專利名稱：寬帶低真空實(shí)用堰的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及泄洪溢流壩的設(shè)計(jì)方法，具體的說是一種新型的寬帶低真空實(shí)用堰的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
實(shí)用堰是壩工中最主要的建筑物之一，兼有擋水和泄水雙重作用，因此，除要求其結(jié)構(gòu)上安全合理之外，還要有良好的水力特性。寬帶低真空實(shí)用堰屬水利水電工程大壩泄洪新技術(shù)。內(nèi)容涉及壩工中兼具擋水和泄水雙重作用的最重要建筑物——實(shí)用堰的設(shè)計(jì)。
一個(gè)多世紀(jì)以來，世界各國(guó)的水力工程專家提出了多個(gè)溢流堰體形，其中最有代表性的是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水道試驗(yàn)站提出的WES堰和前蘇聯(lián)提出的克里格一奧菲采羅夫堰(簡(jiǎn)稱克奧堰)，前者被美國(guó)、日本及西歐國(guó)家廣泛采用，并收入我國(guó)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》SL253-2000中，后者則被列入前蘇聯(lián)《水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》?？藠W堰，是前蘇聯(lián)常用的并被列入其水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范的一種實(shí)用堰，也是50～60年代我國(guó)經(jīng)常用的堰型，堰面曲線主要由五條線段組成，即上游直立段，堰面首部直線段、堰頂上下游面的曲線段，陡坡直線段與反弧段組成，設(shè)計(jì)時(shí)主要通過X/Hd和Y/Hd查表得出。美國(guó)陸軍工程水道試驗(yàn)站提出標(biāo)準(zhǔn)堰型WES堰，在美國(guó)、日本及西歐國(guó)家廣泛采用，80年代在我國(guó)也得到廣泛采用，并收入我國(guó)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，WES堰體型較克奧堰更為小巧，其堰面曲線完全取決于定型水頭Hd。我國(guó)的長(zhǎng)江水科院于1973年提出長(zhǎng)研I型實(shí)用堰，1981～1982年充實(shí)后形成與WES堰相似的堰面曲線，僅將下游堰面的冪指數(shù)由1.85改為1.80，堰體設(shè)計(jì)思路基本與WES堰相同；南京水科院利用二元?jiǎng)萘鲾?shù)學(xué)模型，找到一個(gè)最優(yōu)的長(zhǎng)短軸比，使得堰頂上游曲線內(nèi)的壓力分布較為均勻且負(fù)壓值最小，堰頂下游曲線內(nèi)的壓力分布較為均勻且負(fù)壓值最小，堰頂下游面曲線與WES堰非常接近，該堰被稱為極值曲線實(shí)用堰；我國(guó)蔣毓龍、郭子中等人在收集國(guó)內(nèi)外多種堰型的堰頂下游曲線后，將相應(yīng)坐標(biāo)值加以平均，得到一種擬合的曲線稱為綜合曲線實(shí)用堰；我國(guó)河海大學(xué)考查分析了美國(guó)舫空咨詢委員會(huì)(NACA)的機(jī)翼型堰后提出的機(jī)翼型堰面曲線為一四次方程，主要適用于岸邊溢洪道堰面設(shè)計(jì)。
綜上所述，目前實(shí)用堰都存在有行洪能力不足或行洪能力還沒有達(dá)到理想范圍，堰面的負(fù)壓值卻已經(jīng)無法承受等問題，提高大壩的行洪能力、增強(qiáng)壩面的抗氣蝕性能、降低溢流壩的工程量等是目前壩工界尚待攻克的重要技術(shù)難題。
從包括中國(guó)專利在內(nèi)的有關(guān)資料檢索表明，目前國(guó)內(nèi)外尚無寬帶低真空實(shí)用堰的應(yīng)用實(shí)例以及尚未發(fā)現(xiàn)在同等水力條件下更高的行洪能力的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)在實(shí)用堰行洪能力不足，壩面真空帶不合理等問題，本發(fā)明提供了一種新型的寬帶低真空實(shí)用堰的設(shè)計(jì)方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明包括總體設(shè)計(jì)思路，堰面曲線設(shè)計(jì)、行洪能力計(jì)算方法、有限元應(yīng)力復(fù)核計(jì)算以及新堰型與WES堰技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較等部分。堰型的設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的有三個(gè)要素，即泄流能力，堰面壓力和壩體體積。而這三個(gè)要素彼此間又是相互制約的。本發(fā)明的特征是寬帶低真空實(shí)用堰，具體設(shè)計(jì)計(jì)算方法分兩部分，一是體型設(shè)計(jì)，二是流量系數(shù)確定。體型設(shè)計(jì)主要是確定橢圓的長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度A、B及冪曲線系數(shù)K。
