99某拱壩水利樞紐的泄水建筑物設(shè)計(jì)計(jì)算目錄TOC\o"1-3"\h\u95某拱壩水利樞紐的泄水建筑物設(shè)計(jì)計(jì)算 ④除此之外，還需考慮對(duì)沖消能所產(chǎn)生的霧氣的影響、交通要求、開挖量等因素。[12]1.2泄水建筑物的設(shè)計(jì)因拱壩厚度小，孔口出口位置較高，若直接泄洪對(duì)下游沖刷太大，故設(shè)置泄槽與泄水孔相連，減少下泄水流對(duì)下游岸坡及河床的沖蝕影響，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.2.1進(jìn)口段設(shè)計(jì)采用喇叭形進(jìn)口，頂部橢圓形，底部及兩側(cè)采用圓弧形連接，比較光滑，使高速水流平順，減少水頭損失，避免孔壁空蝕，進(jìn)口段設(shè)檢修閘門（平面閘門）。喇叭形進(jìn)口的頂曲線的長(zhǎng)短半軸比為3左右的橢圓曲線，側(cè)曲線的要求一般較頂曲線稍低[12]。（4-1）（4-1）淺孔，頂曲線d取高度a，側(cè)曲線d取a/2；中孔，頂曲線d取高度a，側(cè)曲線d取a/2。具體參數(shù)見表4-1。1.2.2孔身設(shè)計(jì)截面型式矩形為多，底部坡度與槽身一致（淺孔孔身底部破此0.5，中孔孔身底部坡比0.25），頂坡坡度稍大于底坡，形成一定的壓坡（淺孔壓坡段坡比0.59，中孔壓坡段坡比0.29），頂坡坡度稍大于底坡，形成一定的壓坡，提高出口段的壓力，減少水頭損失，避免孔壁空蝕。出口段設(shè)置工作閘門（弧形閘門）。具體參數(shù)見表4-1。表4-1 泄水建筑物進(jìn)口段和孔身具體參數(shù)表淺孔中孔頂曲線側(cè)收縮曲線底曲線R=1.0m圓弧R=1.0m圓弧壓坡段坡比0.590.29孔身底部坡比0.50.251.2.3槽身設(shè)計(jì)（1）坎頂高程坎頂高程一般比下游設(shè)計(jì)水位高2~5m。本設(shè)計(jì)取5.0m，由此可計(jì)算得出中孔坎頂高程為118.95m，淺孔坎頂高程為118.95m。（2）坎上水深（4-2）（4-2）式中 T——校核洪水位至坎頂?shù)母卟睿琺hc——坎上水深，m；q——單寬流量，m2/s；φ——流速系數(shù)，取φ=0.95。經(jīng)計(jì)算，對(duì)淺孔可以取hc=5.15m；對(duì)中孔可以取hc=6.4m。（3）反弧段半徑（4-3）（4-3）經(jīng)計(jì)算，對(duì)淺孔可以取R=35米；對(duì)中孔可以取R=50米。（4）坡度（直線段）為使水流盡可能平順，直線段的坡度等于孔深的底部的坡度，對(duì)于淺孔取為0.5；對(duì)于中孔取為0.25。（5）挑射角根據(jù)國(guó)內(nèi)一些大型工程的相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，挑射角一般在15°~30°。本次設(shè)計(jì)取為20°將槽身的設(shè)計(jì)參數(shù)匯總于下表4-1。表4-1 槽身的設(shè)計(jì)參數(shù)泄水孔底坎高程(m)R/mhc（m)坡度1：i挑射角θ(°)淺孔118.95405.150.520中孔118.95606.40.25201.2.4導(dǎo)墻設(shè)計(jì)（1）導(dǎo)墻厚度根據(jù)規(guī)范要求，導(dǎo)墻厚度一般為0.5~2m，為防止壩身孔口下泄的高速水流沖刷多度而影響導(dǎo)墻工作，又考慮節(jié)省工程量，本工程導(dǎo)墻厚度取為1.0m。導(dǎo)墻高度導(dǎo)墻應(yīng)高出泄流時(shí)摻氣水面以上1~1.5m，溢流壩面高速水流自摻氣現(xiàn)象的斷面平均摻氣濃度C[3]：（4-4）（4-5）式中 n——曼寧糙率，取n=0.012；V——不計(jì)波動(dòng)及摻氣的計(jì)算斷面上平均流速，V=φ(2gZc)0.5，m/s，φ=0.91；h——不計(jì)波動(dòng)及摻氣的水深，取h=hc，m；ha——摻氣水深，ha=h/(1-C)，m；Zc——水庫(kù)水位至坎頂落差，m。經(jīng)計(jì)算，淺孔導(dǎo)墻高度取為6.6m，中孔導(dǎo)墻高度取為8.1m。1.3消能防沖本次設(shè)計(jì)采用滑雪道式泄洪，對(duì)沖消能。兩股水流在空中相撞擊，使能量耗散。1.3.1水舌挑距（4-6）式中L——水舌拋距，mv1——坎頂水面流速，，m/s；v——坎頂平均流速；θ——鼻坎的挑射角度，為θ=20o；h1——坎頂垂直方向的水深，h1=hcosθ，h為坎頂平均水深，m；h2——坎頂至河床表面落差，m；——堰面流速系數(shù)經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)工況下，淺孔下游水舌挑距L=117.58米，中孔下游水舌挑距L=119.03米；校核工況下，淺孔下游水舌挑距L=121.20米，中孔下游水舌挑距L=122.51米。1.3.2最大沖坑深度（4-9）式中 沖坑深度——為沖刷系數(shù)，取1.0H——上下游水位差，m。