溢流坝坝体过水设计探讨

龚斌锋，叶 永

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

1 工程概况

巫山某水电站工程属Ⅴ等小(Ⅱ)型水利工程，电站三号取水坝按5级设计，其结构安全级别为Ⅲ级。三号取水坝主要功能是引水和拦水，即将二号坝的来水通过坝体管道引向电站主渠，同时还需将上游河谷富余水量引向主渠。三号坝正常蓄水位571.707 m,设计洪水位573.157 m,校核洪水位573.387 m，坝顶高程570.70 m，坝高3.7 m，坝顶全长18 m。二号取水坝的来水量为Q=3.63 m3/s。

2 坝体过水管径拟定

由于坝体管长较短，采用加工工艺简单、造价便宜、使用寿命长且承受外压能力强的钢筋混凝土管。

坝体过水管道设计流量3.63 m3/s,根据钢筋混凝土管经济流速2～4 m/s，选择2、2.5、3、3.5和4 m/s进行比较分析，结果见表1。

表1 不同管径损失计算表

由表1可知，当经济流速取2 m/s时，总水头损失最小，此时管径为1.52 m,实际工程管径取1.6 m较为适宜。

3 溢流坝设计

根据《溢洪道设计规范》(SL 253-2000)3.3.1条，采用开敞式实用堰时，堰顶下游宜优先采用WES型幂曲线，堰顶上游堰头可采用双圆弧、三圆弧或椭圆曲线。

溢流坝顶部曲线是控制流量的关键部位，由于WES坝面曲线的流量系数较大且剖面较瘦，工程量较省，坝面曲线用方程控制。故近年来，我国多采用WES曲线。

3.1 三段圆弧曲线

WES型溢流堰顶部曲线以堰顶为界，分为上游段和下游段两部分，坐标原点设在堰顶最高点，上游段采用三圆弧曲线[1]。堰顶上游段堰面曲线按上游坝面为铅直面时的三段圆弧曲线[2]，计算成果见表2。

表2 堰顶上游三段圆弧曲线计算表

3.2 堰面幂曲线

堰顶下游采用WES型曲线，通过计算堰面幂曲线方程为：

y=0.261x1.85

(1)

堰面曲线计算成果见表3，实用堰剖面见图1。图1中Hd为定型设计水头，一般为校核洪水位时堰顶水头的75%～95%[3]。

表3 堰顶下游幂曲线坐标表

图1 WES实用堰简图

3.3 反弧段特征点

图1中，反弧段特征点为B点、C点和圆心O2。它们坐标分别为(Xb，Yb)、(Xc，Yc)和(X0，Y0)，计算成果见表4。

表4 反弧曲面特征点坐标计算表

反弧段最低点(C)高程Z=566.38 m。经验算，堰型和堰面曲线满足规范3.3.2条要求。

3.4 泄流能力计算

采用《溢洪道设计规范》(SL 253-2000)中开敞式WES型实用堰的泄流公式：

(2)

式中：Q为设计流量，m3/s；ε为侧收缩系数，设计情况下取0.968，校核情况下取0.997；σm为淹没系数；m为流量系数0.511 5；b为过流净宽，m；H0为堰顶水头。

按以上公式进行验算，当溢流坝宽度12 m，并未设置任何设施时，净过流宽度b=12 m，溢流坝过流能力计算见表5。

表5 溢流坝过流能力计算表

由表5可知，满足设计流量要求。

为了保险起见，假设最大泄流量为108 m3/s，故可知单宽流量为9 m3/(s·m)。

3.5 反弧半径R

收缩水深hc按《水力计算手册》式4-2-1计算：

(3)

式中：q为计算断面单宽流量，m3/s；E0为以下游河床为基准面的泄水建筑物上游总水头，m；φ为计算断面流速系数，取0.95。

经过试算，hc=1.22 m。根据规范3.3.8条，反弧半径R应为hc的3～6倍，即3.66～7.32 m，取R=6.0 m满足规范要求。

4 溢流坝抵流消能

4.1 跃后水深

根据下游采用的消能工形式，本工程采用矩形断面平底消能工[4]，则应用式(5)计算：

(4)

4.2 护坦计算

4.2.1 护坦长度

下游护坦长度根据水跃长度确定，水跃长度按《溢洪道设计规范》(SL 253-2000)公式(A.5.1-3)进行计算

(5)

4.2.2 护坦厚度

护坦厚度按《水闸设计规范》(SL 265-2001)公式(B.1.3-1)计算:

(6)

式中：k1为底板厚度计算系数，取0.15；q为单宽流量，m3/s；ΔH为设计工况时上下游水位差，m。

经计算，护坦厚度D=0.37 m，设计厚度可取0.5 m。

4.3 海漫计算

海漫长度按《水力计算手册》经验公式计算：

(7)

式中：k2为海漫长度计算系数，取8～9，本次计算取8；q为单宽流量，m3/s；ΔH为设计工况时上下游水位差，m。

经计算，海漫长度L=19.9 m，故海漫长度可定为22 m。

5 结 语

1) 对溢流坝的坝型、坝体过水和消能方式进行设计，在坝型上选用实用堰WES曲线，坝体过水采用管道形式，消能方式采用抵流消能。经计算，得到曲线方程和特征坐标点及相应的护坦和海漫长度，实际工程运行良好。

2) 采用从溢流坝坝体内部埋设管道的方式引水有工程实际意义。本文仅阐述了有关坝体水力学的计算，关于坝体结构稳定及基础防渗处理将专门设计研究。