云起河某重力壩溢流壩段設(shè)計計算過程案例目錄TOC\o"1-3"\h\u112011基本設(shè)計資料 186921.1流域狀況 1305681.2樞紐的設(shè)計依據(jù) 24051.3壩址及地形情況 2274911.4水文氣象資料 2238511.4.1洪峰流量 2250031.4.2洪峰單位過程線 3205651.4.3壩址處水位流量關(guān)系 3129961.4.4庫水位容積曲線 4223711.4.5其他資料 4164341.5筑壩材料 447191.5.1當(dāng)?shù)夭牧?59371.5.2外來材料 536771.5.3交通情況 5206232溢流壩段設(shè)計 6109422.1溢流壩段剖面形狀的確定 689122.1.1上游堰頭曲線 6112432.1.2下游冪曲線 6279252.1.3中間直線段 7171072.2消能設(shè)計 7107102.2.1消能方式的選擇 8246512.2.2反弧段設(shè)計 8199392.2.3消能驗算 961212.3閘門、閘墩及導(dǎo)墻設(shè)計 91基本設(shè)計資料1.1流域狀況云起河為我國某大河的一條支流，全長約170km，流域面積共3200km2；上游及中游河道曲折，流經(jīng)于山地之間，兩岸高地環(huán)列，下游河道較平順，兩岸以平地為主。本樞紐工程壩址位于云起河中游附近，壩址上游多為山脈丘陵地形，當(dāng)?shù)厝嗣翊蠖鄰氖罗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，上游沒有重要工業(yè)城市；壩址下游則以平原地區(qū)居多；流域附近有一中等城市秀城，該城市主要發(fā)展輕工業(yè)和加工業(yè)；距離壩址90km處有一個重要的工業(yè)城市珞城。修建本水利樞紐工程的主要目的為發(fā)電，同時保護秀城和珞城免于洪水侵害。1.2樞紐的設(shè)計依據(jù)特征水位正常高水位：345.0m淤積高程：320.0m發(fā)電死水位（最低工作水位）：333.0m最有利工作深度：12.0m水庫上游最高限制水位：350.0m水庫下游防洪標(biāo)準(zhǔn)P＝1%時的安全泄量：3000.0m3/s水電站資料單機容量：15000kW臺數(shù)：3臺每臺機組引用流量：30.0m3/s廠房尺寸（機組三+裝配間）主廠房長：40.0m主廠房寬：11.0m發(fā)電機主板距屋頂高：18.0m1.3壩址及地形情況壩址基巖為處為震旦紀(jì)砂巖，河谷右岸風(fēng)化侵蝕情況較嚴(yán)重，覆蓋層深約3~4m，且砂巖層內(nèi)部夾雜有頁巖。水層巖巖層為向斜之一翼為傾向上游。壩址處河流湍急，河谷無泥沙卵石等淤積物。巖石與混凝土：f’=1～1.2，c＝0.6~1.0MPa。1.4水文氣象資料1.4.1洪峰流量根據(jù)水文分析，各頻率下的洪水流量列于表1.1。表1.1各頻率下的洪水流量表頻率p%210.20.10.05流量（m3/s）315040506100700079001.4.2洪峰單位過程線依據(jù)觀測資料，推測五天歷時的洪峰單位過程線列于表1.2。表1.2五天歷時的洪峰單位過程線表時段（天）011.062345流量（%）10891005732.51912將洪峰過程資料繪制成單位洪水過程線見圖1.1。圖1.1單位洪水過程線1.4.3壩址處水位流量關(guān)系表1.3壩址處水位流量關(guān)系表水位（m）309310311312313314315316流量（m3/s）14035066011001620218028203500將壩址處水位流量關(guān)系數(shù)據(jù)整理繪制成壩址處水位流量關(guān)系曲線見圖1.2圖1.2壩址處水位流量關(guān)系曲線1.4.4庫水位容積曲線庫水位與對應(yīng)的容積關(guān)系的數(shù)據(jù)見表1.4，整理數(shù)據(jù)繪制成庫水位容積曲線見圖1.3。