根據(jù)資料可得，挑流消能要滿足以下條件才能保證泄水建筑物不受沖坑影響：（4-10）式中t——原河床水深，m；L——水舌挑距，m。經(jīng)計(jì)算，本設(shè)計(jì)中L/(tr-t)最小值為5.75，最大值為7.19，均滿足河床免受沖刷的要求。1.3.3消能率計(jì)算對(duì)沖消能主要研究水舌相撞在對(duì)沖點(diǎn)的動(dòng)能損失，x，y，z三個(gè)方向的動(dòng)能損失為：（4-11）（4-11）若交匯點(diǎn)均在水面以上，則交匯點(diǎn)處的消能率：（4-12）由于泄洪時(shí)對(duì)稱同時(shí)開啟，經(jīng)計(jì)算，淺孔η=34.97%；中孔η=34.97%。1.4壩內(nèi)孔口應(yīng)力計(jì)算1.4.1壩內(nèi)孔口的形狀和作用力泄洪孔口為矩形，對(duì)于淺孔，其為寬與高均為8m的正方形；對(duì)于中孔，其為寬8m，高7m的矩形。[11]作用于孔口的荷載有：（1）孔口附近的壩體應(yīng)力，如孔口較小，可取無(wú)孔口時(shí)的孔口形心處的壩體應(yīng)力數(shù)值；（2）孔內(nèi)水壓力，取下游閘門關(guān)閉時(shí)孔內(nèi)的最大水壓力作為設(shè)計(jì)荷載；（3）孔口內(nèi)外溫差，孔內(nèi)溫度取最低水溫，孔外取壩體穩(wěn)定溫度。[9]上述3種荷載可能具有不同的方向，應(yīng)該矢量迭加。本次設(shè)計(jì)只計(jì)算正常蓄水位+溫降工況，這是由于該工況下，壩體的應(yīng)力狀況最為不利，一般只要該工況孔口應(yīng)力符合要求，其余工況下均可符合要求。1.4.2泄洪孔口的應(yīng)力計(jì)算如果孔口尺寸遠(yuǎn)小于壩體尺寸，且孔口形心至壩體邊界的距離大于3倍孔口尺寸，可近似按彈性力學(xué)無(wú)限域中的小孔口計(jì)算[3]。本工程中將壩身開孔視為無(wú)限彈性集中小孔，并且在應(yīng)力場(chǎng)中放置孔口，測(cè)定0°方向（1線）、45°方向（3線）、90°（6線）上的正應(yīng)力，如圖4-4所示。圖4-4矩形孔口本問題可按照彈性力學(xué)中的方法來(lái)進(jìn)行求解，但當(dāng)孔口形狀為矩形時(shí)，很難用初等方法求得其解析解。在《壩內(nèi)的孔口和廊道》一書中，作者指出可用復(fù)勢(shì)函數(shù)法進(jìn)行求解。復(fù)勢(shì)函數(shù)法是用復(fù)變函數(shù)理論為主要的數(shù)學(xué)工具，以其在純數(shù)學(xué)上的優(yōu)美性和應(yīng)用數(shù)學(xué)上的廣泛性而著稱，可以從更高的角度來(lái)研究彈性力學(xué)中的一些基本問題。當(dāng)然，其思想較為深邃，其計(jì)算較為繁瑣，雖然在該書的第四章有較為詳細(xì)的介紹，并且給出了應(yīng)力計(jì)算的一系列理論公式，但限于時(shí)間及精力，本次設(shè)計(jì)采用其簡(jiǎn)化方法——查表法進(jìn)行計(jì)算。溫度應(yīng)力是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，在計(jì)算孔口配筋時(shí)可以不考慮溫度應(yīng)力，因?yàn)闇囟葢?yīng)力在混凝土產(chǎn)生裂縫時(shí)將釋放。不過(guò)考慮到配筋可以限制裂縫開展，保持壩的整體性，適當(dāng)配一些溫度鋼筋是有必要的。[11]對(duì)于梁向應(yīng)力，在前面的計(jì)算中，由電算已經(jīng)求得每層拱圈所在高程處的拱冠梁的應(yīng)力，可認(rèn)為其他位置處的梁與拱冠梁的受力狀況相同。又由于開孔處的位置的高程在兩層相鄰的拱圈所在高程之間，故需采用差值法求得相應(yīng)的梁向應(yīng)力。對(duì)于拱向應(yīng)力，在前面的計(jì)算中，由電算已經(jīng)求得各層拱圈的拱冠應(yīng)力與拱端應(yīng)力，同樣可利用差值法，來(lái)求得開孔位置所在高程處的拱冠應(yīng)力與拱端應(yīng)力。在求得拱冠與拱端的應(yīng)力之后，需進(jìn)行第二次差值，根據(jù)泄槽軸線與各層拱圈圓心所在直線的夾角與半中心角的比值，差值求出孔口處的拱向應(yīng)力。對(duì)于內(nèi)水壓力，用正常蓄水位減去孔口中心高程，其值乘以水的容重即可求得。按照上述方法求出σx、σy、τxy之后，再將設(shè)計(jì)指南附錄二中的表中系數(shù)分別乘上這3個(gè)應(yīng)力，并將水壓、壩體應(yīng)力等作用結(jié)果疊加，即可求得0°、45°與90°方向上的正應(yīng)力?？卓趹?yīng)力計(jì)算成果如表4-1所示。