岸边溢洪道设计[详细]

1、岸边溢洪道设计6.3.1溢洪道说明溢洪道其主要任务是泄洪,土石坝不允许水过坝顶,需要专门修建泄洪建筑物.根据本工程的地形条件,上游坝址左岸沿河流方向有一道呈现弧形的纵向凹槽,所以选择溢洪道设置在大坝左岸,为带胸墙孔口式岸边溢洪道.溢洪道由引渠段、 堰闸段、 泄槽段、 挑流鼻坎段组成.6.3.2 溢洪道引水渠 为了 使水流平缓,减小或不发生漩涡和翻滚现象,进口采用喇叭口,进口宽度 B=50米.设计流速4米/s,横断面在岩基上接近矩形,边坡根据稳定要求确定这里选择边坡坡度 为1:0.5;采用梯形断面,进水渠的纵断面做成平底.在靠近溢流堰前断区,由于流速较大,为了 防止冲刷和减少水头损失,可采用混泥

2、土护面厚度 为0.5米.6.3.3 控制段控制段包括溢流堰及两侧连接建筑物,溢流堰通常可以选择宽顶堰、实用堰、驼峰堰. 溢流堰的体形应尽量满足增大流量系数,溢流堰作用是控制泄流能力,本次设计采用实用堰,优点是流量大,在相同的泄流条件下需要的堰流前缘长,工程量小.采用弧形闸门.初步拟定堰顶高程H=设计洪水位堰顶最大泄水位H0堰顶高程H=1838=1858.22H0,则H0=20.22米胸墙式孔口溢流堰形式的下泄流量Q公式为: 式中: 闸墩侧收缩系数,0.9;米流量系数,0.48:;g重力加速度 ,9.81 ;B堰宽,12米;水位为设计洪水位1858.22米时,堰顶高程1838米,设计Q溢=464

3、5米3/s.则由上面公式计算得出的B=26.69米,取B=14米.表6.3-1溢洪道宽顶堰堰宽计算(忽略流速)计算情况上游水位流量Q堰上水头H0流量系数控制堰宽nb设计1858.22464520.220.526.29计算取b=28米,孔口数2孔,弧形工作闸门取值14x19米(宽x高).中墩厚3米,边墩宽1米,闸室宽度 =14x2+3+2x1=33米.堰面曲线的确定开敞式堰面曲线,幂曲线按式(7-2)计算: (7-2)式中 Hd堰面曲线定型设计水头,对于上游堰高P11.33Hd 的高堰,取Hd=(0.750.95)H米ax,对于P11.0 时,k 值见表A.1.1,当P1/Hd1.0 时,取k=

4、2.02.2.本次设计Hd=0.8H米ax=0.8x24.45=19.56米,P1=Hd=19.56=19.56,则引水渠底板高程为1818.44米.p2=0.6Hd1.33Hd=18米.根据表A.1.1 确定堰面参数值:根据表A.1.1 堰面曲线参数上游面坡度 (y/x)knR1aR2b3:021.850.5Hd0.175Hd0.2Hd0.282Hd3:11.9361.8360.68Hd0.139Hd0.21Hd0.237Hd3:21.9391.810.48Hd0.115Hd0.22Hd0.214Hd3:31.8731.7760.45Hd0.119Hd因为P1/.Hd=1,所以取K=2.2;

5、其中n=1.85,R1=0.5Hd,a=0.175 Hd,R2=0.2 Hd,b=0.282 Hd.即公式= 可以得出 表7-2幂曲线x02468101214161825y0.00 0.13 0.47 1.00 1.70 2.57 3.60 4.79 6.13 7.62 14.00 上游段曲线采用三圆弧法,圆弧半径为:R1=0.5Hd=9.78米,R2=0.2Hd=3.912米,R3=0.04Hd=0.7824米.对应的水平范围为L1=0.175 Hd =3.432米,L2=0.276 Hd =5.40米,L3=0.282 Hd =5.52米. 闸墩顶部高程=校核水位+安全超高=1862.55

