冲沙闸泄洪闸.docx
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冲沙闸泄洪闸
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冲沙闸泄洪闸
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5.3.2闸孔设计
5.3.2.1冲沙闸的设计
流量计算:
Q1=10%~15%Q设计=(10%~15%)*2720m3/s=272~408m3/s
Q2=2*Q引用=2*46.6m3/s=93.2m3/s
Q设计—设计洪水流量;
Q引用—电站引用流量。
鉴于以上计算结果,选定在设计洪水位的过流量为Q冲沙闸=350m3/s。
流速计算:
v=2gh==QUOTE2*9.8*10.55=QUOTE,-2∗9.80∗(879.05−863).m/s=25.81m/s
v—设计洪水位下冲沙闸的流速;
g—重力加速度;
h—设计洪水位下冲沙闸的流速水头。
由
得==16.95m2
从而确定冲沙闸的闸孔尺寸为:
闸孔宽为4m,闸孔高为5m。
5.3.2.2泄洪闸的设计
在正常水位为897.00m,泄洪冲沙闸堰顶高程为863.0m,=4610m3/s,=350m3/s。
=-=4610-350m3/s=4260m3/s.
(1)泄洪闸闸孔尺寸的估算由于泄洪闸泄流时为闸孔出流,故按闸孔出流公式计算:
(1)
—通过泄洪闸的总流量(m3/s);
—闸孔数;
—闸孔净宽(m);
—流量系数;
—闸孔开度(m);
—重力加速度;
—堰上水头(m)。
根据上面的公式可求出闸孔总过水面积为:
206.28m2
我国大、中型水闸的宽度一般采用812m。
同时本设计闸孔总面积较小,闸孔数不宜过多。
在闸孔较少时,为便于闸门对称开启,使过闸水流均匀,避免由于偏流造成闸下局部冲刷和使闸室结构受力对称,孔数宜采用单数。
当采用3孔泄洪闸时,单孔闸门面积=68.76m2
当采用5孔泄洪闸时,单孔闸门面积=41.26m2
在坝址选择时已确定泄洪冲沙孔闸坝段长50m,故选用3孔泄洪闸+1孔冲沙闸的布置形式。
(2)泄洪闸闸孔尺寸的必选及确定
由=68.76m2,选取一下4种方案进行比较,选择其中较优方案作为泄洪闸的最终尺寸。
方案一:
闸孔宽8m,闸孔高8m,均为潜孔。
方案二:
闸孔宽8m,闸孔高9m,均为潜孔。
方案三:
闸孔宽8m,闸孔高10m,均为潜孔。
方案四:
闸孔宽8m,闸孔高11m,均为潜孔。
方案比较:
方案一:
按公式
(1)计算泄洪闸的过流能力:
==3965.14m3/s
方案二:
按公式
(1)计算泄洪闸的过流能力:
==4460.78m3/s
方案三:
按公式
(1)计算泄洪闸的过流能力:
==4956.43m3/s
方案四:
按公式
(1)计算泄洪闸的过流能力:
==5452.07m3/s
通过水力学计算,四种方案中除方案一过流能力不满足要求外,其它三种方案都满足泄流能力的要求。
考虑闸门尺寸增大的同时会使钢材的使用量和启闭设备的投入增大,相对投资大,故选择方案二。
5.3.2.3泄流能力的计算
泄水建筑物由3孔泄洪+1孔冲沙闸组成,为3级建筑物,相应洪水标准为:
设计洪水流量(P=1%)Q=2720m3/s
校核洪水流量(P=0.1%)Q=4610m3/s
当洪水来流量小于400m3/s时,泄流量为3孔泄洪+1孔冲沙闸泄流量和进水闸的引用流量。
当洪水来流量大于400m3/s时,电站停止发电,泄流量为3孔泄洪+1孔冲沙闸泄流量。
泄洪闸冲砂闸泄流能力按以下公式计算:
式中:
—流量(m3/s);
—堰流淹没系数;
—侧收缩系数;
—流量系数,取0.360;
—闸孔数;