頭部橢圓(xaHmax)2+(1-YbHmax)2=1]]>冪曲線 y＝CX1.85由已知最大堰上水頭Hmax和允許堰面最大真空壓力值ha，由下式求出系數(shù)k，C。
(1)---K=-0.88haHmax+0.5]]>
C=KHmax0.85=K·Hmax-0.85]]>②根據(jù)K值由下式求出系數(shù)a值a＝0.1984-0.2571ogk③根據(jù)K值由下式求出系數(shù)b值b＝0.2502-0.1804k④橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)度A＝aHmax橢圓短軸長(zhǎng)度B＝bHmax⑤由m=0.5250-0.03922ln(PH)]]>求出綜合流量系數(shù)。
所述的帶狀寬區(qū)域堰面最大運(yùn)行水頭Hmax與堰面真空帶長(zhǎng)L的比值為Hmax/L＝0.77～1.11；高壩Hmax/L取大值，低壩取小值。
所述的壩高在70～130m的高壩，堰面頭部橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)度可由下式確定A＝(0.1984-0.25701ogk)Hmax短軸長(zhǎng)度B＝(0.2502-0.1804k)Hmax堰面方程 Y＝CX1.85系數(shù)K=0.5-0.88haHmax]]>ha為允許負(fù)壓值(m水柱)系數(shù) C＝KH-0.85max綜合流量系數(shù)(計(jì)入側(cè)向收縮影響)m=0.5252-0.03922ln(PH)]]>P為堰高(m)H為堰上水頭(m)以上公式應(yīng)用條件P/H＝4.6～20.0溢流壩進(jìn)水口處庫(kù)面寬度B庫(kù)與進(jìn)水口溢流凈寬B凈的比值B庫(kù)/B凈＝3.0～5.0
行洪能力有較大突破大流量系數(shù)M可達(dá)0.5261～0.5465，較WES堰大5～7.8％，較非真空克奧堰大4.4～7.2％。
本發(fā)明的有益效果是堰面壓力呈現(xiàn)區(qū)域較廣的無危害低壓分布，即所謂低壓寬帶分布；堰面的最大負(fù)壓值控制在規(guī)范允許的安全范圍內(nèi)；該堰型有較大的行洪能力，其流量系數(shù)較目前國(guó)際通用的WES堰最大可提高5.0～7.8％，較前蘇聯(lián)的克一奧非真空堰提高4.4～7.2％，可達(dá)0.5261～0.5465，庫(kù)水位可降低0.36～0.92m，其效果是通過改進(jìn)WES堰型或改進(jìn)閘墩頭部形式來提高行洪能力所產(chǎn)生效果的10倍。不僅如此，寬帶低真空實(shí)用堰體形小巧，堰體的斷面積可較WES堰減少6.8％，是一種有良好經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景的新堰型。目前，該項(xiàng)新技術(shù)已成功應(yīng)用于福建省重點(diǎn)工程大壩設(shè)計(jì)和壩高128m的大型工程大壩的堰面設(shè)計(jì)，效果良好。因此，本發(fā)明堰體具有大的行洪能力，堰面不發(fā)生危害性負(fù)壓，且工程量少，投資省等特點(diǎn)。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明寬帶低真空實(shí)用堰剖面視圖。
圖2是本發(fā)明樞紐布置圖。
圖3是本發(fā)明溢流壩剖面圖。
圖4是本發(fā)明溢流壩平面圖。
圖中壩體流溢面堰頂上游曲線1，堰頂下游堰面曲線2(由堰頂至陡坡段始點(diǎn))，堰面曲線3為反弧段(始點(diǎn)為陡坡段末端)，閘墩4，閘門5。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1如圖1所示溢流壩堰頂曲線(1)設(shè)計(jì)為(X2.912)2+(1-Y1.579)2=1]]>
堰頂下游堰面曲線為2設(shè)計(jì)為Y＝0.0803X1.85；堰面曲線3為半徑20m，中心角為83°的圓??；閘墩4為一長(zhǎng)30m，厚2.5m長(zhǎng)方體，兩頭為半徑1.25m的柱狀體；閘門5為一半徑16m的弧型鋼閘門。
