河岸溢洪道水力计算实例

河岸溢洪道水力计算实例

一﹑ 资料及任务

某水库的带胸墙的宽顶堰式河岸溢洪道，用弧形闸门控制泄流量，如图15.7所示。溢洪道共三孔，每孔净宽10米。闸墩墩头为尖圆形，墩厚2米。翼墙为八字形，闸底板高程为33.00米。胸墙底部为圆弧形，圆弧半径为0.53米，墙底高程为38.00米。闸门圆弧半径为7.5米，门轴高程为38.00米。闸后接第一斜坡段，底坡1i =0.01，长度为100米。第一斜坡段后接第二斜坡段，底坡i 2=1:6，水平长度为60米。第二斜坡段末端设连续式挑流坎，挑射角=α25°。上述两斜坡段的断面均为具有铅直边墙，底宽B 1=34米的矩形断面，其余尺寸见图15.7。溢洪道用混凝土浇筑，糙率n=0.014。溢洪道地基为岩石，在闸底板前端设帷幕灌浆以防渗。水库设计洪水位42.07米，校核洪水位为42.40米，溢洪道下游水位与流量关系曲线见图15.8。当溢洪道闸门全开，要求： 1. 1.绘制库水位与溢洪道流量关系曲线； 2. 2.绘制库水位为设计洪水位时的溢洪道水面曲线； 3. 3.计算溢洪道下游最大冲刷坑深度及相应的挑距。

图7

图8

二﹑ 绘制库水位与溢洪道流量关系曲线 （一）确定堰流和孔流的分界水位

宽顶堰上堰流和孔流的界限为=

H e 0.65。闸门全开时，闸孔高度e =38.0－33.0=5.0

米，则堰流和孔流分界时的相应水头为

H =7

.765.00.565.0==e 米

堰流和孔流的分界水位=33.0+7.7=40.7米。库水位在40.7米以下按堰流计算；库水位在40.7米以上按孔流计算。

（二）堰流流量计算

堰流流量按下式计算：

2

/302H g mB Q σε=

式中溢流宽度B=nb=3×10=30米。因溢洪道上游为水库，0v ≈0则0H ≈H 。溢洪

道进口上游面倾斜的宽顶堰，上游堰高a=33.0－32.5=0.5米，斜面坡度为1：5，则

θctg =5（θ为斜面与水平面的夹角），宽顶堰流量系数m 可按H a

及ctg θ由表11.7

查得；侧收缩系数ε按下式计算：

=ε1－0.2[(n －1)k ζζ+0

]nb H 0

其中孔数n=3；对尖圆形闸墩墩头，=0ζ0.25；对八字形翼墙，=k ζ0.7。因闸后为陡坡段，下游水位较低，不致影响堰的过水能力，为宽顶堰自由出入流，取=σ1。 设一系列库水位，计算相应的H ，m ，ε和Q ，计算成果列于表1

因胸墙底缘为圆弧形，闸孔流量可按具有圆弧底缘的平面闸门下自由孔流流量公式计算

Q=μeB

e H g eB εμ'-0(2

已知 e =5.0米，B=30米，H 0≈H 自由孔流流量系数ϕεμ'=，由表11.12取闸孔流速系数=ϕ0.95，垂向收缩系数ε'按式计算：

ε'

])(

1[11

2H e k -+=

其中系数k=e

r 16

718

.24

.0，而门底（即胸墙底）圆弧半径r=0.53 米，106.00.553

.0==e r ，

则

k =106.016718.24.0⨯==7

.1718.24

.00.073

'μ

图9

按表1及表2的数据绘制库水位与溢洪道流量曲线于图 三﹑绘制库水位为设计洪水位时的溢洪道水面曲线 水库设计洪水位为42.07米，由表2知相应闸上水头为9.07米及相应设计流量为1150

米/3

秒。

溢洪道睡眠曲线由闸门后水平段、第一斜坡段及第二斜坡段上的水面曲线所组成。 现分别计算各段的水面曲线。

（一） （一） 门后水平段

由图15.7闸门后水平段长度为14.1米。当库水位为设计洪水位时，由表2知垂向

收缩系数ε'=0.815，故闸门后收缩断面水深

c h =ε'e=0.815×5.0=4.08米

闸孔单宽流量

=q

3.38301150==B Q 米3/秒/米

临界水深 3

2

g q h k α=

=8.93.380.12⨯=5.31米

因c k

h h >，闸后水平段水面曲线为0c 型壅水曲线。 收缩断面至闸门的水平距离为2.5e=2.5×5.0=12.5 米，已接近水平段末端，0c

曲线长仅1.6米，不必计算。参照c h

值，取水平段末端水深为4.1米。 （二） （二） 第一斜坡段

1、判别底坡类型。

先求正常水深0h ：底坡=1i 0.01，底宽=1B 34米，矩形断面边坡系数=m 0 ，糙率n

＝0.014，均匀流流量模数

K 01.011500==

i Q =11500米3/秒

=067.21nK B 11500014.03467.2⨯=76.7 由附录图解Ⅰ查得

=

=10B h α0.0785，则

=0h 0.0785B 1=0.0785×34=2.67米

再求临界水深k h ：

1B Q q =

=341150

=33.8米3/秒/米

求得=k h 5.04米。因0h

2、水面曲线计算。

用分段法计算水面曲线。应用的公式为：

J i E l s -∆=

∆

因为是陡坡，以第一斜坡段起始断面为控制断面，以该断面水深（即闸后水平段末端水深）=h 4.1米为控制水深，然后假设下游断面水深h ，计算相应的距离l ∆。这样逐段进行计算，即可求得水面曲线。计算结果列于表15.10。第一斜坡段长度为100米，根据15.10中的数据用内插法求得其末端水深为3.53米。

（三） （三） 第二斜坡段 因底坡

=>=

1261

i i 0.01，故为陡坡。

第二斜坡水平长度为60米，始末高程差=32.0－22.0=10.0米，则第二斜坡段长度=8.6010602

2

=+米

以第一斜坡段末端水深h=3.53米作为第二斜坡段的控制断面水深，再用分段法计算该段的水面曲线。其计算结果列于表15.11。用内插法求得第二斜坡段水深为1.954米。

根据表15.10和表15.11的水面曲线计算结果即可确定溢洪道边墙高度。由于第二斜坡段上水流流速较大，水中可能掺气，在确定边墙高度时应考虑由于掺气增加的水深，一般可增加纯水水深的20%。

四、计算溢洪道下游最大冲刷坑深度及相应挑距，并核算冲刷坑对建筑物安全的影响 （一）计算最大冲刷坑的深度T 先计算冲刷坑最低高程