宽带低真空实用堰的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种新型的宽带低真空实用堰的设计方法。本发明专利技术包括总体设计思路，堰面曲线设计、行洪能力计算方法、有限元应力复核计算以及新堰型与ＷＥＳ堰技术经济比较等部分。本发明专利技术堰型的设计最关键的有三个要素，即泄流能力，堰面压力和坝体体积。本发明专利技术宽带低真空实用堰具体设计计算方法分两部分，一是体型设计，二是流量系数确定。这样设计出的宽带低真空实用堰的堰体具有大的行洪能力，堰面不发生危害性负压，且工程量少，投资省等特点。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及泄洪溢流坝的设计方法，具体的说是一种新型的。
技术介绍
实用堰是坝工中最主要的建筑物之一，兼有挡水和泄水双重作用，因此，除要求其结构上安全合理之外，还要有良好的水力特性。宽带低真空实用堰属水利水电工程大坝泄洪新技术。内容涉及坝工中兼具挡水和泄水双重作用的最重要建筑物——实用堰的设计。一个多世纪以来，世界各国的水力工程专家提出了多个溢流堰体形，其中最有代表性的是由美国陆军工程兵团水道试验站提出的WES堰和前苏联提出的克里格一奥菲采罗夫堰(简称克奥堰)，前者被美国、日本及西欧国家广泛采用，并收入我国《溢洪道设计规范》SL253-2000中，后者则被列入前苏联《水工建筑物设计规范》。克奥堰，是前苏联常用的并被列入其水工建筑物设计规范的一种实用堰，也是50～60年代我国经常用的堰型，堰面曲线主要由五条线段组成，即上游直立段，堰面首部直线段、堰顶上下游面的曲线段，陡坡直线段与反弧段组成，设计时主要通过X/Hd和Y/Hd查表得出。美国陆军工程水道试验站提出标准堰型WES堰，在美国、日本及西欧国家广泛采用，80年代在我国也得到广泛采用，并收入我国《溢洪道设计规范》，WES堰体型较克奥堰更为小巧，其堰面曲线完全取决于定型水头Hd。我国的长江水科院于1973年提出长研I型实用堰，1981～1982年充实后形成与WES堰相似的堰面曲线，仅将下游堰面的幂指数由1.85改为1.80，堰体设计思路基本与WES堰相同；南京水科院利用二元势流数学模型，找到一个最优的长短轴比，使得堰顶上游曲线内的压力分布较为均匀且负压值最小，堰顶下游曲线内的压力分布较为均匀且负压值最小，堰顶下游面曲线与WES堰非常接近，该堰被称为极值曲线实用堰；我国蒋毓龙、郭子中等人在收集国内外多种堰型的堰顶下游曲线后，将相应坐标值加以平均，得到一种拟合的曲线称为综合曲线实用堰；我国河海大学考查分析了美国舫空咨询委员会(NACA)的机翼型堰后提出的机翼型堰面曲线为一四次方程，主要适用于岸边溢洪道堰面设计。综上所述，目前实用堰都存在有行洪能力不足或行洪能力还没有达到理想范围，堰面的负压值却已经无法承受等问题，提高大坝的行洪能力、增强坝面的抗气蚀性能、降低溢流坝的工程量等是目前坝工界尚待攻克的重要技术难题。从包括中国专利在内的有关资料检索表明，目前国内外尚无宽带低真空实用堰的应用实例以及尚未发现在同等水力条件下更高的行洪能力的相关报道。
技术实现思路
为了克服现在实用堰行洪能力不足，坝面真空带不合理等问题，本专利技术提供了一种新型的。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是本专利技术包括总体设计思路，堰面曲线设计、行洪能力计算方法、有限元应力复核计算以及新堰型与WES堰技术经济比较等部分。堰型的设计最关键的有三个要素，即泄流能力，堰面压力和坝体体积。而这三个要素彼此间又是相互制约的。本专利技术的特征是宽带低真空实用堰，具体设计计算方法分两部分，一是体型设计，二是流量系数确定。体型设计主要是确定椭圆的长短轴长度A、B及幂曲线系数K。头部椭圆(xaHmax)2+(1-YbHmax)2=1]]>幂曲线 y＝CX1.85由已知最大堰上水头Hmax和允许堰面最大真空压力值ha，由下式求出系数k，C。(1)---K=-0.88haHmax+0.5]]> C=KHmax0.85=K·Hmax-0.85]]>②根据K值由下式求出系数a值a＝0.1984-0.2571ogk③根据K值由下式求出系数b值b＝0.2502-0.1804k④椭圆长轴长度A＝aHmax椭圆短轴长度B＝bHmax⑤由m=0.5250-0.03922ln(PH)]]>求出综合流量系数。所述的带状宽区域堰面最大运行水头Hmax与堰面真空带长L的比值为Hmax/L＝0.77～1.11；高坝Hmax/L取大值，低坝取小值。