【《土质心墙土石坝的溢洪道设计计算过程案例》7900字】

土质心墙土石坝的溢洪道设计计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u29830土质心墙土石坝的溢洪道设计计算过程案例 1219441.1溢洪道位置及型式选择 1285611.1.1洪道位置选择 1260271.2进水渠 211821.3控制段设计 3326291.3.1溢流堰 3137131.3.2闸门设计 5220891.3.2闸墩设计 6179621.3.4收缩段设计 6283791.3.5工作桥和交通桥 81191.3.6启闭机 826931.4泄槽设计 8189221.4.1泄槽的平面布置 8257291.4.2泄槽的横断面设计 9302301.4.3泄槽的纵剖面设计 967121.4.4水面线推求 10277441.4.5边墙高度 1378541.4.6泄槽衬砌 1482301.4.7泄槽底板 14231781.5消能防冲设计 1559271.5.1挑流鼻坎设计 15259521.5.2挑距计算 15225841.5.3冲刷坑深度计算 16271561.5.4尾水渠 171.1溢洪道位置及型式选择1.1.1洪道位置选择根据《溢洪道设计规范》（SL-253-2018），溢洪道的布置应根据地形、地质、枢纽布置、坝型、施工、生态与环境、运行管理及经济指标等因素，经经济技术比较选定。根据第四章枢纽布置方案可知：坝址左岸存在有接近一堰顶高程的天然垭口，左岸天然垭口处覆盖层比较薄，地质条件好，两岸山体整体稳定，因此可在坝址左岸天然垭口处布置溢洪道，采用岸边溢洪道形式。岸边溢洪道一般采用地面开敞式的结构特点，泄水能力与库水位的1.5次方成正比，超泄能力较大，洪水翻坝漫顶可能性较低。常在堰顶设置表孔闸门以增大水库的调洪能力以及方便调度运行。除此之外，岸边开敞溢洪道还有便于检查、安全可靠的特点，加之其充分利用天然地形，进而可以减少开挖量。岸边溢洪按流态可分为正槽溢洪道、侧槽溢洪道、井式溢洪道和虹吸溢洪道。根据本工程实际，参考各种形式溢洪道的优缺点和适用条件，坝址左岸存在有接近一堰顶高程的天然垭口，能够减少土石开方。因此本工程在左岸垭口处建造结构简单、水力条件好的正槽式溢洪道。1.2进水渠正槽式溢洪道分别由进水渠、控制段、泄槽、消能防冲段和出水渠构成。溢洪道的开始部分为进水渠。进水渠的主要作用是将水库中的水平稳水平的引至溢流堰前。进水渠的水流条件不仅影响泄流量及控制段的均匀泄流，而且还影响着泄槽的水流流态。因此，要求沿进水渠轴线方向进水流畅、水流平稳、均匀入渠。 根据《溢洪道设计规范》（SL-253-2018），进水渠的设计流速应大于悬移质不淤流速，小于渠道不冲流速，且水头损失小。在渠道设计流速宜采用3~5m/s。根据最大流量拟定渠道断面，使得渠水流速度符合要求，并且断面的过水流量大于控制段面的过水流量。进水渠通常采用平坡或者逆坡，进水渠终点渠底高程应比堰顶高程低0.5倍溢流堰定型设计水头，，本次设计中取=14m，初步拟定渠底高程为179m，渠底底坡为平坡，渠底宽度取70m。渠底采用厚为0.3m的混凝土衬护。进水渠的断面形状在岩基上可采用矩形或者梯形。新鲜岩石上的进水渠边坡一般为1:0~1:0.3；风化岩石上的边坡一般为1:0.5~1:1.0。资料中说明左岸垭口岩石风化情况不太严重，故边坡初步设计时取1：0.5。断面形状取梯形。根据调洪演算结果可知，最高水位为202.92m，对应下泄流量6423.80m³/s，此时进水渠流速计算结果满足渠道设计流速范围3~5m/s。过程如下：为了保证土石坝安全稳定不受溢洪道影响，应在溢洪道穿过土石坝的两侧修建挡土墙。根据挡土墙的设计要求，挡墙顶部宽度为挡墙高度H的1/12，挡墙底部宽度为（0.5～0.7）H。本设计中拟定挡墙顶部宽度为2m，底部宽度为8m。1.3控制段设计溢洪道的控制段是控制溢洪道泄流能力的关键部位。