表4-1孔口應(yīng)力計(jì)算成果表a/b0.00.10.20.30.40.50.60.7d00.81.62.43.244.85.6淺孔進(jìn)口0°1.3731.4211.4401.4061.3471.2571.2171.17645°-1.3121.0530.9190.8380.7890.7450.72090°-0.1590.0330.1950.3890.4100.5110.5480.587出口0°2.7222.8442.9042.8502.7392.5532.4802.39945°-2.7342.1971.9191.7501.6481.5581.50690°-0.975-0.572-0.2630.0660.2800.5030.5740.622中孔進(jìn)口0°-0.854-0.810-0.765-0.710-0.659-0.619-0.577-0.55345°--0.464-0.367-0.316-0.287-0.265-0.248-0.24090°0.7680.5870.4930.6490.4300.3280.2950.271出口0°0.5470.9491.2561.4191.4701.3491.4211.39845°-2.3521.9171.6951.5521.4871.4171.36890°0.6580.8520.9730.9861.2051.2641.3741.327由上表可知，對(duì)于淺孔進(jìn)口，其拉應(yīng)力只出現(xiàn)在d=0時(shí)的90°方向處，其數(shù)值為0.159MPa，數(shù)值較??；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在45°方向d=0.8m處，其數(shù)值為1.312MPa。在0°方向處，其壓應(yīng)力的數(shù)值隨著d的增大先增大后減?。辉?5°方向處，其壓應(yīng)力的數(shù)值隨著d的增大一直減??；而在90°方向處，隨著d的增大，在一定的范圍內(nèi)，壓應(yīng)力的數(shù)值是一直在增大的。對(duì)于淺孔出口，其應(yīng)力狀況相對(duì)較為不利，壓應(yīng)力與拉應(yīng)力的數(shù)值均較淺孔進(jìn)口有所增加，最大壓應(yīng)力達(dá)到了2.904MPa，在0°方向的d=1.6m處出現(xiàn)；最大拉應(yīng)力則達(dá)到了0.975MPa，其在90°方向的d=0m處出現(xiàn)。但觀察其應(yīng)力數(shù)值，拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置與淺孔進(jìn)口是相似的，均為90°方向處，只是拉應(yīng)力的范圍與量值均較淺孔進(jìn)口有所增加。同時(shí)，淺孔出口的應(yīng)力變化規(guī)律也與淺孔進(jìn)口的規(guī)律相一致。對(duì)于中孔進(jìn)口，觀察表中數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)其拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置與前面的淺孔進(jìn)口與出口剛好相反，前面是出現(xiàn)在90°方向處，而中孔進(jìn)口則是出現(xiàn)在了0°與45°方向處，90°方向處卻只有壓應(yīng)力的存在。最大拉應(yīng)力為0.845MPa，出現(xiàn)在d=0時(shí)的0°方向處；最大壓應(yīng)力為0.768MPa，出現(xiàn)在d=0時(shí)的90°方向處。此外，對(duì)于中孔進(jìn)口，隨著d的增大，三個(gè)方向處，拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的數(shù)值均是一直在減小。對(duì)于中孔出口，其應(yīng)力分布的規(guī)律與中孔進(jìn)口完全不同，三個(gè)方向均沒有拉應(yīng)力的存在。在0°與90°方向處，在一定范圍內(nèi)，其壓應(yīng)力的數(shù)值隨著d的增大而增大；在45°方向處，其壓應(yīng)力的數(shù)值隨著d的增大而減小。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在45°方向的d=0.8m處。對(duì)淺孔進(jìn)口、出口與中孔進(jìn)口、出口的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，可發(fā)現(xiàn)拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的最大值一般都出現(xiàn)在距離孔口的位置較近處。四個(gè)位置處的最大壓應(yīng)力均未超過(guò)23.4MPa/4.0=5.85MPa，同時(shí)，四個(gè)位置處的最大拉應(yīng)力也均未超過(guò)1.2MPa，這滿足規(guī)范的要求。1.4.3泄洪孔口的配筋計(jì)算孔口最大壓應(yīng)力小于允許壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力小于允許拉應(yīng)力1.5MPa，所以，只需按0.1%的配筋率配筋。由應(yīng)力分析可知，淺孔進(jìn)、出口0°和45°方向均只出現(xiàn)壓應(yīng)力，而90°