹙BV﹚=／﹙78﹚=得：R=（8～10）h=（8～10）=～,取R=22m。 H0=－=,Q=／s，ψ=。代入公式（27）得：V=ψ==／s，代入公式（28）得：h=Q／﹙BV﹚=／﹙78﹚=得：R=（8～10）h=（8～10）=～,亦可取R=22m。（2） 圓心高程的確定圓心O高程：mm。（三）直線段和反弧段切點(diǎn)的坐標(biāo)的確定m其中 。m。（4） 圓心到堰頂?shù)乃骄嚯x圓心到堰頂?shù)乃骄嚯x：m。（五）反弧最低點(diǎn)和鼻坎頂D的坐標(biāo)的確定三、中間直線段中間直線段與壩頂曲線和下部反弧段相切，坡度與非溢流壩段的下游坡度相同。溢流壩剖面圖如圖8。 圖8 溢流壩剖面圖（單位：m）第三節(jié) 消能計(jì)算通過(guò)溢流壩頂下泄的水流，具有很大能量，所以要采取有效的消能措施，保護(hù)下游河床免受沖刷。消能設(shè)計(jì)的原則：消能效果好，結(jié)構(gòu)可靠，防止空蝕和磨蝕，以保證壩體和有關(guān)建筑物的安全。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)壩址地形，地址條件，樞紐布置，壩高、下泄流量等綜合考慮。 挑流消能設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：選擇鼻坎型式，確定鼻坎高程、反弧半徑、挑射角，計(jì)算挑距和下游沖刷坑深度。一、鼻坎型式消能工型式有：底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等。溢流壩常用的消能方式是：挑流消能和底流消能，挑流消能又分連續(xù)式挑流消能和差動(dòng)式挑流消能。連續(xù)式挑流消能：構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，水流平順，射程較遠(yuǎn)，一般不易產(chǎn)生空蝕，且其利用溢流壩下游的挑流鼻坎將從壩頂下泄的高速水流拋向空中，使水流擴(kuò)散、摻氣，然后跌入下游河床的水墊中，水流在同空氣摩擦的過(guò)程中可消耗一部分能量于沖坑中，這種方式比較經(jīng)濟(jì)。差動(dòng)式挑流消能：沖坑最深點(diǎn)距壩腳較近，鼻坎上水流流態(tài)復(fù)雜，在高速水流作用下，容易引起空蝕破壞。底流消能：土石方開(kāi)挖量和混凝土澆筑量一般都較大，與挑流消能比較，底流消能在經(jīng)濟(jì)方面往往不利。根據(jù)地形地質(zhì)條件選用連續(xù)式挑流消能。挑流消能是利用泄水建筑物出口處的挑流鼻坎，將下泄急流拋向空中，然后落入離建筑物較遠(yuǎn)的河床，與下游水流相銜接的效能方式。二、鼻坎高程。三、反弧段半徑由溢流壩剖面設(shè)計(jì)中反弧段部分知反弧段半徑R=22m。四、挑射角挑射角按試驗(yàn)，一般取20176?！?5176。，在此取=25176。五、挑距計(jì)算 水舌挑射距L離按水舌外緣計(jì)算，其估算公式為：L= （29）式中：為水舌挑距，m；g為重力加速度，m／s2；V1為坎頂水面流速，m／s，；θ為挑射角；為坎頂平均水深在垂直方向的投影，m； ；為坎頂至河床面高差，m。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖9。圖9 挑距計(jì)算簡(jiǎn)圖（1） 校核洪水位情況V1===，=25176。，=cos25176。=，h2=－95=，代入公式（29）得：L===（二）設(shè)計(jì)洪水位情況 V1===，=25176。，=cos25176。=，h2=－95=，代入公式（29）得：L===六、沖刷坑深度計(jì)算 最大沖坑水墊厚度一般按下式計(jì)算： （30），=－H2 （31）式中：為水墊厚度，自水面算至坑底，m；，為沖坑深度，m；為單寬流量，m3/﹙sm﹚；為上下游水位差，m；為下游水深，m；α為沖坑系數(shù)，～，～，～。