包含溢流堰、工作桥、交通桥、闸门和闸墩等，是控制溢洪道泄流能力的关键部位。1.3.1溢流堰1.3.1.1溢流堰的堰型选择溢洪道通常选用实用堰、宽顶堰、驼峰堰等型式。（1）宽顶堰的结构简单，有利于施工，对承载力较差的地基适应性强。但流量系数较低（0.32～0.385），一般应用在下泄流量较小或者地形平缓的小型工程。（2）实用堰的流量系数较大，相对工程量较小，但是结构较复杂，施工难度大。实用堰多适用于岸坡较陡的大中型工程。设计时应优先采用超泄能力较大的开敞式实用堰。（3）驼峰堰是中国从工程实践中总结出来的，其流量系数可达0.42以上，但驼峰堰目前没有确定的剖面，设计时也需要进行水工实验。根据调洪演算结果可知，本工程洪峰下泄流量较大，加之有较好的地形条件，故溢流堰选择开敞式实用堰。1.3.1.2堰顶高程、溢流前缘净宽及闸孔宽度根据4.4.3中溢流堰尺寸计算结果可知：溢流堰堰顶高程为181.40m，溢流堰前缘净宽为50m。其中，单孔净宽10m，共5孔，1.3.1.3堰面曲线设计根据《溢洪道设计规范》（SL-253-2018），采用幂曲线作为本次设计溢流堰堰面曲线型式。开敞式堰面曲线原点上游有椭圆曲线、双圆弧曲线和三圆弧曲线三种型式。本设计采用三圆弧曲线，上游堰面铅直。开敞式堰面堰顶下游堰面WES幂曲线按公式（1.1）计算： （1.1）式中：——堰面曲线定型设计水头，（对于上游堰高的高堰，取，对于的低堰，取，为校核流量下的堰上水头），本次设计中，=202.92-181.4=11.52m，取=14m；——原点下游堰面曲线横纵坐标；——与上游堰坡有关的指数，取1.85；——与的值有关，取2.0。堰顶上游三圆弧半径及水平控制长度计算如下：=0.5×14=7m=0.2×14=2.8m=0.04×14=0.56m=0.175×14=2.45m=0.276×14=3.864m=0.282×14=3.948m以堰顶顶点为坐标原点，下游堰顶方程为，WES标准堰面基本坡面还满足，故可计算出堰顶下游堰面曲线终点的坐标为：x=0.85×14=11.9，y=0.37×14=5.18m。根据下游堰顶方程可计算曲线末端直线段斜率如下：将k=0.81转换为坡度为1：1.24。实用堰采用反弧与下游底板相连接，下游反弧半径一般取4.584~11.46m，最终取R=10m。其坡面简图如图1.1所示：图1.1WES堰剖面简图1.3.2闸门设计为了能够按照要求开启或局部开启孔口，以达到调节流量和上下游水位、宣泄洪水、船只航运、泥沙排放等作用，需要设置水工闸门。本次溢洪道设计5个闸孔，根据《水工设计手册》可知，有检修必要。需在每个闸孔设置一道工作闸门和检修闸门。平板式和弧形式是常用的闸门型式，其优缺点如下：平板闸门的优点：所占顺水流方向空间尺寸小；结构简单，施工方便；检修和运行方便；需要的启闭设备简单。缺点是：需要的工作桥高度和闸墩厚度大；需要设置门槽；所需启闭力较大。弧形闸门的优点是：需要的工作桥高度和闸墩厚度较小；一般不设置影响水流流态的门槽；需要的启闭力小。缺点是：所需闸墩较长；运行和检修不便；结构复杂。工作闸门一般在动水中启闭，所需启闭力大。在本次溢洪道设计中，由于溢流道孔口尺寸较大，相较平板闸门，选择弧形闸门钢筋用量会大大增加。因此本次设计中工作闸门和检修闸门均采用平板闸门。工作闸门顶部高程为为“正常高水位+安全超高”。工作闸门顶部高程一般超过正常蓄水位1.0～1.5m，本设计取超高1.4m。为了有利于压低泄流水舌和减少堰面出现负压的机会，工作闸门底部设置在堰顶最高点的下游侧（0.1～0.2）处。本次设计闸门落点位置设在堰顶下游0.1=1.4m处。经计算可知闸门顶部高程为191.8+1.4=193.2m，闸门高度为193.2-181.4=1.8m。依据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）规定，两道闸门之间的最小净距应满足门槽混凝土强度与抗渗、启闭机布置与运行、闸门安装与维修和水力学条件等因素的要求，且不宜小于1.50m，本次设计取3.0m。