第2章溢流壩設(shè)計(jì)2.1剖面設(shè)計(jì)2.1.1堰頂高程堰頂水頭計(jì)算(2.1)(2.2)式中：Q—流量，m3/s；B—溢流堰凈寬,m；—堰頂以上作用水頭,m；g—重力加速度；m—流量系數(shù)，可根據(jù)規(guī)范查表；C—上游面坡度影響系數(shù)，鉛直面時(shí)取1.0；ε—側(cè)收縮系數(shù)，根據(jù)閘墩厚度及墩頭形狀而定，可取0.90～0.95；—淹沒(méi)系數(shù)，視溢流的淹沒(méi)程度而定，不淹沒(méi)時(shí)取1.0。--堰頂高程，m；H—水位，分校核和設(shè)計(jì)情況,m；Hw 本設(shè)計(jì)先假設(shè)ε=0.9；假設(shè)m=0.48。分別計(jì)算設(shè)計(jì)、校核情況下的堰上水頭，相應(yīng)的洪水位減去堰上水頭即為堰頂高程。取較小的值作為所求的堰頂高程。計(jì)算結(jié)果如下表所示：表2.1堰頂高程表（m）堰頂水頭堰頂高程設(shè)計(jì)洪水位1.75802.98校核洪水位2.3802.93由上表所得，且為施工方便，取堰頂高程803m。2.1.2閘門(mén)和閘墩本設(shè)計(jì)不設(shè)閘門(mén)。溢流壩兩側(cè)設(shè)邊墩,一方面起閘墩的作用,同時(shí)也起著分隔溢流壩段和非溢流壩段的作用。邊墩從壩頂延伸到壩趾，邊墩高度由溢流水深決定，并考慮到溢流面上摻氣所引起的水深增加值，邊墩頂一般高出水面1～2m。2.1.3設(shè)計(jì)孔口和孔口尺寸：閘門(mén)寬度；孔口數(shù)量：，取2個(gè)。門(mén)槽處的閘墩厚度不得小于1~1.5m,則閘墩厚度為3m。溢流前沿總長(zhǎng):2.1.4泄流能力的校核設(shè)計(jì)洪水位與校核洪水位情況下，根據(jù)公式分別校核泄流能力，上游堰高為，泄流能力與堰頂曲線有關(guān)，因此與定型水頭有關(guān)，,取1.785m。通過(guò)查流量系數(shù)表可得：設(shè)計(jì)洪水位時(shí)流量系數(shù)為：m=0.486；校核洪水位時(shí)m=0.513。設(shè)計(jì)洪水時(shí)壩的泄流能力：0.486×0.9×15××1.7533/2=67.28m3/s，大于66.6m3/s，滿足泄流要求。校核洪水時(shí)壩的泄流能力：0.513×0.9×15××2.33/2=107.00m3/s,大于100m3/s，滿足泄流能力。因此，堰頂高程803m滿足要求。表2.2泄流能力表（m3/s）洪水流量泄流能力設(shè)計(jì)洪水位66.667.28校核洪水位1001002.2溢流壩剖面擬定：2.2.1堰頂曲線的確定：首先應(yīng)確定定型設(shè)計(jì)水頭，定型設(shè)計(jì)水頭需要滿足：取。為使溢流面溢流平滑，溢流壩頂部多采用曲線形式，頂部曲線的形式很多，常用的有克—奧曲線和WES曲線。其中WES型實(shí)用堰的流量系數(shù)比其他形式大，所以本設(shè)計(jì)采用WES型實(shí)用堰。定型水頭不同，堰頂可能出現(xiàn)的最大負(fù)壓也不同。因此選擇WES實(shí)用堰堰面曲線定型設(shè)計(jì)水頭時(shí)，還應(yīng)結(jié)合堰面允許負(fù)壓值綜合確定。一般宣泄設(shè)計(jì)洪水閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，負(fù)壓值不允許超過(guò)3m水柱高，宣泄校核洪水位閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，負(fù)壓值不應(yīng)超過(guò)6m水柱高。見(jiàn)下表2.3。表2.3WES實(shí)用堰堰頂附近最小相對(duì)壓力?HH?P0.751.33-0.450.7751.29-0.400.801.25-0.300.8251.21-0.251)設(shè)計(jì)洪水情況：。