—闸孔净宽(m);
—计入行近流速水头的堰上水头(m)。
泄洪闸由于布置为潜孔,当泄流时为堰流时(e/H>0.75)按照上述的堰流公式进行泄流计算,当泄流时为孔流时(e/H<0.75),泄流能力按闸孔出流公式计算:
式中:
μ—流量系数;
e—闸孔开度(m)。
其余符号同前。
当洪水流量=4610m3/s时;
1)在校核洪水流量时,3孔泄洪闸+1孔冲沙闸全部开启泄放洪水。
假设校核洪水位为894.00m,则泄洪闸e1/H=9/32=0.28<0.75,冲沙闸e2/H=5/32=0.16<0.75。
故这时泄洪闸和冲沙闸均属于孔流。
=4259.44m3/s
=394.39m3/s
=+=4653.83m3/s>4610m3/s
2)在校核洪水流量时,3孔泄洪闸+1孔冲沙闸全部开启泄放洪水。
假设校核洪水位为893.00m,则泄洪闸e1/H=9/30=0.30<0.75,冲沙闸e2/H=5/30=0.17<0.75。
故这时泄洪闸和冲沙闸均属于孔流。
=4190.18m3/s
=387.98m3/s
=+=4578.16m3/s<4610m3/s
3)在校核洪水流量时,3孔泄洪闸+1孔冲沙闸全部开启泄放洪水。
假设校核洪水位为893.50m,则泄洪闸e1/H=9/30.5=0.30<0.75,冲沙闸e2/H=5/30.5=0.16<0.75。
故这时泄洪闸和冲沙闸均属于孔流。
=4224.95m3/s
=391.20m3/s
=+=4616.15m3/s>4610m3/s
4)在校核洪水流量时,3孔泄洪闸+1孔冲沙闸全部开启泄放洪水。
假设校核洪水位为893.45m,则泄洪闸e1/H=9/30.45=0.30<0.75,冲沙闸e2/H=5/30.45=0.16<0.75。
故这时泄洪闸和冲沙闸均属于孔流。
=4221.49m3/s
=390.88m3/s
=+=4612.37m3/s>4610m3/s
5)在校核洪水流量时,3孔泄洪闸+1孔冲沙闸全部开启泄放洪水。
假设校核洪水位为893.42m,则泄洪闸e1/H=9/30.42=0.30<0.75,冲沙闸e2/H=5/30.42=0.16<0.75。
故这时泄洪闸和冲沙闸均属于孔流。
=4219.41m3/s
=390.69m3/s
=+=4610.09m3/s=4610m3/s
故校核洪水位为893.42m。
当洪水流量=2720m3/s时;
1)在此洪水流量时,3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。
假设校核洪水位为883.00m,则泄洪闸e1/H=9/20=0.45<0.75,冲沙闸e2/H=5/20=0.25<0.75。
故这时泄洪闸属于孔流。
=3421.27m3/s
=0m3/s
=+=3421.27m3/s>2720m3/s
2)在此洪水流量时,3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。
假设校核洪水位为878.00m,则泄洪闸e1/H=9/15=0.6<0.75。
故这时泄洪闸属于孔流。
=2650.10m3/s
=0m3/s
=+=2962.90m3/s>2720m3/s
3)在此洪水流量时,3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。
假设校核洪水位为876.00m,则泄洪闸e1/H=9/13=0.69<0.75。
故这时泄洪闸属于孔流。
=2758.31m3/s
=0m3/s
=+=2758.31m3/s>2720m3/s
4)在此洪水流量时,3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。