综合上述内容以及4.4中溢洪道尺寸拟定结果。最终闸门尺寸拟定如下：溢流堰闸孔单孔孔净宽10m，共5孔，溢流堰净宽为50m，堰顶高程为181.4m。工作和检修闸门采用平板闸门，高度均为1.8m，闸门厚度均取1.0m。1.3.2闸墩设计闸墩的作用是分隔闸孔、支撑闸墩上部结构重量、承受传递水压力。闸墩将闸门、胸墙以及闸墩本身挡水所承受的水压力传递给底板。闸墩的修建的原则：应当使水流平顺，减少孔口水流的侧收缩。一般采用上游为半圆形、下游为流线型或尖角形的闸墩。闸墩的厚度应根据强度和稳定条件确定。闸墩厚度，对于中间闸墩厚度一般为孔径的1/7～1/8，边墩厚度约为1/10～1/11。闸墩的长度一般由上部结构的布置要求决定，闸墩厚度除满足结构安全外，还应注意与闸的整体外形相协调。根据所给资料，初步选定闸墩的长度为20m，闸墩厚度为2.5m，边墩厚度取1.25m，工作闸门门槽深0.6m，门槽净宽1.0m。此外，为了提高闸室的稳定性，对中间闸墩进行分缝设计，分缝距离不宜超过20cm。本次设计中在中墩轴线处设置15cm分缝。故溢流堰前缘总宽度=5×10+4×2.5+4+2×1.25+4×0.15=63.1m。闸墩细部构造图如图1.2所示：图1.2闸墩细部构造图根据设计规范，闸墩及岸墙顶部高程应取一下三种工况的最大值：（1）在校核洪水情况下，高程应大于等于校核洪水位与安全加高值之和；（2）在设计洪水情况或者正常蓄水位情况下，高程应大于等于设计洪水位或正常蓄水位加波浪计算高度和安全加高值；（3）溢洪道紧靠坝肩时，控制段顶部高程应与大坝坝顶高程协调；本次设计中闸墩高程与土石坝坝顶高程通告，取204.0m。1.3.4收缩段设计溢洪道的收缩段设计，是指在保证泄流流量要求的情况下，适当地减少泄槽断面面积，提高泄槽断面流速，从而达到减少泄槽工程开挖量的目的。本次设计中初步选定收缩段，收缩后断面宽度取50m，又因为溢流堰前缘宽度为63.1m。则收缩段长度为（63.1-125）/0.06=131.4m依据设计规范，泄槽边墙收缩（扩散）角可按经验公式1.4确定： （1.4）式中：——泄槽中心线和收缩（扩散）段边墙夹角，°；——收缩（扩散）段开始、结束断面的平均弗劳德数；——收缩（扩散）段开始、结束断面的平均水深，m；——收缩（扩散）段开始、结束断面的平均流速，m/s；——经验系数，取3.0。通过实用堰流量公式计算得=6267.5m³/s，进而可以算出堰顶的过水断面平均流速为=6267.5/（202.92-181.4）/50=7.59m/s。建立堰顶断面和收缩断面的能量方程 （1.5）上述的实用堰流量公式已将局部水头损失考虑在内，因此在堰顶断面至堰下游收缩段起始断面处的水力计算过程中可不计水头损失。经计算得=15.94m/s，=1.26m。收缩段结束断面水流流速同样可以根据能量方程求解得出，具体如方程组1.6所示。在求解方程组过程中，水头损失只考虑沿程水头损失，不计局部水头损失。 （1.6）在计算中，为进一步提高结果的准确性，沿程水头损失中流速、水深和泄槽宽度均取首末断面平均值。经计算可得：收缩段结束段面流速=19.09m/s，水深=1.598m。代入经验公式1.4中得：=0.14，即=7.97°。大于初步拟定收缩段的收缩角=0.06，符合规范设计要求。1.3.5工作桥和交通桥为了方便启闭机安装和工作人员的操作，一般要设置工作桥。为了方便两岸的交通连接情况等条件，一般要设置交通桥。在溢流堰堰顶上布置工作桥及交通桥时，应该根据工程运行、观测、检修、交通以及闸门启闭设备布置等要求确定，桥下净空应满足泄洪及排漂要求。本次设计中采用门式启闭机，需要设置工作桥。在上游侧布置工作桥，位置与闸门一致，拟定工作桥宽度为8m；在闸室下游位置布置交通桥，拟定交通桥宽度为8m。