6、+0.41862.95米.图7-1控制段曲线图衔接面计算: 1.直线段和堰面曲线切点xc,yc确定.对求导,坡率为1:0.65,x=10.64,y=2.88.7.4.2.2泄流能力计算开敞式幂曲线WES实用堰的泄流能力 (7-6)式中:Q流量,米3/s;B溢流堰总净宽,米,定义B=nb;b单孔宽度 ,米;C上游坡度 影响系数,上游铅直,C=1;H0堰上水头,米;米流量系数,取0.5;收缩影响系数,取0.9;淹没系数,取1. 50744645 米3/s (设计洪水情况,满足要求).7.5 泄槽设计正槽溢洪道在溢流堰后多用泄槽与消能防冲设施相连接,以便将过堰洪水安全泄向下游河道.河岸溢洪道的落差主

7、要集中在这段.泄槽坡度 常大于临界坡度 ,所以又叫做陡槽.泄槽横断面宜采用矩形断面.当结合岩石开挖采用梯形断面时,边坡不宜缓于11.5,并应注意由此引起的流速不均匀问题.7.5.1 泄槽的平面布置及纵、横剖面 泄槽在平面上应尽可能的采用直线、等宽对称布置.可以让水流平顺流入下游,而且这样结构简单,便于施工.实际中可以设置收缩短,减少工程开挖量和衬砌.出口设置扩散段减少单宽流量,有益于消能防冲,减少对河道的侵蚀.泄槽纵剖面设计主要是决定纵坡.泄槽纵坡必须保证泄槽中的水位不影响溢流堰自由泄流和在槽中不发生水跃,水流始终处于急流状态.所以纵剖i必须大于临界坡度 ic,此种情况下,泄槽起点的水深等于临

8、界hc,矩形泄槽ic和hc值如下: (7-7) (7-8)上式中:C谢才系数,其中R为水力半径(米), n-为粗糙系数,对于混凝土n=0.0140.016;g重力加速度 ,g=9.81米/s2;流速分布系数,取=1.0;L泄槽横断面湿周,米;B水面宽度 ,米;q单宽流量,米3/s.泄水槽宽度 为:L=214+3+21=33米单宽流量为:q=Q/B=7136/33=216.24米3/s临界水深: 临界水力半径为: 由公式:采用混凝土护面n=0.014,h=hc故 大于临界坡度 ,泄水槽内水流为明槽恒定急变流.为了 减小工程量,泄槽沿程可随地形、地质边坡,但变坡次数不宜过多,而且在两种坡度 连接处

9、,要用平滑曲线连接,以免在变坡处发生水流脱离边壁引起负压或空蚀.,当坡度 由陡变缓时,需用反弧连接,流速大时宜选用较大值.边坡位置应尽量与泄槽在平面上的变化错开,尤其不要在扩散段变坡,泄槽变坡处易遭动水压力破坏.常用的纵坡为1%5%,有时可达10%15%,此工程地基为坚硬的岩基,可以陡些,取泄槽纵坡为5%;泄槽的横剖面,在岩基上接近矩形,以使水流分布均匀,有利于下游消能.7.5.1.2试算槽内正常水深h的计算(坝下游收缩断面水深)根据水力学(公式10-5)可知 i=0.05 可以得出试算表表7-5hc试算结果h03455.15.25.35.4Q029424596.86459.26655.376

10、853.17052.557253.558所以,下游反弧段断面正常水深hc=5.4米,泄槽起始底板高程为1822.7米.根据水工建筑物溢洪道的相关设计要求,反弧半径可采用(36)h(h为校核洪水位闸门全开时反弧最低点的水深),反弧R=(28.557),取40米 ,.圆心角=43.32.7.5.1.3 推算水面曲线 泄槽水面线由能量方程,用分段求和法计算: (7-13) (7-14)式中:分段长度 米; h1、h2分段始末断面水深米; aaa1,a2,流速分布不均匀系数取1.05;V1、V2分段始末断面平均流速米/s; q泄槽底坡角度 qi=tg ,=3; J分段内平均摩阻坡降; n泄槽糙率系数n