權(quán)利要求
1.一種新型的寬帶低真空實(shí)用堰的設(shè)計(jì)方法，其特征是寬帶低真空實(shí)用堰具體設(shè)計(jì)計(jì)算方法分兩部分，一是體型設(shè)計(jì)，二是流量系數(shù)確定；體型設(shè)計(jì)主要是確定橢圓的長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度A、B及冪曲線系數(shù)K；頭部橢圓(XaHmax)2+(1-YbHmax)2=1]]>冪曲線 y＝CX1.85由已知最大堰上水頭Hmax和允許堰面最大真空壓力值ha，由下式求出系數(shù)k，C；①K=-0.88haHmax+0.5]]>C=KHmax0.85=K·Hmax-0.85]]>②根據(jù)K值由下式求出系數(shù)a值a＝0.1984-0.257logk③根據(jù)K值由下式求出系數(shù)b值b＝0.2502-0.1804k④橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)度A＝aHmax橢圓短軸長(zhǎng)度B＝bHmax⑤由m=0.5250-0.039221n(PH)]]>求出綜合流量系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶低真空實(shí)用堰的設(shè)計(jì)方法，其特征是所述的帶狀寬區(qū)域是堰面最大運(yùn)行水頭Hmax與堰面真空帶長(zhǎng)度L的比值應(yīng)為Hmax/L＝0.77～1.11；高壩Hmax/L取大值，低壩取小值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶低真空實(shí)用堰的設(shè)計(jì)方法，其特征是所述的壩高在70～130m的高壩，堰面頭部橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)度可由下式確定A＝(0.1984-0.2570logk)Hmax短軸長(zhǎng)度B＝(0.2502-0.1804k)Hmax堰面方程 Y＝CX1.85系數(shù)K=0.5-0.88haHmax]]>ha為允許負(fù)壓值(m水柱)系數(shù) C＝KH-0.85max綜合流量系數(shù)(計(jì)入側(cè)向收縮影響)m=0.5252-0.039221n(PH)]]>P為堰高(m)H為堰上水頭(m)所述的公式應(yīng)用條件P/H＝4.6～20.0溢流壩進(jìn)水口處庫(kù)面寬度B庫(kù)與進(jìn)水口溢流凈寬B凈的比值B庫(kù)/B凈＝3.0～5.0行洪能力有較大突破大流量系數(shù)M可達(dá)0.5261～0.5465，較WES堰大5～7.8％，較非真空克奧堰大4.4～7.2％。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型的寬帶低真空實(shí)用堰的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明包括總體設(shè)計(jì)思路，堰面曲線設(shè)計(jì)、行洪能力計(jì)算方法、有限元應(yīng)力復(fù)核計(jì)算以及新堰型與WES堰技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較等部分。本發(fā)明堰型的設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的有三個(gè)要素，即泄流能力，堰面壓力和壩體體積。本發(fā)明寬帶低真空實(shí)用堰具體設(shè)計(jì)計(jì)算方法分兩部分，一是體型設(shè)計(jì)，二是流量系數(shù)確定。這樣設(shè)計(jì)出的寬帶低真空實(shí)用堰的堰體具有大的行洪能力，堰面不發(fā)生危害性負(fù)壓，且工程量少，投資省等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)E02B7/00GK1696412SQ02146339
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2002年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月24日
發(fā)明者楊首龍, 林琳, 葉麗清, 謝德瑞, 翁玉華, 周順田 申請(qǐng)人:福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院