1.3.6启闭机在水工闸门启闭机设备选用时，通常选用移动式启闭机、螺杆式启闭机、卷扬式启闭机、液压式启闭机等。其中，移动式启闭机具有设备灵活，可移动的特点，因此可以达到一台启闭机多个闸门共用的效果。此外，移动式启闭机可以通过将闸门提升至路面方便安装、维修。故本次设计中采用移动式启闭机。根据《水利水电工程钢闸门设计规范》可知，溢流闸门应提到水面以上一定的高度以免水上漂浮物与闸门发生撞击。规定超出水面以上高度为1～2m，本设计中将闸门高度提升至与坝顶高程同高，此时闸门超出校核洪水最高水高1.08m（介于1～2m），符合规范要求。1.4泄槽设计溢洪道的泄槽段是指在溢流堰堰顶后并与下游消能防冲段平顺连接的泄水陡槽。泄槽段的设计内容包括泄槽的平面布置、纵横断面设计、水面线推求、边墙高度和分缝设计。1.4.1泄槽的平面布置为了将溢洪道水流安全下泄，在溢流堰消能段后连接泄水陡槽。泄槽内流速大于临界流速，属于急流。由于高速水流对边界条件特别敏感，泄槽在平面上应尽可能采取直线，若有设置转弯的需要时，转弯半径不宜小于10倍的泄水槽；同时，为了使水流平顺，工程结构简单、施工方便，要等宽、对称布置泄槽平面，避免弯道或横断面尺寸的变化。1.4.2泄槽的横断面设计泄槽的横断面形式取决于泄槽部位的地质条件和槽身的衬砌设计。常采用矩形或者梯形断面作为岩基中的挖方断面以及有衬砌的陡槽断面。本次设计中垭口沿着下游区域为岩石基础，采用矩形断面作为泄槽的断面形状，方便开挖与泄流。拟定泄槽宽度为50m。1.4.3泄槽的纵剖面设计泄槽的纵剖面设计主要是确定纵坡。地形、地质条件、衬砌材料特性及施工条件等因素均会影响泄槽纵坡的取值。泄槽纵坡应该大于水流的临界坡度以保证槽中的水位不影响溢流堰自由泄流以及泄水时槽内不会发生水跃、水流处于急流状态。坡底常见取值1%~5%，在坚硬的岩石上，坡底可取更大值；在条件容许下应尽量采用一坡到底；如若必须改变坡度，为了避免高速水流在变坡处产生不利水利条件，宜用曲线在变坡处连接。水流临界坡度计算如式1.6所示： （1.6）式中：——动能修正系数，取1.0；——泄槽底部坡率，泄槽采用浆砌石底坡，糙率取0.025；——临界湿周；——泄槽宽度，取50m；——临界水力半径；——泄槽单宽流量，=6423.8/50=128.476m³/s；——临界水深，=11.90m；通过计算，11.90m，0.0045泄槽的开挖量多少与泄槽的底坡大小相关。泄槽底坡越小，泄槽开挖工程量越小，工程造价也会相应降低。根据水库的地形地质图可知：泄槽收缩段起始断面到下游水面水平距离约为360m，高差为181.4-10-149.35=27.05m。因此可以计算出泄槽首端到下游水面的直线斜率约为27.05/360=0.075＞0.0045。综合考虑底坡对工程开挖量的影响以及临界坡度的要求，初步拟定泄槽底坡i=0.05。1.4.4水面线推求为了确定泄槽的边墙高度以及泄槽长度，在溢洪道泄槽设计中需对泄槽内的水流进行水面线推求。泄槽边墙高度等于水面线高度与安全超高之和。推求采用分段求和法进行泄槽水面线推求，取校核工况作为计算工况，计算公式如式（1.7）、（1.8）所示： （1.7） （1.8）式中：——计算段的长度，m；——计算段开始和结束断面的水深，m；——计算段开始和结束断面的平均流速，m/s；——流速分布不均匀系数，均取1.0；——泄槽坡角，=0.05，=°；——泄槽坡度，为0.05；——分段内平均摩阻坡降；——泄槽槽身糙率系数，一般为混凝土面，取0.013；——分段平均流速，，m/s；——分段平均水力半径,,m；根据1.3.4中收缩段的设计得出=1.598m，泄槽水面线为降水曲线，当泄槽足够长时，泄槽水深最终将趋于正常水深，对于矩形断面，泄槽边坡坡度m=0，的计算公式（1.9）表示如下：（k=0，1，2，……） （1.9）经迭代计算的=3.86m，从开始以0.1m水深降水向泄槽末端推进，结合式（1.10）（1.11）（1.12），泄槽水面线计