假设校核洪水位为875.50m,则泄洪闸e1/H=9/12.5=0.72<0.75。
故这时泄洪闸属于孔流。
=2704.75m3/s
=0m3/s
=+=2704.75m3/s<2720m3/s
5)在此洪水流量时,3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。
假设校核洪水位为875.60m,则泄洪闸e1/H=9/12.6=0.71<0.75。
故这时泄洪闸属于孔流。
=2715.55m3/s
=0m3/s
=+=2715.55m3/s<2720m3/s
6)在此洪水流量时,3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。
假设校核洪水位为875.65m,则泄洪闸e1/H=9/12.65=0.71<0.75。
故这时泄洪闸属于孔流。
=2720.93m3/s
=0m3/s
=+=2720.93m3/s>2720m3/s
7)在此洪水流量时,3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。
假设校核洪水位为875.64m,则泄洪闸e1/H=9/12.64=0.71<0.75。
故这时泄洪闸属于孔流。
=2719.85m3/s
=0m3/s
=+=2719.85m3/s=2720m3/s
故设计洪水位为875.64m。
当洪水流量=2370m3/s时;
1)在此洪水流量时,3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。
假设此时洪水位为875.00m,则泄洪闸e1/H=9/12=0.75=0.75。
故这时泄洪闸属于孔流。
=2650.10m3/s
=0m3/s
=+=2650.10m3/s>2370m3/s
2)在此洪水流量时,3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。
假设此时洪水位为874.00m,则泄洪闸e1/H=9/11=0.82>0.75。
故这时泄洪闸属于堰流。
=m3/s
=0m3/s
=+=m3/s>2370m3/s
当洪水流量=2120m3/s时;
当洪水流量=1920m3/s时;
当洪水流量=1590m3/s时;
当洪水流量=1040m3/s时;
当洪水流量=500m3/s时;
当洪水流量=400m3/s时;
当洪水流量=350m3/s时;
当洪水流量=300m3/s时;
当洪水流量=200m3/s时;
泄流能力计算成果表
5.3.2.4坝顶高程确定
闸坝坝顶高程计算表
5.3.3消能放冲设计
消能防冲采用70m长的混凝土护坦与下游河道衔接,护坦底坡3%,护坦上部设0.6m厚的C40HF耐磨砼,护坦尾部设24m长的钢筋笼装大卵(块)石回填保护。
左岸非溢流坝长48m,最低建基面高程为856.0m,坝顶宽7.0m。
最大坝高43.0m,重力坝上游面为铅直,下游面在高程894.0m以下采用1:
0.7放坡,为C15混凝土重力式结构。
右岸非溢流坝长72.00m,最低建基面高程为856.0m,坝顶宽7.0m。
最大坝高43.0m,为C15混凝土重力式结构。
右岸坝肩砼防渗墙坝段长57.00m,防渗墙平洞长约54m,防渗墙最低高程为878.50m,防渗墙底部采用水泥帷幕灌浆。
右坝肩布置26m长的灌浆平洞。
左坝肩布置42m长的灌浆平洞。
闸坝基础防渗根据基础不同采用两种方式,基岩部分采用水泥帷幕灌浆,伸入相对隔水层5lu以下3m,帷幕灌浆孔距1.5m,最大孔深48m,右岸覆盖层基础部位采用混凝土防渗墙。
5.3.4防渗排水设计
