溢流坝段设计.docx
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溢流坝段设计
溢流坝段设计
一、孔口设计
1、孔口形式
本设计溢流坝段采用开敞式溢流坝,孔口形式采用坝顶溢流式,堰顶不设闸门,所以溢流堰堰顶高程即为正常蓄水位605m。
2、孔口尺寸
本设计溢流堰净宽51m,每孔净宽17m。
二、溢流坝剖面设计
溢流坝曲线由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成,溢流面曲线采用WES曲线。
1、设计依据
《溢洪道设计规范》(SL253-2002)
2、基本资料
有上述资料可得出Hmax=5.97m。
3、溢流曲线设计
溢流曲线具体尺寸要求如下图一所示,其中Hd为堰面曲线定型设计水头设计水头,规范要求按最大作用水头Hmax的75%到95%计算,本设计采用80%倍的Hmax,所以Hd=4.78m。
上游堰高P1=42m>1.33Hd=6.35m,所以本设计为高堰流量系数md=0.502。
1)、曲线上游圆弧段参数计算如下表所示:
曲线参数计算表
2)、下游曲线段
下游曲线段计算公式为:
式中:
Hd为堰面曲线定型设计水头;
x,y为原点下游堰面曲线横纵坐标;
n和上游堰坡有关;
k当P1/Hd>1.0时,k值由规范查取,当P1/Hd≦1.0时,k取2.0到2.2。
上游堰坡垂直,所以由规范查的n=1.85;P1/Hd=8.8>1.0,所以由规范查的k=2.0。
综上所述,本设计溢流堰堰面曲线段公式为:
经excel计算可得堰面曲线计算表如下表所示:
3)、中间直线段
直线段和曲线段的切点计算如下所示:
代入数据计算可得:
4)、下游反弧段
本设计采用挑流消能,由规范查的反弧段半径R=(4~10)h0,式中h0为校核水位闸门全开时挑流鼻坎反弧段最低点处的水深。
挑流鼻坎高程取579.00m(下游最高水位577.54m)。
反弧段最低点流速:
式中:
φ为堰面流速系数,由长江流域规划办公室提供的公式初步确定为:
反弧段半径R=(4~10)h0,本设计反弧段流速为23.29m/s>16m/s,但流速也不是很大,同时考虑反弧段要和中间直线段相切,所以取R=6.42h0=9.95m。
综上所述,溢流面初步拟定的剖面如下图所示:
4、消能防冲设计
本设计采用挑流消能,挑流鼻坎采用连续式鼻坎;挑射角规范要求在20̊
到35̊之间,本设计取挑射角θ=30̊;反弧段半径R规范要求取(4~10)h0,h0为校核水位闸门全开时挑流鼻坎反弧段最低点处的水深;鼻坎高程规范要求高于下游最高水位1~2m,本设计下游最高水位577.54m,鼻坎高程取为579.00m。
1)、挑射距离计算
由于冲坑最深点大致落在水舌外缘的延长线上,故跳射距离可按下式估算:
式中:
L为水舌挑射距离;
V1为坎顶水面流速,按鼻坎处平均流速v的1.1倍计,即:
式中:
H0为库水位至坎顶的落差,φ为堰面流速系数;
h1为坎顶平均水深在铅直方向的投影,即h1=hcosθ;
h2为坎顶至河床面高差。
由上面计算可得v=23.29m/s,所以v1=1.1×23.29=25.62m/s;
h1=1.55cosθ=1.34m;h2=579-563=16m;把这些数值代入挑射距离的计算公式有:
L=68.79m
2)、冲坑深度计算
最大冲坑深度的数值和很多因素有关,特别是河床的地质条件,目前估算公式很多,设计规范推荐按下式计算:
式中:
tk为冲坑深度;q为单宽流量;H为上下游水位差;ɑ为冲刷系数根据规范本设计取为0.8。
