水库水利枢纽工程初步设计 - 图文(8)

第八章 泄水建筑物

8.1方案比较

土石坝枢纽布置通常是以大坝为主体，泄水建筑物为中心。土石坝坝顶不易过水，所以为保证大坝安全，在枢纽布置中应十分重视泄水建筑物的布置。从某种意义上说，选择土坝坝址，坝轴线，主要是选择合适的泄水建筑物的位置,并兼顾导流输水隧洞，然后再进行优化。在布置溢洪道有困难时,也可以考虑利用隧洞泄洪。本方案在进行经济技术比较后采用岸边溢洪道为主要泄水建筑物， 以提高土坝枢纽的泄洪超载能力以及运行可靠性。本方案溢洪道通过经济技术比较，净宽取27 m，分2孔过水，每孔宽度13.5 m，开敞式泄洪。过水堰采用WES实用堰（高堰），堰顶高程为1994.7m，出口段采用挑流鼻坎消能，由于流速较大，为了减少气蚀，采用人工掺气。泄槽底坡1：4.5。

岸边溢洪道修建在右坝肩旁。按泄洪标准和运用情况不设非常溢洪道。根据布置特征，可选择正槽溢洪道，侧槽溢洪道，井式溢洪道和虹吸溢洪道。正槽溢洪道结构简单，施工和运用方便。侧槽溢洪道适用于河谷狭窄的水利枢纽，不宜在土基上修建。井式溢洪道要求地质条件良好，在坝上游有适宜地形可布置喇叭口溢流堰进口，且修建在坚固的岩基上。而虹吸式溢洪道不用闸门就能自动形成虹吸作用，管理简单，能灵敏调节上游水位，但水力条件复杂，易发生空穴，构造复杂。综上所述，结合地形地质条件来看，本工程不宜设计为井式溢洪道和虹吸溢洪道，因为溢洪道设置在坝肩附近，一侧为山，而且有溢洪道的总剖面图可知坡降不大，所以不设置为井式和虹吸式溢洪道。

对于正槽和侧槽溢洪道可从枢纽布置、施工以及造价三方面来说：①正槽溢洪道轴线与水流方向平行，对于坝址处山体较低，岸坡较缓的地形大多采用正槽式，而对于侧槽来说溢流堰大致沿等高线布置，水流经过溢流堰泄入于堰大致平行的侧槽后，经过约90°的转角流入下游。水流条件比正槽复杂。 ②从施工方面来说采用正槽施工经验比较多。施工质量有保证。③在造价方面由于正槽的挖方量比侧槽的稍大，所以初步的概算，正槽的要稍微大一些。从上几个因素综合考虑，本枢纽工程采用正槽溢洪道进行泄洪。

8.2溢洪道的布置

河岸式溢洪道布置可包括进水渠、控制段、泄槽、消能防冲设施及出水渠。 8.2.1进水渠布置：

进水渠的布置原则： ①选择有利地形、地质条件；②在选择轴线方向时，应使进水顺畅；③进水去较长时，宜在控制段之前设置渐变段，其长度视流速等条件确定，不宜小

于2倍堰前水深；④渠道转弯时，轴线的转弯半径不宜小于4倍渠底宽度，弯道至控制堰之间已有长度不小于2倍堰前水深。

根据布置原则，进水渠布置在坝肩附近，左岸（靠坝一侧）设置导水墙，靠山一侧开挖成规则曲线。渠底不进行衬砌。 8.2.2控制段布置

溢洪道的控制段包括：溢流堰及两侧连接建筑。溢流堰是水库下游泄洪的口门，是控制溢洪道泄流能力的关键部位，因此必须合理选择堰前控制段的形式和尺寸。为了使水流平顺，本设计选择控制段的长度为26m。 8.2.3溢流堰的形式

本设计采用实用堰，因为实用堰流量系数比宽顶堰大，而且在相同条件下，需要的溢流前缘较短，工程量相对较小，但施工较复杂。堰上设有交通桥，跨度13.5 m ，堰宽27 m。中间设有一个中墩，墩厚1 m，宽4.5 m。

控制段的岸墙的顶部高程与防浪墙的高程一致为2001.283m 8.2.4泄槽

泄槽布置要求：泄槽纵坡宜大于水流的临界坡。当条件限制需要变坡时，边坡变化不宜过多，且以先缓后陡；横断面宜采矩形断面，当结合岩石开挖时采用梯形断面时，边坡不宜缓于1：1.5，并且注意由此引起的流速不均匀问题；泄槽轴线宜为等宽。

岸边溢洪道的泄槽段纵向底坡1:4.5，等底坡，无弯道，泄槽段总长175.5m，且由于开挖至岩基，泄槽较为稳定，泄槽段设横缝与纵缝。为了适应泄槽与其它建筑物的连接，采用滑动模板施工，以保证达到平整度的要求。缝内设铜片止水，以阻止水流进入泄槽底板底下。泄槽底部板缝下均设有横向排水槽，在泄槽的纵轴线处设置纵向排水槽，将横向排水中的水经过纵向排水槽排到下游。底板厚度为0.5m。泄槽分块，缝间止水可详见图QA-1中的止水详图。 8.2.5消能防冲设施布置

消能措施的主要任务是尽量促使能量消耗于水流内，外部阻力，最大限度限制冲刷破坏。

溢洪道的消能段，根据地形、地质条件、泄流条件、运行方式及河床抗冲能力，消能防冲要求，下游水流衔接及对其它建筑物影响等因素，通过技术经济比较，选用挑流消能型式。

挑流消能挑流很远，对建筑物安全，有保障，在空气中掺气。

溢洪道消能防冲建筑物的设计洪水标准：本枢纽属于3级建筑物，按50年一遇洪水设计溢洪道消防冲建筑物。选定的消能设施，要保证能宣泄设计洪水，在宣泄常遇洪水要使消能效果良好，结构可靠，并能防空蚀，抗磨损和抗冻害。挑流鼻坎可选用连续式，挑角为30°，挑坎高2米，下游设置护坦 。这样可以保证下游河床和岸坡遭受冲刷后不至于危及大坝和溢洪道自身的安全。 8.2.6出水渠布置