11、=0.014; 分段平均流速米/s; R分段平均水力半径米. 在水位情校核况下计算h1,取溢流堰末端断面为开始计算断面,高程为:1822.7米, 校核洪水位到该断面的水位差为: 1862.45-1822.7=39.75米表7-3水面线推算表断面1234567891011Q71367136713671367136713671367136713671367136h(米)8.7 8.6 8.5 8.4 8.3 8.2 8.1 8.0 7.9 7.8 7.70 A(米2)287.1 283.8 280.5 277.2 273.9 270.6 267.3 264.0 260.7 257.4 254.1

12、X50.4 50.2 50.0 49.8 49.6 49.4 49.2 49.0 48.8 48.6 48.4 R5.7 5.7 5.6 5.6 5.5 5.5 5.4 5.4 5.3 5.3 5.3 V24.9 25.1 25.4 25.7 26.1 26.4 26.7 27.0 27.4 27.7 28.1 C95.5 95.3 95.2 95.1 95.0 94.8 94.7 94.6 94.4 94.3 94.2 J0.012 0.013 0.013 0.013 0.014 0.014 0.015 0.015 0.016 0.017 Es40.2 40.9 41.5 42.2 42.9

13、 43.7 44.5 45.3 46.1 47.0 47.9 E0.6 0.7 0.7 0.7 0.7 0.8 0.8 0.8 0.9 0.9 i-J0.0379 0.0375 0.0371 0.0366 0.0361 0.0356 0.0351 0.0346 0.0340 0.0334 S(米)16.8 17.7 18.6 19.7 20.8 21.9 23.2 24.6 26.1 27.7 S总(米)16.8 34.5 53.2 72.8 93.6 115.5 138.7 163.3 189.4 217.1 由溢洪道所处地形条件可知,溢洪道泄槽变坡断面处距离上游控制断面接近234.5米,由

14、推算结果可知溢洪道进口处断面水深为8.7米,流速为24.9米/s;泄槽变坡处断面水深为7.7米,流速为28.1米/s.7.5.3掺气减蚀水流沿泄槽下泄,流速沿程增大,水深沿程减小,即水流的空化数沿程递减,经过一段流程之后,就会产生水流空化现象.空化水流到达高压区,因空泡溃灭而使泄槽壁遭受空蚀破坏,抗空蚀措施有:掺气减蚀、优化体形、控制溢流表面的不平整度 和采用抗空蚀材料等.工程实践表明,临近固体边壁水流掺气,有利于减蚀和免蚀.掺气减蚀的机理很复杂,水流掺气可以使过水边界上局部负压消除或减轻,有助于制止空蚀的发生,空穴内含有一定量空气成为含气型空穴,溃灭时破坏力较弱;过水边界附近水流掺气,气泡对

15、空穴溃灭的破坏力起一定的缓冲气垫作用.掺气设施主要包括两个部分:一是借助于低挑坎、跌坎或掺气槽,在射流下面形成一个掺气空间的装置;一是通气系统,为射流下面的掺气空间补给空气.掺气装置的主要类型有掺气槽式、挑坎式、跌坎式、挑坎与掺气槽联合式、跌坎与掺气槽联合式、此外还有突扩式和分流墩式等,该工程选择挑坎与掺气槽联合式,其水流流态比其他的几种较好.在掺气装置中,通过改变坎的形式和尺寸,可以改变射流下面掺气空间的范围,从而达到控制空气和水混合浓度 的目的.挑坎高度 为0.2米,挑角为7,挑坎斜面坡度 为1/10.跌坎高度 一般在0.6米.由于地形原因,需要进行一次变坡.由缓坡变陡坡i=0.14.中间

16、可以用抛物线连接.抛物线方程按公式:式中:x,y:抛物线横纵坐标,泄槽末端为原点;为上端坡角;k:落差系数取k=1.3H:抛物线起始断面的比能;其中H按照公式计算H=h+av2/2g;h:抛物线起始断面的水深;v:抛物线起始断面的平均流速,米/s;a:动能修正系数,可以近似取1.y=0.05x+0.00495x2,推出关于x,y的曲线坐标值 表7-3曲线坐标值推算表x0246891010.210.510.81112y00.120.280.480.720.851.001.021.071.121.151.31变坡后的水面线推算:断面123456Q713671367136713671367136h(