算表如表1.1所示： （1.10） （1.11） （1.12）表1.1水面线计算表断面11.598329.919.095.220.0287.810.0125.190.0021.532519.3819.235.165.190.0287.630.010.010.0425.660.4711.4611.4631.432019.6819.535.105.130.0287.450.010.010.0421.160.5012.4923.9541.331519.9919.845.035.060.0287.270.010.010.0421.690.5313.3737.3251.231020.3120.154.975.000.0287.080.010.010.0427.250.5614.3251.6461.130520.6520.484.904.940.0281.890.010.010.0427.850.6015.3767.027630020.9920.824.844.870.0281.700.010.010.0428.480.6311.5383.5485.929521.3521.174.774.810.0281.510.010.010.0429.150.6717.80101.3495.829021.7221.534.714.740.0281.310.010.010.0429.860.7119.20120.54105.728522.1021.914.644.670.0281.100.010.010.0430.610.7520.77141.31115.628022.4922.294.584.610.0285.900.010.010.0431.410.8022.52163.84125.527522.9022.704.514.540.0285.690.020.020.0332.250.8524.49188.32135.427023.3223.114.444.470.0285.470.020.020.0333.150.9021.71215.04145.326523.7623.544.374.410.0285.250.020.020.0334.110.9629.24244.28155.226024.2223.994.304.340.0285.030.020.020.0335.131.0232.15271.43165.125524.7024.464.244.270.0284.800.020.020.0331.221.0935.51311.9417525025.1924.944.174.200.0284.570.020.020.0337.371.1639.43351.37184.924525.7025.454.104.130.0284.330.020.020.0338.611.2344.08395.45194.824021.2425.974.034.060.0284.090.020.020.0339.931.3249.64445.09204.723521.8021.523.963.990.0283.840.030.030.0241.341.4151.43501.52214.623027.3827.093.893.920.0283.590.030.030.0242.851.5164.87561.391.4.5边墙高度边墙的高程可由1.4.4中泄槽水面线计算结果加上掺气水深与安全超高之和确定。根据《溢洪道设计规范》（SL-253-2018）可知，泄槽段的边墙高度安全超高取值介于0.5～1.5m，本次设计中取安全超高=1.0m。掺气水深可按式1.13计算： （1.13）式中：——泄槽计算断面的水深，m；——泄槽掺气后的水深，m；——不掺气情况下计算断面的流速，m/s；——修正系数，可取1.0～1.4s/m，流速大者取大值，设计中统一取1.2。由前文知泄槽首端底部高程为181.4-10-131×0.05=169.85m。