代入数值计算得:
tk=11.54m
L/tk=5.96>5,不会对坝体安全造成威胁所以满足挑流设计要求。
5、底孔设计
底孔主要作为排沙孔,也有宣泄洪水、防空水库的功能。
底孔设在非溢流坝段,进口中心线高程580.00m,空口尺寸3×3m。
本设计底孔为有泄进水孔,包含进口段、空身段和出口段。
工作闸门布置在出口,闸门采用平板闸门。
事故检修闸门设在进口段之后,检修闸门也采用平板闸门。
1)、进口段
进口段曲线应满足下列要求:
减小局部水头损失,提高泄流能力;
控制负压防止空蚀。
进口曲线常采用1/4椭圆,其方程为:
椭圆长轴(x轴)多和孔轴平行。
对于矩形断面的泄水孔的顶面曲线,A为孔高,ɑ采用1/3~1/4;空口两侧壁曲线也用椭圆曲线,A为孔宽,ɑ采用1/4;进口段底部边界线采用圆弧。
进口段的中心线,一般布置成水平。
根据上述要求,进口段顶面ɑ取1/3,其曲线方程为:
两边侧壁的曲线方程为:
2)、空身段
空身段采用圆形断面,直径为3m。
3)、渐变段
本设计有压泄水孔断面为圆形,所以在进口闸门后需设渐变段,以便水流平顺过渡,防止负压和空时产生。
渐变段可采用在矩形的四个角上加圆弧的办法过渡,本设计工作闸门不知在出口,所以在出口段也需要设置渐变段。
渐变段工作复杂,不宜太长,一般采用洞身直径的1.5~2倍,边壁收缩率在1:
5~1:
8之间。
在坝身有压泄水孔末端,水流从压力流突然变成无压流,引起出口附近压力降低,容易产生顶部负压,所以在出口常设1:
10~1:
5的斜坡,面积收缩率为0.85~0.90。
根据上述要求,渐变段长度取洞身长度直径的1.5倍,L=4.5m;边壁收缩率1:
8;出口段顶部设1:
10的斜坡,面积收缩率为0.85。
6、水面线计算
1)、堰顶部分
坝顶头部水面线坐标X/Hd和Y/Hd可查《水工设计手册第六卷.泄水和过坝建筑物》P6-181表27-2-5进行插值计算。
Hd=4.78m,H/Hd=1.25,具体计算过程如下表所示:
坝头部水面线计算表
2)、直线部分的不掺气水面线求解
切点坐标(Xt,Yt)已经确定为(7.97,-6.154)。
求曲线长度Lc,t,查《水工设计手册》第六卷泄水和过坝建筑物图27-2-5,得Lc,t/Hd=2.08,所以Lc,t=9.94m。
求直线段长度Ls,从切点到直线上任意一点(xi,yi)的距离计算公式为:
式中:
sin=0.82。
从堰顶曲线起点到点(xi,yi)的距离L=Lc,t+Ls,i。
计算边界层厚度。
公式为:
列表计算如下所示:
边界层厚度计算表
势流水深hp试算,试算公式为:
失算过程如下:
对于每一个Yi,假定一个hp,通过计算得到另一个hp值,再将得到的数值代入,依次进行下去,直到获得两个相等的数值为止。
现以Yi=6.154为例,试算如下表所示:
势流损失hp试算表
由上表可以看出,Yi=6.154时,hp的试算结果为2.479。
按照这样的方法,最终的试算结果如下表所示:
势流损失hp试算汇总表
正交于坝面的坝面水深h=hp+0.18δ,所以将上述计算综合得出正交于坝面的坝面水深h如下表所示:
坝面水深计算表
3)、反弧段水深计算
4)、溢流坝段边墙高度的确定
水面线安全超高规范要求取0.5~1.5m,非直线段适当增加。
本设计堰顶曲线处的边墙高度高出水面线1.5m,直线段的边墙高度高出水面线1m,反弧段的边墙高度高出挑坎水深1.5m。
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