溢流堰设计说明书

溢流堰设计说明书Last revision on 21 December 2020

第4章 溢流坝段表孔设计

溢流坝段既是挡水建筑物，又是重力坝枢纽中最重要的泄水建筑物。设计时，除了应满足稳定和强度要求外，还要满足因泄水带来的一系列要求，包括：

（1）具有足够的孔口体形尺寸和较高的流量系数，，以使之具有足够的溢流能力。

（2）应具有良好的孔口体形，以使水流平顺地过坝，不产生有害的负压、震动和空蚀等。

（3）保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲刷。

（4）溢流坝段在枢纽中的位置，应使下游水流流态平顺，不产生折冲水流，不影响枢纽中的其他建筑物的正常运行。

（1） 又灵活可靠的下泄水流控制设备，如闸门启闭机等

确定溢流断面长度

4.1.1 设计单宽流量

溢流重力坝的单宽流量q 需综合考虑地质条件、枢纽布置、下游河道水深和消能工设计等因素，通过技术经济比较后选定。单宽流量愈大，所需的溢流前缘愈短，对枢纽布置有利，但下泄水流动能大，对下游消能防冲不利，。近年来随着消能工技术的进步，选定的单宽流量也不断增大。

本设计中，三峡坝之下游段地质条件优良，故可假定单宽流量q=200m 3/s ，据此可假定溢流坝段长度。

（1）设计洪水位工况下：Q = 23540 m 3/s 则可假定 m q Q L 7.117200

23540===

（2）校核洪水位工况下：Q = 35260 m 3/s

则可假定 m q Q L 3.176200

35260===

选取二者中的最大值，确定溢流段长度为176.3m

本设计选用平面钢闸门形式，因其结构简单，而且闸墩受力条件良好。取孔口净宽为b = 8 米。

a 、计算孔口数：

（1） 设计洪水位工况下：71.1487

.117==

n （2）校核洪水位工况下：94.218

3

.176==n

由此可确定孔口数为22孔。

据此计算Q 溢 = 22×8×200 = 35300 m 3/s ，满足设计洪水位和校核洪水位工况下所需的下泄流量。

b 、闸门布置：

溢流坝段表孔采用平面钢闸门，常用的布置有跨缝布置和跨墩布置，其中跨缝布置可以减少闸墩长度，但对地基要求较严格，若产生地基不均匀沉降则对闸门启闭运行极为不利，而跨墩布置可以适当放松对地基的要求，然而却增加了闸门的长度，使整个溢流坝段长度增大，对其经济性产生影响。综合各方面因素，鉴于三峡工程所在地地基条件优良，故选用跨缝布置。经考虑论证后选取闸墩厚度为13m ，则每段坝长为13+8=21m 。

c 、溢流坝段前缘总长：

溢流坝顶装设闸门时，用坝墩将溢流坝段分割成若干个等宽的孔口。设孔口宽度为b,则孔口数n = L/b 。，令闸墩厚度为d 。

闸门段长L = 22×8+(22－1)×13 = 449m

因为采用跨缝布置，考虑深孔的交错布置(深孔为23孔，由下章可知)，故其溢流坝段前缘总长为：

L 0 = L + 2d + b = 483 m.。

4.1.2 堰顶总水头的确定

由调洪演算求出的设计洪水位及相应的溢流坝下泄流量Q 溢，可求的堰顶设计总水头H 0。利用堰流公式计算H 0：

3/20s Q nb εσ溢＝ （4·1）

式中：Q 溢 — 表孔下泄洪水的流量，有设计资料Q 溢＝23540m 3/s ；

n — 孔口数，22；

b — 表孔净宽，8m ；

ε — 闸墩侧收缩系数，与墩头形式有关，初拟时可取， 本计设计取；

s σ — 淹没系数，因其为自由出流，故取；

m — 流量系数，以三峡工程为高坝，初拟时根据水工建筑物经验可预定P 1/H d

≥ ，可以不计行近流速，取m = 。 H 0－堰顶设计总水头。

将各参数代入上式，得堰顶设计水头：

H 0=16.23m

则：

堰顶高程＝设计水位－堰顶水头

＝175－

=158.53 m 本设计取158 m 。 检验：

结合本设计结果，

0.31

d

H P 。故可以不计行近流速，满足假设条件。 综上所述：本设计溢流表孔坝段分成23个坝段，分缝布置故有22个孔口；选用平面钢闸门，闸门宽8米，堰顶高程为158米。

溢流面曲线设计

溢流重力坝的溢流面由顶部曲线段，中间直线段和下游反弧段三部分组成。设计要求为：①有较高的流量系数；②水流平顺，不产生有害的负压和空蚀破坏；③体形简单，造价低，施工方便。

4.2.1 定型设计水头的确定

Hs 定型设计水头即坝剖面设计时采用的堰顶水头，一般取校核水位时堰顶 水头Hzmax 的75%-95%，并满足下列要求：①遇校核水位闸门全开时， 堰顶附近出现的负压不得超过3－6m 水柱；②遇常遇洪水位(等于或低于20 年一遇的洪水)闸门全开时，坝顶附近不得出现负压。

Hzmax ＝校核洪水位－堰顶高程 ＝ = 22.4m

当实际来水的堰顶水头H Z 高出H S 时，堰顶附近将出现负压，H Z 超出H S 愈大，负压值愈大，显然，遇到校核洪水位，即H Z =H Zmax 时，堰顶附近将出现最大负压值。 选用不同定型设计水头时堰顶附近可能出现的最大负压值见下表：

当实际来水的作用水头低于定型设计水头H S 时，堰体对水舌有顶托作用，使其流量系数减少，减少溢流段下泄量，所以要考虑有一定的负压值，但负压值不宜过大，不能超过规范规定的3~6米水柱，本设计取用H S =,即最大负压值为

Hs ＝90%Hzmax=90%×=20.16m

4.2.2 堰面曲线的设计

重力坝溢流面曲线由顶部曲线段AB 、中间段BC 和下部反弧段CD 三 部分组成。设计要求是：①有较高的流速系数；②水流平顺，不产生有害的 负压和空蚀破坏；③体形简单，造价低，施工方便。如图４—１

图４—１

A 、顶部曲线段

开敞式坝顶溢流的顶部曲线，其合理形式应与薄壁堰的水合下缘曲线相

吻合。本设计采用WES 型曲线，此曲线又以堰顶O 为界分为上游段AO 和下游段OB 。 图

4·２

a 、上游段AO 应有利于改善堰面压力和流速分布，提高流量系数，宜用1/4 椭圆曲线，其方程为

22

22

()1()()x bHs y aHs bHs -+= （4·2）

式中：aHs 、bHs －椭圆的长、短半轴，因上游坝面铅直，可取a=3a 本设计取a=、b=，即：

aHs=× = 5.85m

bHs=× = 3.43m

方程简化为：

()

()

143.385.52

2

2

2

=+

y x

以堰顶为原点，各点坐标见下表：

b 、下游段曲线OB 采用WES 曲线，方程为