边墙高度及高程的计算结果如表1.2所示：表1.2边墙高度计算表安全超高边墙高度泄槽底部高程边墙顶部高程1.59819.098.1119.110.00167.85171.961.519.388.0119.0111.46167.28171.291.419.687.9118.9123.95161.65175.561.319.997.8118.8137.32165.98174.801.220.317.7118.7151.64165.27173.981.120.657.6118.6167.02164.50173.11620.997.5118.5183.54163.67172.185.921.357.4118.41101.34162.78171.195.821.727.3118.31120.54161.82170.135.722.107.2118.21141.31160.78169.005.622.497.1118.11163.84159.66167.775.522.907.0118.01188.32158.43161.455.423.321.9117.91215.04157.10165.015.323.761.8117.81244.28155.64163.455.224.221.7117.71271.43154.03161.745.124.701.6117.61311.94152.25159.86525.191.5117.51351.37150.28157.794.925.701.4117.41395.45148.08155.494.821.241.3117.31445.09145.60152.914.721.801.2117.21501.52142.77149.994.627.381.1117.11561.39139.53141.641.4.6泄槽衬砌由于泄槽段的水流流速较高，故需要对边墙进行衬砌，防止对边墙的冲刷，避免边墙滑坡堵塞泄槽。依据设计规范，边墙采用混凝土或钢筋混凝土时，墙顶宽度不宜小于0.3m；采用砌石墙顶宽度不宜小于0.5m。本设计中采用边墙采用砌石墙，厚度取0.5m，分缝间距取12m。1.4.7泄槽底板溢洪道泄槽底板设计包括泄槽底板厚度设计和泄槽底板的结构缝设计。前者设计受多种因素影响，包括溢洪道的工程规模、溢洪道与土石坝的相对位置关系、沿线的工程地质情况和水文地质状况、气候等。参考类似工程经验可知，泄槽底板设计厚度应≥0.3m，寒冷及严寒地区应≥0.4m。本次设计中，泄槽地基为坚硬性较好的岩石基础，可以采用混凝土作为底板材料，厚度取0.5m。泄槽的结构缝设计包括横缝设计和纵缝设计。其中，横缝垂直于水流方向，纵缝平行于水流方向。根据工程经验，横纵缝间距一般可取10~15m。本次设计中横纵缝间距均取12m。在纵横接缝中设置止水片，防止高度水流进入面板底部。边墙处不设纵缝，通过横缝与底板分开。底板的纵横缝下设置排水设施。横缝底部排水设施为排水沟，在基岩上直接开挖沟槽，采用尺寸为0.3m×0.3m的正方形形状；纵向排水设施为半径为0.1m的缸瓦管。具体设计如图1.3、1.4所示：图1.3横向排水沟图 图1.4纵向排水沟图1.5消能防冲设计在溢洪道中，大坝和溢洪道的安全受水流的流速影响。当溢洪道中水流流速越大，其动能越大，水流对下游河床和岸坡的冲刷破坏作用越强，溢洪道和大坝越不稳定。因此，为保证泄槽中的水流与下游河床平稳衔接，需要在溢洪道出口处对其进行消能处理。常用的消能方式有底流消能、挑流消能、窄缝式挑坎消能、平台水跃扩散消能等多种方式。其中，挑流消能是在泄水建筑物下游端修一挑流坎，利用下泄水流的巨大动能，将水流挑入空中，然后降落在远离建筑物的下游消能。具有构造简单、便于维修的特点，其下游不用修建护坦。故本次设计采用连续性挑流鼻坎挑流消能。1.5.1挑流鼻坎设计参考以往工程经验，一般情况下挑流鼻坎高程比下游最高水位高1~2m，鼻坎挑射角