由基本資料知壩基為花崗巖，風(fēng)化較淺，巖性均一，新鮮堅(jiān)硬完整，所以取α=。（一）校核洪水位情況 L=56m，Q=，q=Q／L=／56=﹙sm﹚, H=－=,代入公式（30）和（31）得：= =， =－95= ，=－H2 = －=。（二）設(shè)計(jì)洪水位情況 L=56m，Q=，q=Q／L=／56=﹙sm﹚, H=－=,代入公式（30）和（31）得：= =， =－95= ，=－H2 = －=。設(shè)計(jì)挑流消能工時(shí)，可用挑射距離L與最大沖坑深度，的比值作為指標(biāo)，一般要求L／，＞～。 校核洪水位情況： L=，=，L／，=／=＞～，滿足要求。 設(shè)計(jì)洪水位情況：L=，=，L／，= ／ =＞～，滿足要求。 第五章 壩身泄水孔的設(shè)計(jì)壩身泄水孔的型式有有壓和無(wú)壓式。有壓泄水孔：工作閘門(mén)布置在出口，門(mén)后為大氣壓，可以部分開(kāi)啟，出口高程較低，作用水頭較大，斷面尺寸較小，缺點(diǎn)是閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，孔內(nèi)承受較大的內(nèi)水壓力，對(duì)壩體應(yīng)力和防滲都不利，常需用鋼板襯砌。無(wú)壓泄水孔：工作閘門(mén)布置在進(jìn)口，為了形成無(wú)壓水流需要在閘門(mén)后將孔的頂部升高，閘門(mén)可以部分開(kāi)啟，閘門(mén)關(guān)閉后孔內(nèi)無(wú)水。明流段可不用鋼板襯砌，施工簡(jiǎn)便，干擾少，有利于加快施工進(jìn)度，與有壓泄水孔相比，對(duì)壩體削弱較大。比較分析后本工程采用有壓泄水孔。壩體在內(nèi)水壓力作用下可能會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，因此孔壁需要用鋼板襯砌。且為單層、底孔。綜上本設(shè)計(jì)中泄水孔選擇單層、有壓、底孔。第一節(jié) 泄水孔直徑選定依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取直徑D=3m，該部分泄水孔主要用于放空水庫(kù)以便檢修；排放泥沙，減少水庫(kù)淤積。正常情況下不用于泄洪。第二節(jié) 進(jìn)水口體形設(shè)計(jì)進(jìn)水口體形應(yīng)滿足水流平順，水頭損失小的要求；控制負(fù)壓，防止空蝕。進(jìn)口曲線常采用188。橢圓，其方程為： （32） 橢圓的長(zhǎng)軸（x軸）多與孔軸平行，有些試驗(yàn)資料表明，長(zhǎng)軸稍向上傾斜，不但可以保證良好的壓力分布，且有較大的泄水能力。對(duì)于圓形斷面的泄水孔，上式中的A為圓孔直徑。對(duì)于矩形斷面的泄水孔頂面曲線，A為孔高，采用1/3到1/4。空口兩側(cè)的壁曲線也用橢圓曲線，A為孔寬，采用1/4；進(jìn)口底部邊界線可以采用圓弧，進(jìn)口段的孔口中心線，一般布置成水平。進(jìn)水口底面為平面進(jìn)口。本設(shè)計(jì)泄水孔斷面為圓形，所以A=D=3m，取α=， αA=3=,于是，得進(jìn)水口曲線方程為：進(jìn)水口曲線部分坐標(biāo)值如表20。表20x3210y0 進(jìn)水口形狀如圖10所示。圖10 進(jìn)水口形狀（單位：m）第三節(jié) 閘門(mén)與門(mén)槽 有壓泄水孔一般在進(jìn)水口設(shè)置攔污柵和平面檢修閘門(mén)，在出口處設(shè)置無(wú)門(mén)槽的弧形閘門(mén)。 平面檢修閘門(mén)的門(mén)槽設(shè)計(jì)不當(dāng)容易產(chǎn)生空蝕破壞。根據(jù)工程實(shí)踐，在高水頭時(shí)，門(mén)槽應(yīng)采用如圖11所示矩形收縮型門(mén)槽較好。圖11 門(mén)槽其尺寸為：門(mén)槽寬深比W／d=～；錯(cuò)距Δ=（～）W；下游邊墻破率為1∶8～1∶12；圓角半徑r=。