溢洪道经挑流后，直接流入山谷，最后流入河道，故可不必设计出水渠。

8.3结构设计

8.3.1引水渠

引水渠采用与泄槽等宽，其B=27m。底板高程为1989.20m，采用厚为0.5m的C25混凝土进行衬砌。边墙采用重力式挡土墙，上宽为0.5m，底宽为2.5m 。进水段由于受地形的限制，为了减小开挖量，则采用圆弧形导墙进行引水，在靠近溢流堰处设置于直墙段，其长度L=26米。 8.3.2控制段

控制段的结构形式可采用分离式或整体式，分离式适合用于岩性比较均匀的地基。整体式是用于地基均匀性较差的情况，本工程地质条件较好，岩性较均匀，可采用分离式。 8.3.3泄槽底板

泄槽底板厚度考虑溢洪道规模及其与坝的相对位置、沿线的工程地质条件、水力特性、气候提条件、水流中挟沙情况等因素，并根据类似工程经验类比确定，泄槽的底板厚度不应小于0.3米，本工程泄槽地板厚度为0.5米。

泄槽地板设置结构缝，分块尺寸考虑到气候条件、地基约束情况、混凝土施工条件，加上类似工程经验确定，其横缝间距采用15米，中间设一条纵缝。 8.3.4挑流消能

反弧半径R可采用反弧最低点最大水深h的6～12倍。由于采用挑流，且挑流鼻坎建在岩基上，所以不设衬砌，仅在末端设置出口挑流结构，将泄流挑入原河床。挑流消能的尺寸见图QX-03中挑流鼻坎详图。 8.3.5边墙结构设计

泄槽两侧的边墙高由泄槽的水面曲线加上超高来确定，由于泄槽采用同一坡度，则其边墙高度一致，取3m。采用重力式，其尺寸见QX-03中泄槽横剖面图。

8.4地基及边坡处理设计

8.4.1地基开挖

根据建筑物对地基的要求结合地质条件，工程处理措施等综合研究确定，地基开挖至弱风化层的中上部，开挖面平顺。在控制段的基坑略向上游倾斜。 8.4.2边坡开挖及处理

根据岩体质量、岩体结构特征、边坡高度和施工方法等条件，通过工程类比法，取溢洪道的开挖边坡为1：0.3

8.5混凝土的强度、防渗、抗冻指标

1、材料强度标准：混凝土强度标准等级不宜低于《水工混凝土结构设计规范》中4.4.2条中表4.4.2所列数值。而有抗冲耐磨要求的部位，混凝土强度等级不应低于C25。故泄槽的混凝土采用C25等级。

2、材料抗渗性指标：

由于溢洪道有抗渗要求，混凝土应满足有关抗渗等级的规定，混凝土抗渗等级按28天龄期的标准试件测定，混凝土抗渗等级分为：W2、W4、W6、W8、W10、W12六级。而再根据所承受的水头、水力梯度以及下游排水条件、水质条件和渗透水的危害程度等因素，混凝土的抗渗等级不得低于《水工混凝土结构设计规范》表4.4.5所列数值。对于溢流堰大体积混凝土结构的挡水面，而且H<30，所以等级为W4。

3、材料抗冻指标

混凝土的抗冻等级按28天龄期的试件用快冻实验方法测定，分为F400、F300、F200、F150、F100、F50六级。对于混凝土的抗冻指标可在《水工混凝土结构设计规范》表中查得抗冻等级为F300。

8.6溢洪道水力设计

8.6.1控制段

溢流堰为正堰，堰顶下游采用WES型幂曲线，堰顶上游堰头采用三圆弧曲线，采用高堰设计.

高堰堰高要符合p＞1.33Hd , Hd=（0.75～0.95）Hmax, Hmax=最高洪水位－堰顶高程=1998.58－1994.7=3.88m。

经计算Hd=3.35m，p =4.46m，取4.5m。而下游堰面曲线可按下式计算：

xn=KHdn-1y （8.1）

其中 Hd——堰面曲线定型设计水头； x、y——原点下游堰面曲线横、纵坐标；

n——与上游堰坡有关的指数；

k——当p1/Hd>1.0时，k值见规范表A.1.1；当p1/hd≤1.0时，取k=2.0～2.2。

在《溢洪道设计规范》表A.1.1 可查出k=1.936，n=1.836。 则公式可写为: x1.836=1.936×3.350.836 由此式可绘出下游曲线。

上游堰头曲线由双圆弧曲线组成，其相关参数如下：

R1=0.68Hd=2.278， R2=0.21Hd =0.7035， a=0.139Hd =0.4657， b=0.273Hd=0.9146

反弧段半径r=（0.25～0.5）（Hd+zmax），取8m。

8.6.2 泄流能力计算：

开敞式WES型实用堰的泄流能力可按公式-溢洪道设计规范（中国电力出版社P45） 计算：

Q?cm??sB2gH02 （8.2） 式中

Q—流量，m3/s

B—溢流堰总净宽度，定义B=nb=26m； b—单孔宽度，13.5m； n—闸孔数目,2;

H0—计入行近流速的堰上总水头，4.42m; g—重力加速度,9.81;

m—实用堰流量系数 经下表取值,计算后取0.507; c—上游堰坡影响系数,经下表取值，取为0.997； ε—闸墩侧收缩系数；

H0/Hd 表8.1 流量系数m值 P1/Hd 3

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