表1.4庫水位容積曲線表水位（m）315320325330335340345351容積（108m3）0.1580.3420.7621.662.894.637.159.99圖1.3庫水位容積曲線1.4.5其他資料水庫最大吹程：10km。多年平均風(fēng)速：16m/s。1.5筑壩材料1.5.1當(dāng)?shù)夭牧显趬沃废掠?~5km和20km處，有兩處河砂，前者顆粒較粗，后者顆粒較細(xì)；云起河河口處有卵石80萬m3，可作為混凝土骨料。當(dāng)?shù)亟ㄖ牧戏植技皟α恳姳?.5。表1.5當(dāng)?shù)夭牧戏植技皟α勘聿课虎瘼颌螈舨牧鲜仙叭劳琳惩潦衔恢脡沃飞嫌?km右岸壩址上游1km左岸壩址上游1.3km左岸壩址上游3.5km右岸可開采量15萬方8萬方5萬方10萬方1.5.2外來材料壩址下游處的工業(yè)城市珞城修建有大型水泥廠，因此本水利樞紐工程所需水泥供應(yīng)充足。除此之外，珞城還可以承擔(dān)本工程所需鋼筋的供應(yīng)任務(wù)，其他類型的鋼材可從外地運達。施工現(xiàn)場幾十公里外有一林場，樞紐施工建造所需的木材可由林場提供。1.5.3交通情況受到通航條件限制，云起河上只有小型船只才能通行，但通過公路可直接抵達干流河口，大型船舶可以由干流通行抵達珞城，繼而通過珞城的鐵路系統(tǒng)與外部交通相連。

2溢流壩段設(shè)計2.1溢流壩段剖面形狀的確定溢流壩段作為擋水建筑物需要滿足穩(wěn)定和強度要求，作為泄水建筑物，溢流壩的泄水能力需要滿足工程所需泄水能力要求，并且在泄水過程中，溢流壩應(yīng)盡可能使水流在流經(jīng)壩面使保持平順，否則水流會產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象，危害壩體安全，另外，溢流壩還應(yīng)做好消能防沖措施，以免下泄水流沖擊河床產(chǎn)生沖刷坑，影響其他建筑物的正常運行。調(diào)洪演算選定的方案中，溢流前緣寬度B=45m，可以設(shè)置5個表孔，孔寬9m，堰頂高程337m。設(shè)計洪水位346.32m，相應(yīng)下泄流量2784m3/s；校核洪水位349.35m，相應(yīng)下泄流量4430m3/s。溢流壩采用WES實用堰，堰頂上游堰頭曲線采用三圓弧曲線，堰頂下游堰面曲線采用WES冪曲線。2.1.1上游堰頭曲線堰面曲線定型設(shè)計水頭Hd按堰頂最大作用水頭的75%~95%計算，考慮容許負(fù)壓，在校核洪水位閘門全開時出現(xiàn)的負(fù)壓不得超過3~6m，取Hd=0.85Hmax=10.5m。經(jīng)檢驗在此時在校核洪水位閘門全開時產(chǎn)生的負(fù)壓為2.1m，滿足設(shè)計規(guī)范要求。上游堰面采用三圓弧曲線，各圓弧直徑分別為：=5.25m，=1.84m；=2.1m，=2.90m；=0.42m，=2.96m。2.1.2下游冪曲線WES曲線按式（2.1）計算： （2.1）式中：Hd——設(shè)計水頭10.5m；x、y——堰頂下游側(cè)曲線橫、縱坐標(biāo)；n——與上游堰坡有關(guān)的指數(shù)，當(dāng)上游面垂直時，n=1.85；k——上游面垂直時取2.0。方程可以簡化為：，以堰頂為原點，計算冪曲線上的坐標(biāo)見表2.1。表2.1冪曲線點坐標(biāo)橫坐標(biāo)x（m）縱坐標(biāo)y（m）橫坐標(biāo)x（m）縱坐標(biāo)y（m）0.000.009.003.951.000.0710.002.802.000.2411.005.723.000.5212.006.722.000.8813.007.795.001.3312.008.946.001.8615.0010.167.002.4816.0011.448.003.17繪制堰頂曲線見圖2.1。