本設(shè)計(jì)取d=60cm, W／d=，得W=102cm，r==6cm。 第四節(jié) 孔身段設(shè)計(jì) 有壓泄水孔多用矩形斷面，但泄流能力較小的有壓泄水孔則常采用圓形斷面。由于防滲和應(yīng)力條件的要求，孔身周邊需要布設(shè)鋼筋，有時(shí)還要采用鋼板襯砌。本工程采用有壓泄水孔，孔壁需要用鋼板襯砌。第五節(jié) 漸變段泄水孔進(jìn)口一般都做成矩形，以便布置進(jìn)口曲線和閘門(mén)。當(dāng)有壓泄水孔斷面為圓形時(shí)，在進(jìn)口閘門(mén)后需設(shè)漸變段，以便水流平順過(guò)渡，防止負(fù)壓和空蝕的產(chǎn)生。漸變段可采用在矩形4個(gè)角加圓弧的辦法逐漸過(guò)渡，見(jiàn)圖12（圖中B=H=D=3m。）。當(dāng)工作閘門(mén)布置在出口時(shí)，出口斷面也需做成矩形，因此在出口段同樣需要設(shè)置漸變段，見(jiàn)圖13。圖12 進(jìn)口漸變段圖13 出口漸變段（單位：m） 漸變段施工復(fù)雜，所以不宜太長(zhǎng)。但為使水流平順，也不宜太短，～。本工程中取L=2D=6m。邊壁的收縮率控制在1∶5～1∶8之間。在壩身有壓泄水孔末端，水流從壓力流突然變成無(wú)壓流，引起出口附近壓力降低，容易在該部位的頂部產(chǎn)生負(fù)壓，所以，在泄水孔末端常插入一小段斜坡將空頂壓低，～，孔頂壓坡取1∶10～1∶5之間。取壓坡率為：1∶5。第六節(jié) 平壓管和通氣孔一、平壓管平壓管是設(shè)置在檢修閘門(mén)和工作閘門(mén)之間與水庫(kù)相通的輸水管道，目的是為了減小檢修閘門(mén)的啟閉力。開(kāi)啟閘門(mén)前先在兩道閘門(mén)中間充水，這樣就可以在靜水中起吊檢修閘門(mén)。二、通氣孔當(dāng)工作閘門(mén)布置在進(jìn)口，提閘泄水時(shí)，門(mén)后的空氣被水流帶走，形成負(fù)壓，因此在工作閘門(mén)后需要設(shè)置通氣孔。通氣孔直徑d可按以下各式估算：Qa= （33）α= （34） d= （35）式中：Qa為通氣孔的通氣量，m3／s；Vw為閘門(mén)全開(kāi)時(shí)過(guò)流斷面平均流速，m／s；A為閘門(mén)后泄水孔斷面面積，m2；[Va]為通氣孔允許風(fēng)速，一般不超過(guò)40～45m／s；a為通氣孔斷面面積，m2；d為通氣孔直徑，m。 在向兩道閘門(mén)之間充水時(shí)，需將空氣排出，為此有時(shí)再檢修閘門(mén)后也需設(shè)通氣孔。因?yàn)樾顾卓缀陀袎轰摴懿⑴挪贾茫袎轰摴蹹=，流量Q=VA=／s，泄水底孔D=3m，可以估計(jì)泄水底孔的流量Q=VwA=56m3／s,代入以上得：Qa==56=／s，取[Va]=40m／s得：α== ／40=, 進(jìn)而得：d= == =41cm。第七節(jié) 消能工型式的選則泄水隧洞大都采用挑流消能，其次是底流消能。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也在研究和采用新型消能工，如窄縫挑流消能、洞內(nèi)突擴(kuò)消能、洞內(nèi)旋流消能等。本設(shè)計(jì)中采用挑流消能。當(dāng)出口高程高于或接近于下游水位，且地形、地質(zhì)條件允許的時(shí)候，采用擴(kuò)散式挑流消能比較經(jīng)濟(jì)合理，國(guó)內(nèi)外泄洪、排沙隧洞廣泛采用這種消能方式。（如下圖可以省）當(dāng)隧洞軸線與河道水流交角較小時(shí)，可采用斜切挑流鼻坎，靠河床一側(cè)鼻坎較低，使挑射主流偏向河床，以減輕對(duì)岸邊的沖刷。挑流消能也可以采用收縮式窄縫挑坎，其特別適用于岸坡陡峻，河谷狹窄的情況。