青松水电站工程上坝址处河谷形态为不对称的“V”型谷,在上坝址河段左岸陡右岸缓,左岸多为基岩岸坡,坡度一般45~50°,右岸有阶地分布,呈台阶状地形。
河床地面高程859.92~863.1m,覆盖层厚度为3.4~6.4m,为漂卵砾石夹砂。
下伏岩体为石龙洞组工区第二、三层(∈1~2sl①、∈1~2sl②)的灰岩和白云质灰岩,岩体强、弱风化带铅直厚度为1.4~11.2m、14.1~24.8m。
据地ZK4号钻孔压水试验资料,强风化带岩体渗透系数K=6.3×10-3Lu,属强透水层;弱风化带岩体透水率q=20~30Lu,属弱~中等透水层;新鲜岩体透水率q=3.9~43Lu,属弱~中等透水层。
透水带(q≥5Lu)厚度48~69m。
闸坝基础防渗根据基础不同采用两种方式,基岩部分采用水泥帷幕灌浆,伸入相对隔水层5lu以下3m,帷幕灌浆孔距1.5m,最大孔深48m,右岸覆盖层基础部位采用混凝土防渗墙。
左坝肩基岩的防渗采用帷幕灌浆,灌浆平洞长42m,河床泄洪冲沙闸坝段和非溢流坝段基础采用帷幕灌浆,按单排帷幕设计,孔距1.5m,帷幕底线深及相对不透水层以下3m,右坝肩沿坝轴线方向向山体打防渗墙平洞54m,往里布置灌浆平洞26m,覆盖层打砼防渗墙,以下采用帷幕灌浆。
闸坝基础建在强风化基岩上,对该部位基础底部进行固结灌浆,间、排距为3.0m,梅花型布置,深约8m。
5.3.5闸室布置
(1)底板
(2)闸墩
(3)闸门
首部枢纽建筑物基础泄洪冲沙潜孔坝段放在强风化基岩上。
泄洪冲沙潜孔坝段沿坝轴线长50.00m,顺水流向长55.00m。
设3孔宽8m、高11m的泄洪冲沙闸,采用平底坎堰型,堰顶高程863.00m,建基面高程为856.00m;3孔闸共布置3扇工作弧门和1扇平板检修门,检修门采用单向门机启闭,工作弧门采用设在排架平台上的固定式卷扬机启闭。
在中间闸墩分缝,边墩宽5m,中墩宽8m,分缝后两边各4m。
消消能防冲采用70m长的混凝土护坦与下游河道衔接,护坦上部设0.6m厚的C40HF耐磨砼,护坦尾部设24m长的钢筋笼装大卵(块)石回填保护。
5.3.6闸室稳定计算
5.3.7闸室底板设计
由于西溪河为山区性河流,推移质较多,加上库区不定期泄洪排沙,汛期大量推移质过闸,泄洪建筑物需采用抗冲耐磨保护措施。
在泄洪冲沙闸室底板设C40HF钢筋混凝土保护。
5.3.8非溢流坝段设计及稳定计算
(1)非溢流坝段的设计
1)非溢流坝段坝型的选择
非溢流坝段建于稳定的岩基之上,为了与泄洪坝段更好的连接,故选择重力坝作为非溢流坝段。
2)重力坝的剖面选择
剖面选择比较常用的形态,即上游坝面铅直
(2)非溢流坝段稳定计算
1)闸坝抗剪强度计算公式:
式中:
—抗滑稳定安全系数;
—接触面以上的总铅直力;
—接触面以上的总水平力;
—作用在接触面上的扬压力;
—接触面间的摩擦系数,取0.4。
2)闸坝抗剪断计算公式:
式中:
—抗滑稳定安全系数;
—接触面以上的总铅直力;
—接触面以上的总水平力;
—作用在接触面上的扬压力;
—抗剪断摩擦系数;
—凝聚力。
5.3.9进水闸的设计
左岸进水闸布置在挡水建筑物的上游,靠岸布置。
进水闸采用“正向泄洪冲沙、侧向取水”的布置方式,与闸坝轴线平行。
水库正常蓄水位897.00m,死水位896.00m,水库消落深1.0m。
在其前沿设置一拦沙坎,拦沙坎高3m,进水口设置一道拦污栅和一孔事故闸门。
拦污栅闸底板高程884.00m,比泄洪冲沙闸底板高21.0m,拦污栅高16.50m、宽8.00m,闸顶高程899.00m。
一孔进水闸,宽4.4m、高4.4m,底板高程884.00m,建基高程882..50m。
进水闸后通过一长8.00m的方圆渐变段与引水隧洞相接
方案一:
2孔泄洪冲沙闸+非溢流坝;闸孔宽10.5m,孔高14m,均为潜孔。
方案二:
3孔泄洪冲沙闸+非溢流坝;闸孔宽8m,孔高11m,均为潜孔。
方案比较:
方案一:
校核洪水下的单宽流量Q单=(Q校核-Q冲沙闸)/d1
=(4610-350)/(2*10.5)m3/s=202.9m3/s
设计洪水下的单宽流量Q单=(Q设计-Q冲沙闸)/d1
=(2720-350)/(2*10.5)m3/s=112.9m3/s
方案二:
校核洪水下的单宽流量Q单=(Q校核-Q冲沙闸)/d2
=(4610-350)/(3*8)m3/s=177.5m3/s
设计洪水下的单宽流量Q单=(Q设计-Q冲沙闸)/d2
=(2720-350)/(3*8)m3/s=98.8m3/s
通过水力学计算,两方案的泄流能力相当,方案一闸坝总长度为41.00m,校核和设计洪水的单宽流量分别为202.9m3/s和112.9m3/s。
方案二闸坝总长为50.00m,校核和设计洪水的单宽流量分别192.1m3/s和113.3m3/s。
方案二闸坝的基础处理、开挖、混凝土、钢筋和金结的工程量均比方案一稍大,相对投资大;但方案一在各级洪水下的单宽流量均较大,而下游河床抗冲刷能力较差,较大的单宽流量消能困难,在不宜建消力池的情况下,枢纽应控制单宽流量,以减小下游的边坡防护难度,方案一运行调度灵活性较差,经综合分析比较,推荐方案二。
(2)计算闸孔总净宽
1)计算流速:
==m/s=17.74m/s
==m/s=25.74m/s
2)水流呈孔流,计算跃后水深:
由《水力学》书中167页公式(8-40)
==(8-40)
其中==,==11m,
求得=
=
=21.64m
3)水流呈孔流,计算总净宽:
=
(1)
=
(2)
=(3)
=(4)
式中—孔口高度(m);
—孔流流量系数,可按公式
(2)计算求得或由《水闸设计规范》中55页表A.0.3-1查的;
—孔流流速系数,可采用0.95~1.0;
—孔流垂直收缩系数,可由公式(3)计算求得;
—计算系数,可由公式(4)计算求得,该公式适用于0 r—胸墙底圆弧半径(m),初选r=0.5m; —孔流淹没系数,可由《水闸设计规范》中55页表A.0.3-2查得,表中为跃后水深(m)。 4)由以上公式求得闸门总净宽: = 5)方案比较: 2孔 3孔 4孔 6)方案选择: 根据《水工建筑物》书306页中: 根据治理海河工程的经验,当河(渠)道宽m时,两者的比值;当m时,。 查青松水电站上坝址坝下100m水位流量关系曲线得: =2720m3/s时,=869.08-863.00m=6.08m; =4610m3/s时,=871.55-863.00m=8.55m。 5.4.4.1首部枢纽设计计算 (1)泄流能力计算 泄水建筑物由三孔泄洪冲沙闸组成,为3级建筑物,相应洪水标准为: 设计洪水流量(P=1%)Q=2720m3/s 校核洪水流量(P=0.1%)Q=4610m3/s 当洪水来流量小于400m3/s时,泄流量为3孔泄洪冲沙闸泄流量和进水闸的引用流量。 当洪水来流量大于400m3/s时,电站停止发电,泄流量为3孔泄洪冲沙闸泄流量。 冲砂闸泄流能力按以下公式计算: 式中: —流量(m3/s); —堰流淹没系数; —侧收缩系数; —流量系数; —闸孔数; —闸孔净宽(m); —计入行近流速水头的堰上水头(m)。 泄洪闸由于布置为潜孔,当泄流时为堰流时(e/H>0.65)按照上述的堰流公式进行泄流计算,当泄流时为孔流时(e/H<0.65),泄流能力按闸孔出流公式计算: 式中: μ—流量系数; e—闸孔开度(m)。 其余符号同前。 泄洪冲沙闸泄流计算成果见表5-4-1。 泄流能力计算成果表 表5-4-1 (2)坝顶高程计算 闸坝坝顶高程计算表 表5-4-2
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