17、米)7.7 7.5 7.2 6.8 6.5 6.2 A(米2)254.1 247.5 237.6 224.4 214.5 204.6 X48.4 48.0 47.4 46.6 46.0 45.4 R5.3 5.2 5.0 4.8 4.7 4.5 V28.1 28.8 30.0 31.8 33.3 34.9 C94.2 93.9 93.4 92.8 92.3 91.8 J0.018 0.019 0.022 0.026 0.030 Es47.9 49.9 53.2 58.4 63.0 68.3 E2.0 3.3 5.2 4.6 5.3 i-J0.1224 0.1206 0.1176 0.1139

18、0.1101 S(米)16.1 27.4 44.0 40.1 48.1 S总(米)16.1 43.6 87.6 127.7 175.8 溢洪道变坡进口断面的水深难为7.5米,流速28.8米/s,出口水深为6.2米.流速34.9米/s.7.5.4 边墙高度 确定 因为水流为急流,水深沿程下降,考虑摻气水深hb=(1+V/100)h 安全加高取1米. ,进口断面处边墙高度 h=A+hb hb=(1+V/100)h+1=(1+1.224.9/100)8.7+1=13米 出口断面处边墙高度 h=A+hb+ hb=(1+V/100)h+1=(1+1.228.1/100)7.7 +1=12米 hb=(1+

19、V/100)h+1= (1+1.234.9/100) 6.2+1=10米 最终取边墙厚度 取2.5米.7.5.5 泄槽的衬砌 为了 保护地基不受冲刷,岩石不受风化,泄水槽一定要做衬砌.对衬砌的要求如下:表面要光滑平整,以防止产生负压和空蚀;分缝止水可靠,以避免高速水流侵入底板以下,产生脉动压力引起破坏;排水系统要通畅,以减小底板扬压力.衬砌材料要能抵抗空蚀和冲刷,寒冷地区还应有一定的抗冻性. 本溢洪道为级溢洪道,采用混凝土衬砌.混凝土的抗空蚀能力强,随其抗压强度 增加而增加,因此容易产生空蚀的部位应采用高强度 混凝土.衬砌厚度 取0.4米.为了 适应混凝土的变形,需要设置纵横分缝,缝距为101

20、5米取20米.泄水槽两侧的边墙横缝布置一般与底板一致,本身不设纵缝,多在边墙接近的底板上设纵缝. 衬砌纵横缝下必须设置排水沟,且相互连通,渗水由横向排水沟集中到纵向排水沟内排向下游,管周围填满12厘米的卵砾石.7.6 溢洪道消能设计 从河岸溢洪道下泄的水流流速高、能量大,必须进行有效的消能,以避免冲刷下游河床和坝脚,危急工程安全.消能方式常用挑流和底流两种.在土基或破碎软弱岩基上的溢洪道,一般采用底流消能.但对泄流较小的,也可考虑采用挑流消能.本设计,考虑采用挑流消能.消能计算的目的是主要确定挑流射程和冲坑深度 ,并且确定冲刷坑是否危急主体建筑物的安全. 挑流消能反弧半径R一般为(610)h

21、,h为挑流鼻坎反弧最低点水深,近似取6.2米,R取6h38米 挑角为40度 .鼻坎顶高程=1797米.挑距:式中 L自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距,米;挑流水舌水面出射角,近似可取用鼻坎挑角,();h1挑流鼻坎末端法向水深,5米;h2鼻坎坎顶至下游河床高程差,米,如计算冲刷坑最深点距鼻坎的距离,该值可采用坎顶至冲坑最深点高程差;v1鼻坎坎顶水面流速,米/s,可按鼻坎处平均流速v 的1.1 倍计.V1=1.1x28.1=38.3米/s;L=147.2米.冲坑最大深度 为 式(7-22)坎顶单宽流量q=Q/b =7136/33=216.24米/sH=1862.45-1795=67.45米 为了 保证泄水建筑物不允许受冲坑影响,挑流消能设计应满足以下要求: (7-23)式中: H2下游水深 满足要求.8.1地基处理的主要要求 地基处理的主要要求是:控制渗流,减小渗流比降,避免管涌等有害的渗流变形,控制渗流量;保持坝身和坝基的静力和动力稳定,不产生过大的有害变形,不发生明显的不均匀沉降,竣工后,坝基和坝体的总沉降量一般不宜大于坝