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》（SL 253-2002）

2、基本资料

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工况正常设计 校核调洪演算成果汇总表上游水位（m）下泄流量（m3/s）下游水位(m)605.00 179.30 572.83 609.45 1248.39 576.29 610.97 1831.76 577.54 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：

0.282Hd=1.348m 0.276Hd=1.319m0.175Hd=0.837m R1=0.50Hd=2.39mR2=0.20Hd=0.956m R3=0.04Hd=0.191m 曲线参数计算表

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0.282Hd0.276Hd0.175HdxR2=0.20HdR1=R3=0.04Hd0.50Hdy

2)、下游曲线段

下游曲线段计算公式为：

n1xnkHdy

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：

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yHd0.5xHd1.85

经excel计算可得堰面曲线计算表如下表所示：

xyxy0.50 0.037 4.00 1.719 1.00 0.132 4.50 2.137 1.50 0.280 5.00 2.597 2.00 0.477 5.50 3.098 2.50 0.721 6.00 3.639 3.00 1.010 6.50 4.220 3.50 1.343 7.00 4.840 4.00 1.719 7.50 5.499 4.50 2.137 8.00 6.197 3）、中间直线段

直线段和曲线段的切点计算如下所示：

dy1.85x0.851dx2Hd0.850.7

代入数据计算可得：

xt7.97m yt6.154m

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）。

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反弧段最低点流速：

v2gH0 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：

(10.055/kE0.5)1/3(10.055/0.2778)1/30.93

则v2gH00.9329.81(610.97579)23.29m/s

水深hcqm1836.761.55mvB23.2951

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:

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堰顶高程605m1:0.7鼻坎高程579m1:0.1地基高程563m

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：

12[v1sincosv1cosv12sin22g(h1h2)]g

L5 / 16

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：

v11.12gH0 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：

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tkq0.5H0.25

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：①减小局部水头损失，提高泄流能力；②控制负压防止空蚀。进口曲线常采用1/4椭圆，其方程为：

x2y21A2(A)2

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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：

x2y219

两边侧壁的曲线方程为：

x2y2190.5625

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。

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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：

X/Hd-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.811.21.41.61.8Y/Hd-1.166 -1.153 -1.141 -1.148 -1.167 -1.024 -0.878 -0.754 -0.625 -0.485 -0.324 -0.147 0.061 0.284 0.293 X-4.780 -3.824 -2.868 -1.912 -0.956 0.000 0.956 1.912 2.868 3.824 4.780 5.736 6.692 7.648 8.604 YH/Hd=1.00H/Hd=1.33-5.573 -0.950 -1.235 -5.511 -0.940 -1.221 -5.455 -0.929 -1.209 -5.488 -0.930 -1.218 -5.577 -0.925 -1.244 -4.897 -0.779 -1.103 -4.195 -0.651 -0.950 -3.605 -0.545 -0.821 -2.988 -0.425 -0.689 -2.318 -0.285 -0.549 -1.549 -0.121 -0.389 -0.701 0.067 -0.215 0.292 0.286 -0.011 1.357 0.521 0.208 1.402 0.779 0.138 9 / 16

坝头部水面线计算表

2）、直线部分的不掺气水面线求解

①切点坐标（Xt，Yt）已经确定为（7.97，-6.154）。

②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。

③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：

YiYtsin

Ls,i式中:sin=0.82。

④从堰顶曲线起点到点（xi，yi）的距离L=Lc,t+Ls,i。

⑤计算边界层厚度。公式为：

L0.02()0.1，式中K取0.45mm。LK

列表计算如下所示:

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Yi6.15 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 22.83 Yt6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 6.15 sinɑ0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 Ls,i0.00 1.03 2.25 3.47 4.69 5.91 7.13 8.35 9.57 10.79 12.01 13.23 14.45 15.67 16.89 18.10 19.32 20.34 Lc,t9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 9.94 L9.94 10.97 12.19 13.41 14.63 15.85 17.07 18.29 19.51 20.73 21.95 23.17 24.39 25.61 26.83 28.04 29.26 30.28 δ0.15 0.16 0.18 0.19 0.21 0.22 0.24 0.25 0.27 0.28 0.30 0.31 0.33 0.34 0.36 0.37 0.39 0.40 边界层厚度计算表

⑥势流水深hp试算，试算公式为：

q2HYihpcos22ghp

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：

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Yi6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 6.154 hphp^2*cosɑ/(H+Yi)3.000 0.426 2.234 0.236 2.664 0.336 2.372 0.266 2.553 0.309 2.433 0.280 2.510 0.298 2.460 0.286 2.492 0.294 2.471 0.289 2.484 0.292 2.476 0.290 2.481 0.291 2.478 0.291 2.480 0.291 2.478 0.291 2.479 0.291 2.479 0.291 q^2/[2ghp(H+Yi)]1.808 2.428 2.036 2.287 2.125 2.229 2.161 2.205 2.177 2.195 2.183 2.191 2.186 2.189 2.187 2.189 2.188 2.188 hp2.234 2.664 2.372 2.553 2.433 2.510 2.460 2.492 2.471 2.484 2.476 2.481 2.478 2.480 2.478 2.479 2.479 2.479 差值0.766 -0.430 0.292 -0.181 0.120 -0.076 0.050 -0.032 0.021 -0.014 0.009 -0.006 0.004 -0.002 0.002 -0.001 0.001 0.000 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：

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Yi6.15 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 22.83 hp^2*cosɑ/(H+Yi)hp0.291 2.479 0.251 2.381 0.213 2.279 0.184 2.190 0.160 2.111 0.141 2.040 0.125 1.976 0.111 1.918 0.100 1.866 0.090 1.817 0.082 1.771 0.075 1.730 0.068 1.691 0.063 1.655 0.058 1.621 0.054 1.589 0.050 1.558 0.047 1.535 q^2/[2ghp(H+Yi)]2.188 2.130 2.066 2.006 1.951 1.900 1.852 1.807 1.765 1.726 1.690 1.655 1.622 1.591 1.562 1.535 1.509 1.488 hp2.479 2.380 2.279 2.190 2.111 2.040 1.977 1.919 1.865 1.816 1.772 1.730 1.691 1.654 1.620 1.588 1.559 1.535 势流损失hp试算汇总表

⑦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：

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Yi6.154 7.000 8.000 9.000 10.000 11.000 12.000 13.000 14.000 15.000 16.000 17.000 18.000 19.000 20.000 21.000 22.000 22.830 hp2.479 2.380 2.279 2.190 2.111 2.040 1.977 1.919 1.865 1.816 1.772 1.730 1.691 1.654 1.620 1.588 1.559 1.535 δ0.146 0.159 0.175 0.191 0.207 0.222 0.237 0.253 0.268 0.283 0.298 0.312 0.327 0.342 0.356 0.371 0.386 0.398 0.18δ0.026 0.029 0.032 0.034 0.037 0.040 0.043 0.045 0.048 0.051 0.054 0.056 0.059 0.062 0.064 0.067 0.069 0.072 h2.505 2.409 2.311 2.224 2.148 2.080 2.019 1.964 1.913 1.867 1.825 1.786 1.750 1.716 1.685 1.655 1.628 1.606 坝面水深计算表

3）、反弧段水深计算

qm1836.761.55mvB23.2951

水深hc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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堰顶高程605m70.1:鼻坎高程579m1:0.1地基高程563m

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