开阳县詹家湾水库泄水建筑物设计研究.pdf
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1、2023.No.7收稿日期:20230220作者简介:柴海(1977),男,高级工程师,主要从事水利工程设计工作。DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2023.07.005开阳县詹家湾水库泄水建筑物设计研究柴海(安顺市水利水电勘测设计院,贵州安顺561000)摘要:设计参数的取值对于泄水建筑物能否在服役期内安全运行十分关键。如果忽略建筑物的结构类型和风险级别,会增加大坝失事风险,威胁下游人民财产安全。以开阳县詹家湾水库为例,对其泄水建筑物设计过程进行了探讨。介绍分析了溢流堰剖面设计,计算WES实用堰泄流能力,详细分析了泄槽水面线设计、消能设计过程,研究方法可为相关工程提供
2、参考。关键词:泄水建筑物;WES实用堰;泄流量;消能设计中图分类号:TV135.2;TV65文献标识码:A文章编号:1004-7328(2023)07-0017-04Design of Spillway Structures for Zhanjiawan Reservoir in Kaiyang CountyCHAI Hai(Anshun Institute of Water Resources and Hydropower Survey and Design,Anshun 561000,China)Abstract:The selection of design parameters is
3、crucial for ensuring the safe operation of spillway structures during theirservice period.Neglecting the structure type and risk level of the structures can increase the risk of dam failure,posing athreat to the downstream people and their property.Taking Zhanjiawan Reservoir in Kaiyang County as an
4、 example,thedesign process of its spillway structures has been explored.This includes discussing the profile design of the spillway crest,calculating the discharge capacity using the WES practical weir formula,and providing a detailed analysis of the designprocess for the energy dissipation of the s
5、pillway chute water surface.The research methodology can serve as reference forrelated engineering projects.Key words:spillway structure;WES utility weir;discharge capacity;energy dissipation design1概述水利工程枢纽中用来泄放水的水工建筑物称为泄水建筑物。泄水建筑物具有安全排洪、放空水库的功能,对于水库、江河、渠道或前池等的安全运行起重要作用1,2。泄水建筑物的安全运营与诸多因素相关,其中设计参数的
6、取值对于泄水建筑物能否在服役期内安全运行十分关键,如果忽略建筑物的结构类型和风险级别,会增加大坝失事风险,威胁下游人民财产安全3,4。当前泄水建筑物主要有岸边溢洪道、溢流坝、泄洪隧洞及坝下涵洞4种形式。溢洪道水流平顺,超泄能力大,并且结构简单,运用安全可靠,是采用最多的泄水建筑物形式之一5,6。当前国内外学者对其设计进行了相关研究。刘利军7通过模型试验的方式探讨了溢洪道消力池优化设计问题;李婷婷8采用水工物理模型试验方法,开展了进水口折流坎设计研究对比,结合溢洪道进水口、出水口水力特征开展方案评价分析;龙华等9多层面深入剖析月亮湾水库溢洪道工程,对泄洪道消力池的设计、布设效果进行定量分析与探究
7、;付亮10选取合适的加固设计方案,阐述了水库溢洪道的加固设计思路及方法。此外,还有学者对泄洪建筑物布置与结构设计和溢洪道水工消能设计等进行了研究11-14。以开阳县詹家湾水库为例,对泄水建筑物设计过程进行了探讨。首先对溢流堰剖面设计进行了介绍分析,然后对WES实用堰泄流能力进行了计算,最后对泄槽水面线设计、消能设计过程进行了详细海河水利172023年7月分析,研究方法可为相关工程提供参考。2工程概况詹家湾水库是开阳县在贵州省骨干水源建设规划中提出的小(2)型水库水源点,最大坝高27.6 m。工程建成后,可保证开阳县城关镇石头村1.47 km2耕地的灌溉,同时解决灌区内3 079人和2 772头
8、大、小牲蓄的饮水。工程设计供水量80.4万t/a,下放生态环境用水12.8万t/a。工程规模为等小(2)型工程。库区内褶皱断裂不甚发育,水库抬高最大水头较小,为低水头,库容小,蓄水后无诱发重力型地震可能,库区构造稳定性好。坝址基岩为寒武系中上统娄山关群浅灰、灰白色中厚层白云岩,岩石表层风化强烈较破碎,纵向贯通裂隙较发育;坝址区地质构造简单,无断层通过,地质构造基本稳定。3溢流堰剖面设计詹家湾水库大坝为混凝土砌石重力坝,坝顶中段自由溢流,无闸阀控制。溢流堰净宽6.0 m,堰顶高程 1 120.0 m,校核洪水位 1 121.74 m,堰上水头1.74 m,下泄流量30.5 m3/s。溢流堰为WE
9、S剖面实用堰,堰面曲线段方程为y=0.358 300 6x1.85,直线段方程为y=1.333 33x-1.393与堰面曲线切点坐标为C(2.274,1.639)。反弧段半径为 7.0 m,中心角为53.13。反 弧 段 与 直 线 方 程 的 交 点 坐 标 为 D(12.444,15.199),反弧段圆心坐标为 o(18.043,11.000),反弧段最低点坐标为E(18.043,18.000),E点与下游侧水平段连接,水平段长3.54 m,溢流面采用C25钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度0.5 m。4溢洪道泄流能力计算溢洪道过流能力按 溢洪道设计规范(SL253-2000)泄水与过坝建筑物中实用
10、堰泄流能力公式计算:Q=mB2g H3 20(1)式中:Q为流量(m3/s);为闸墩侧收缩系数;m为流量系数;B为溢流堰总净宽(m);g为重力加速度(m/s2),取9.81 m/s2;H0为计入流速水头的堰上总水头(m)。溢洪道泄流能力计算成果,详见表1。由表 1可知,当坝前水位由 1 120.00 m 增加至1 122.00 m、堰上水头从0增加至2.00 m时,WES实用堰的泄流量计算结果为037.57 m3/s,而校核洪水位下溢洪道的泄流量为30.5 m3/s,能够满足宣泄洪水要求。5泄槽水面线计算因溢流面为曲线,溢流面底坡沿程变化,故泄流水面线根据上下游2个断面建立能量方程推导出的溢流
11、面底坡为变量的分段求和公式计算,计算公式如下:x=()h2cos2+2222g-()h1cos1+1122g()-i-Jcos()arctg-i(2)式中:x为上游断面1-1和下游断面2-2之间的水平投影长度(m);h1为上游断面 1-1 的垂直水深(m);h2为下游断面2-2的垂直水深(m);1为上游断面1-1的底坡角度();2为下游断面2-2的底坡角度();v1为上游断面1-1的平均流速(m/s);v2为下游断面2-2的平均流速(m/s);1为上游断面1-1的流速分布不均匀系数,取1.05;2为下游断面2-2的流速分布不均匀系数,取1.05;g为重力加速度(m/s2),取9.81 m/s2
12、;-i为上游断面1-1和下游断面2-2之间的平均底坡;-J为上游断面1-1和下游断面2-2之间的平均水力坡度。x=x2-x1(3)式中:x1为以堰顶为坐标原点上游断面1-1相对于坐标原点的x坐标值(m);x2为以堰顶为坐标原点下游断面2-2相对于坐标原点的x坐标值(m)。-i=i1+i22(4)式中:i1为对应于上游断面1-1的底坡,i1=tan1;i2为对应于下游断面2-2的底坡,i2=tan2。-J=J1+J22(5)式中:J1为对应于上游断面1-1的水力坡度;J2为对应于下游断面2-2的水力坡度。J=n2v2R4 3(6)式中:n为糙率,取0.017;v为断面平均流速(m/s);R为水力
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