試驗(yàn)研究表明，收縮式窄縫挑坎的適宜收縮比b／B(b為挑坎末端寬度，B為挑坎始端寬度)及長(zhǎng)寬比L／B（L為收縮挑坎的長(zhǎng)度）與弗勞德數(shù)Fr有關(guān)。深式泄水孔或隧洞，出口寬度小，單寬流量較大，當(dāng)b／B較小而L／B較大時(shí)，不僅挑流水舌擴(kuò)散不好，甚至在收縮段內(nèi)產(chǎn)生水躍，適宜的b／～、L／～。對(duì)實(shí)際工程，在選擇挑坎尺寸時(shí)，應(yīng)通過(guò)水工模型試驗(yàn)來(lái)確定，要求沖擊波交匯于挑坎出口附近，并能獲得良好的擴(kuò)散水舌。第六章 水電站壩段設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中水電站廠房采用壩后式廠房，水庫(kù)至水輪機(jī)之間采用有壓鋼管輸水。第一節(jié) 有壓鋼管的布置和孔徑的確定一、壓力鋼管的布置 壓力鋼管的布置的布置原則如下：（1）盡可能選擇短而直的路線。（2）盡量選擇良好的地質(zhì)條件。（3）盡量減少管道的起伏波折，避免出現(xiàn)反坡，以利管道排空。（4）避開(kāi)可能發(fā)生山崩或滑坡地區(qū)。（5）明鋼管的首部應(yīng)設(shè)事故閘門(mén)，并應(yīng)考慮設(shè)置事故排水和防沖設(shè)施，以免鋼管發(fā)生事故時(shí)危及電站設(shè)備和運(yùn)行人員的安全。二、孔徑的確定 孔徑D可依據(jù)下式計(jì)算：D= （36）式中：Qmax為鋼管的最大設(shè)計(jì)流量，m3／s；H為設(shè)計(jì)水頭，m。Qmax=338／4=／s，H=184－=，代入公式（36）得：D===，取D=。第二節(jié) 有壓進(jìn)水口設(shè)計(jì)一、有壓進(jìn)水口的高程確定 有壓進(jìn)水口應(yīng)低于運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最低水位，并有一定的淹沒(méi)深度，以避免進(jìn)水口前出現(xiàn)漏斗狀吸氣漩渦，并防止有壓引水道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，其中前者常為控制條件，且在有壓進(jìn)水口的底部高程應(yīng)高于設(shè)計(jì)淤積高程。依據(jù)觀測(cè)分析表明，不出現(xiàn)吸氣漩渦的臨界淹沒(méi)水深可按下式估算：Scr=CV （37）式中：d為閘門(mén)孔口高度，m；V為閘門(mén)斷面水流速度，m／s；Scr為閘門(mén)門(mén)頂?shù)陀谒坏呐R界淹沒(méi)深度，考慮風(fēng)浪影響時(shí)，計(jì)算中采用最低水位比靜水位約低半個(gè)浪高；C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，C=～。取C=，V=Q／A==／s；孔徑D=，可取d=5m，代入公式（37）得：Scr=CV ==。由基本資料知死水位為164m，百年后水庫(kù)淤積高程為115m，164－Scr=164－=，綜上取進(jìn)水口高程為140m。二、有壓進(jìn)水口的輪廓尺寸 洞式、墻式及塔式進(jìn)水口的進(jìn)口段、閘門(mén)段、漸變段劃分比較明確，進(jìn)水口的輪廓尺寸主要取決于三個(gè)控制斷面的尺寸，即攔污柵斷面、閘門(mén)孔口斷面和隧洞段面。進(jìn)水口的輪廓應(yīng)能光滑的連接這三個(gè)斷面，使得水流平順，流速變化均勻，水流與四周側(cè)壁之間無(wú)負(fù)壓及渦旋。 進(jìn)口段的作用是連接攔污柵與閘門(mén)段。隧洞的進(jìn)口段常為平底，兩側(cè)稍有收縮，上唇收縮較大。兩側(cè)收縮曲線常為圓弧，上唇收縮曲線一般用四分之一橢圓，當(dāng)引用流量及流速不大時(shí)可用圓弧或雙曲線。進(jìn)口段的長(zhǎng)度無(wú)一定標(biāo)準(zhǔn)。