由表可得壓力值為正，滿足要求。2)校核洪水情況：。,所以負(fù)壓的值為0.54m水柱高，小于6m水柱高，滿足要求。所以定型設(shè)計(jì)水頭滿足要求。首先繪出壩頂部的曲線，取堰頂部最高點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。WES型堰頂部曲線以堰頂為界分為上游段和下游段兩部分。堰頂上游段堰頭曲線型式計(jì)有雙圓弧、三圓弧及橢圓曲線三種。因溢流壩上游堰面的上部鉛直，三圓弧及橢圓曲線與上游直立面相切，更有利于減小堰面負(fù)壓，本設(shè)計(jì)采用三圓弧型曲線，如圖3.4所示：圖2.1堰頂上游堰頭為三圓弧曲線、下游為冪曲線1.堰頂上游面曲線的確定各控制坐標(biāo)，應(yīng)按下式計(jì)算：式中：—定型設(shè)計(jì)水頭,m堰頂O點(diǎn)上游三圓弧的半徑及其坐標(biāo)值為：；；2.堰頂下游面曲線的確定堰頂下游面冪曲線方程為：（2.3）式中：Hdx、y—原點(diǎn)下游堰面曲線橫縱坐標(biāo)，m；n—與上游堰坡有關(guān)的指數(shù)，見(jiàn)下表k—當(dāng)P1/Hd>1.0時(shí)，k值見(jiàn)下表，不滿足時(shí)，取k值的2.0~2.2，其中P1為上游相對(duì)堰高。表2.4堰面曲線參數(shù)表上游面坡度（?y/?x）knR1aR2b3:02.0001.8500.5H0.175H0.2H0.282H3:11.9361.8360.68H0.139H0.21H0.237H3:21.9391.8100.48H0.115H0.22H0.214H3:31.8731.7760.45H0.119H——?jiǎng)t根據(jù)方程計(jì)算出的下游曲面坐標(biāo)見(jiàn)下表2.5表2.5堰頂下游曲面坐標(biāo)x0.511.522.52.744y0.0850.3060.6471.1011.6641.9782.2.2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一樣，因此中間直線段。2.2.3反弧段溢流壩面反弧段是使沿溢流面下泄水流平順轉(zhuǎn)向的工程設(shè)施，通常采用圓弧曲線，反弧段段半徑應(yīng)結(jié)合下游消能設(shè)施來(lái)確定，當(dāng)采用底流消能，其反弧段半徑計(jì)算公式為： 式中：為校核洪水位閘門(mén)全開(kāi)時(shí)反弧段最低點(diǎn)處的水深，m；由消能設(shè)施計(jì)算可得，則，且當(dāng)為底流消能時(shí)，宜采用上限值，取。2.3消能防沖設(shè)計(jì)2.3.1判斷下游水躍銜接形式尾水深度小于、等于或大于水躍躍后水深，下泄水流將有可能出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)、臨界和淹沒(méi)三種銜接流態(tài)。計(jì)算不同流量下的躍前躍后水深。收縮斷面水深的計(jì)算公式為：（2.4）式中：為流速系數(shù)，一般取。根據(jù)試算法，得出收縮斷面的水深值，而后由躍前斷面與躍后斷面水深公式計(jì)算可得躍后對(duì)應(yīng)的躍后水深，其計(jì)算公式為：（2.5）根據(jù)以上公式計(jì)算即可計(jì)算出不同流量下的躍后水深，與下游水深相比，即可判斷出水躍銜接形式。計(jì)算結(jié)果如下所示。 表2.6水躍銜接形式判斷（m） 差值1.440.1711.771.92.896.670.2562.832.373.46從上表可以看出，在所討論的流量范圍內(nèi)，躍后水深均大于下游水深，故下游產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍銜接。為使下游產(chǎn)生淹沒(méi)水躍銜接，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，現(xiàn)擬設(shè)計(jì)一降低護(hù)坦高程的消能池。