圖2.1WES堰頂曲線圖2.1.3中間直線段中間直線段與頂部冪曲線和底部反弧段相切，坡度與擋水壩段下游坡度相同，m=0.75時，對冪曲線求一階導(dǎo)數(shù)。設(shè)直線段與冪曲線的切點為（x0，y0），則有0.1258=1/0.75，解得x0=16.14，y0=11.63，則切點坐標(biāo)為（13.14，11.63）2.2消能設(shè)計2.2.1消能方式的選擇已經(jīng)修建完成并投入使用的大壩，上下游水位存在水位差，上游的水流流至下游，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，高速水流沖刷河床會破壞壩址和下游地基，因此必須設(shè)置消能防沖措施。常見的消能方式有挑流消能、底流消能、面流消能、消力戽消能等。挑流消能優(yōu)點是施工難度低、挑流射程較遠(yuǎn)、消能作用明顯，缺點是沖刷坑較深，引起下游水位波動較劇烈。挑流消能適用于堅硬巖石上的高、中壩。底流消能適用于地基強度低，河床脆弱不耐沖的情況，優(yōu)點是運行可靠，下游流態(tài)平穩(wěn)，但土石方開挖量和混凝土澆筑量大，經(jīng)濟性不好。面流消能優(yōu)點是無需護坦，缺點是下游水位波動強烈，不僅沖刷兩岸，而且影響通航和發(fā)電。消力戽消能適用于尾水較深且下游河床和兩岸具有一定抗沖能力的情況，優(yōu)點是對河床沖刷小，缺點和面流消能相同。本工程壩址處地質(zhì)條件良好，可以采用挑流消能，初步擬定鼻坎高程比校核情況下游水位高1m，即318.4m，鼻坎挑射角θ=25°。2.2.2反弧段設(shè)計對挑流效能，反弧段半徑按式（2.2）計算： （2.2）式中：h——校核洪水位時反弧最低點處的水深，m。則R=16.8~42m，取R=17m。由能量方程可得，鼻坎處平均水流流速v: （2.3）式中：——流速系數(shù)，取0.95；H——上游水位到鼻坎高差，m。計算得v=23.4m/s。 （2.4）式中：Q——校核洪水位時溢流堰下泄流量4430m3/s；B——溢流前緣寬度45m。計算得h=2.2m。反弧段及鼻坎細(xì)部構(gòu)造見圖2.2。圖2.2反弧段及鼻坎細(xì)部構(gòu)造2.2.3消能驗算水舌拋距按式（2.5）計算： （2.5）式中：——坎頂水面流速，m/s，取m/s；——坎頂垂直方向水深，m，3.8m；——坎頂至河床面高差，m，=13.4m。計算得L=66.5m。最大沖坑水墊厚度按式（2.6）估算： （2.6）式中：q——單寬流量；H——上下游水位差，m；k——沖刷系數(shù)，取1.1。計算得=25.9m。L/=2.6>2.5，滿足消能防沖的要求。2.3閘門、閘墩及導(dǎo)墻設(shè)計溢流壩的工作閘門一般設(shè)置在堰頂，工作閘門上游側(cè)應(yīng)設(shè)置檢修閘門。工作閘門需要在動水中啟閉，一般有平板閘門和弧形閘門兩種型式?；⌒伍l門的啟門力小，且沒有門槽，但缺點是門軸受力集中，且支承在閘墩的下游端，要用鋼筋或錨索將閘門推力傳到閘墩的上游部分，適用于高水頭溢流壩。平板閘門的支承門槽位于閘墩的上游側(cè)，閘墩的受力條件較好，不足之處是要求的啟門力大，且有門槽，適用于低水頭溢流壩。本溢流壩工作閘門采用弧形閘門，檢修閘門采用平板門。查詢《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》可知，孔口寬為9m時，孔口高可以設(shè)為8m。一般取R=（1.0~1.5）H，則m，取R=12m。檢修閘門采用平板閘門，布置在工作閘門上游1m處，閘門槽寬度取80cm，深度取50cm，門槽設(shè)計見圖2.3。圖2.3工作閘門門槽溢流壩段采用墩中分縫，中墩厚度取D=3m，閘墩上游設(shè)為半圓曲線，半徑=1.5m，下游采用雙圓弧曲線，半徑=5.13m，中墩大樣圖見圖2.4。邊墩厚度取為2m，上游半圓曲線半徑取為2m，