所述的坝高在70～130m的高坝，堰面头部椭圆长轴长度可由下式确定A＝(0.1984-0.25701ogk)Hmax短轴长度B＝(0.2502-0.1804k)Hmax堰面方程 Y＝CX1.85系数K=0.5-0.88haHmax]]>ha为允许负压值(m水柱)系数 C＝KH-0.85max综合流量系数(计入侧向收缩影响)m=0.5252-0.03922ln(PH)]]>P为堰高(m)H为堰上水头(m)以上公式应用条件P/H＝4.6～20.0溢流坝进水口处库面宽度B库与进水口溢流净宽B净的比值B库/B净＝3.0～5.0 行洪能力有较大突破大流量系数M可达0.5261～0.5465，较WES堰大5～7.8％，较非真空克奥堰大4.4～7.2％。本专利技术的有益效果是堰面压力呈现区域较广的无危害低压分布，即所谓低压宽带分布；堰面的最大负压值控制在规范允许的安全范围内；该堰型有较大的行洪能力，其流量系数较目前国际通用的WES堰最大可提高5.0～7.8％，较前苏联的克一奥非真空堰提高4.4～7.2％，可达0.5261～0.5465，库水位可降低0.36～0.92m，其效果是通过改进WES堰型或改进闸墩头部形式来提高行洪能力所产生效果的10倍。不仅如此，宽带低真空实用堰体形小巧，堰体的断面积可较WES堰减少6.8％，是一种有良好经济效益和应用前景的新堰型。目前，该项新技术已成功应用于福建省重点工程大坝设计和坝高128m的大型工程大坝的堰面设计，效果良好。因此，本专利技术堰体具有大的行洪能力，堰面不发生危害性负压，且工程量少，投资省等特点。以下结合附图和实施例对本专利技术进一步详细说明。附图说明图1是本专利技术宽带低真空实用堰剖面视图。图2是本专利技术枢纽布置图。图3是本专利技术溢流坝剖面图。图4是本专利技术溢流坝平面图。图中坝体流溢面堰顶上游曲线1，堰顶下游堰面曲线2(由堰顶至陡坡段始点)，堰面曲线3为反弧段(始点为陡坡段末端)，闸墩4，闸门5。具体实施例方式实施例1如图1所示溢流坝堰顶曲线(1)设计为(X2.912)2+(1-Y1.579)2=1]]> 堰顶下游堰面曲线为2设计为Y＝0.0803X1.85；堰面曲线3为半径20m，中心角为83°的圆弧；闸墩4为一长30m，厚2.5m长方体，两头为半径1.25m的柱状体；闸门5为一半径16m的弧型钢闸门。权利要求1.一种新型的，其特征是宽带低真空实用堰具体设计计算方法分两部分，一是体型设计，二是流量系数确定；体型设计主要是确定椭圆的长短轴长度A、B及幂曲线系数K；头部椭圆(XaHmax)2+(1-YbHmax)2=1]]>幂曲线 y＝CX1.85由已知最大堰上水头Hmax和允许堰面最大真空压力值ha，由下式求出系数k，C；①K=-0.88haHmax+0.5]]>C=KHmax0.85=K·Hmax-0.85]]>②根据K值由下式求出系数a值a＝0.1984-0.257logk③根据K值由下式求出系数b值b＝0.2502-0.1804k④椭圆长轴长度A＝aHmax椭圆短轴长度B＝bHmax⑤由m=0.5250-0.039221n(PH)]]>求出综合流量系数。2.根据权利要求1所述的，其特征是所述的带状宽区域是堰面最大运行水头Hmax与堰面真空带长度L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型的宽带低真空实用堰的设计方法，其特征是：宽带低真空实用堰具体设计计算方法分两部分，一是体型设计，二是流量系数确定；体型设计主要是确定椭圆的长短轴长度Ａ、Ｂ及幂曲线系数Ｋ；头部椭圆［Ｘ／ａＨ↓［ｍａｘ］］↑［２］＋［１－Ｙ ／ｂＨ↓［ｍａｘ］］↑［２］＝１幂曲线ｙ＝ＣＸ↑［１．８５］由已知最大堰上水头Ｈ↓［ｍａｘ］和允许堰面最大真空压力值ｈａ，由下式求出系数ｋ，Ｃ；①Ｋ＝－０．８８ｈａ／Ｈ↓［ｍａｘ］＋０．５Ｃ＝Ｋ／Ｈ↓［ｍ ａｘ］↑［０．８５］＝Ｋ.Ｈ↓［ｍａｘ］↑［－０．８５］②根据Ｋ值由下式求出系数ａ值ａ＝０．１９８４－０．２５７ｌｏｇｋ③根据Ｋ值由下式求出系数ｂ值ｂ＝０．２５０２－０．１８０４ｋ④椭圆长轴长度Ａ＝ａ Ｈ↓［ｍａｘ］椭圆短轴长度Ｂ＝ｂＨ↓［ｍａｘ］⑤由ｍ＝０．５２５０－０．０３９２２１ｎ（Ｐ／Ｈ）求出综合流量系数。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨首龙，林琳，叶丽清，谢德瑞，翁玉华，周顺田，
申请(专利权)人：福建省水利水电勘测设计研究院，
类型：发明
国别省市：35[中国|福建]