2.3.2消力池深度的計(jì)算（1）設(shè)計(jì)流量的確定由水力學(xué)可知，計(jì)算消力池深度時(shí)，所用流量并不一定是最大流量，而是當(dāng)躍后水深與下游水深相差最大時(shí)的流量即為消力池深度的設(shè)計(jì)流量。由上表3.7可知，當(dāng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的躍后水深與下游水深相差最大，因此消力池深度的設(shè)計(jì)流量。（2）深度的計(jì)算為使建筑物下游形成淹沒(méi)程度不大的水躍，消能池的水深應(yīng)為: （2.6）式中：為水躍的淹沒(méi)系數(shù)，一般取1.05；為護(hù)坦高程降低后收縮水深的躍后水深形成消能池后，水躍將發(fā)生在池內(nèi)。離開(kāi)消能池的水流，由于豎向收縮，過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，動(dòng)能增加，水面跌落一個(gè)值，其水流特性與淹沒(méi)寬頂堰相同。則消能池內(nèi)水深為 （2.7） （2.8） （2.9）式中:d—消力池深度，m?c?c1?tq—單寬流量,m3/sφ—流速系數(shù)，可取0.85～0.95φ'E0g—重力加速度d=2m時(shí)滿足要求。于是消力池深度取2米。2.3.3消力池長(zhǎng)度的計(jì)算根據(jù)規(guī)范，消力池的長(zhǎng)度取決于水躍長(zhǎng)度，一般來(lái)說(shuō)，水躍長(zhǎng)度隨流量的增加而增大。所以，此時(shí)消力池長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)流量應(yīng)為建筑物通過(guò)的最大流量，即校核洪水位情況。弗勞德數(shù)和池首斷面平均流速。見(jiàn)下式：（2.10）（2.11）據(jù)規(guī)范SL253，消力池的長(zhǎng)度必須足以保證水躍不越出池外，所以消力池的長(zhǎng)度可以從水躍長(zhǎng)度出發(fā)來(lái)考慮。但是消力池末端的垂直壁面會(huì)與水躍產(chǎn)生反向的作用力，減小了水躍長(zhǎng)度。消力池內(nèi)的水躍長(zhǎng)度僅為平底渠道中自由水躍長(zhǎng)度的70~80%。其消力池長(zhǎng)度計(jì)算公式：（2.12）（2.13）式中：—消力池長(zhǎng)度，m—水躍長(zhǎng)度，m因?yàn)榇藭r(shí)所以消力池長(zhǎng)度本設(shè)計(jì)取消力池長(zhǎng)度為25m。2.3.4護(hù)坦厚度護(hù)坦是位于水閘、溢流壩等泄水建筑物下游，用以保護(hù)河床免受水流沖刷或其他侵蝕破壞的剛性結(jié)構(gòu)設(shè)施。護(hù)坦應(yīng)保證在揚(yáng)壓力和脈動(dòng)壓力等荷載作用下不被浮起，其計(jì)算方法如下。（1）水壓力的計(jì)算時(shí)均壓強(qiáng)為：（2.14）粗略估算時(shí)，護(hù)坦始端取，在距收縮斷面之后取。（2）脈動(dòng)壓強(qiáng)的計(jì)算 （2.15）式中：為收縮斷面的平均流速。為脈動(dòng)壓力系數(shù)，護(hù)坦上游段取，護(hù)坦下游段取，且一般上游段取正，下游段取負(fù)。（3）揚(yáng)壓力的計(jì)算本設(shè)計(jì)內(nèi)護(hù)坦下設(shè)有排水設(shè)施，可不考慮滲流壓力，作用于護(hù)坦底面的揚(yáng)壓力強(qiáng)度為 （2.16）式中：為護(hù)坦厚度，。令為護(hù)坦頂面的總靜水壓力，為總脈動(dòng)壓力，為總揚(yáng)壓力，為總的混凝土重，則護(hù)坦抗浮起的穩(wěn)定安全系數(shù)為