CN116257907A - 一种用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法,包括,根据溢洪道规划的凸形溢流堰的建造位置,进行凸形溢流堰的平面设计、剖面设计与和材料的选用;然后进行凸形溢流堰的稳定性验算、强度验算和变形验算;根据荷载和边界条件进行堰体应力应变分析、地基反力和沉降变形的分析。有效的提高溢流堰的稳定性,有利于提高溢洪道的经济性。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程技术领域,具体是一种用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法。
背景技术
目前在水利工程领域,为了防洪除涝、用水排水等需要,水库需设有泄水建筑物,目前通常的泄水建筑物有深式泄水建筑物(包括坝身泄水孔、水工隧洞、坝下涵管等)和溢洪道(包括河岸溢洪道、河床溢洪道),河岸溢洪道一般适用于土石坝、堆石坝等水利枢纽;溢洪道的控制段需要设置过水的溢流堰,由于溢洪道的类型不同,溢流堰的平面布置也不同,正槽溢洪道的溢流堰轴与溢洪道的泄槽正交,过堰水流与泄槽轴线方向一致,侧槽溢洪道的溢流堰设在泄槽一侧,溢流堰轴线与泄槽大致平行。
这些溢洪道的溢流堰的轴线,基本呈一字型,这些一字型溢流堰具有剖面大,主要靠自重维持自身稳,针对这一情况而提出本发明。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例,在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题,提出了本发明。
因此,本发明所要解决的技术问题是提高目前溢洪道中溢流堰稳定性和经济性的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:一种用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法,包括,根据溢洪道规划的凸形溢流堰的建造位置,进行凸形溢流堰的平面设计、剖面设计与和材料的选用;然后进行凸形溢流堰的稳定性验算、强度验算和变形验算;根据荷载和边界条件进行堰体应力应变分析、地基反力和沉降变形的分析。
作为本发明所述用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法的一种优选方案,其中:所述剖面设计包括剖面形状和尺寸的拟定;
所述平面设计包括平面形状和尺寸拟定。
作为本发明所述用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法的一种优选方案,其中:所述平面设计和所述剖面设计中堰轴线具有向水流方向凸出的平面形状、具有扩大底板的堰的横断面形状以及具有堰的平面形状与横断面形状组合的堰的体型。
作为本发明所述用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法的一种优选方案,其中:所述平面设计和所述剖面设计还应结合材料的情况的具体情况进行设计。
作为本发明所述用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法的一种优选方案,其中:所述稳定性验算包括堰体受力分析和整体滑动稳定安全系数验算。
作为本发明所述用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法的一种优选方案,其中:所述整体滑动稳定安全系数验算公式为其中kc应满足有关规范对抗滑稳定安全系数的要求,w为投影于堰端轴线方向的水平阻滑力之和,E为投影于堰端轴线方向的水平滑动力之和。
作为本发明所述用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法的一种优选方案,其中:根据堰体受力分析设水的重度γw,堰的重度为γc;
堰与地基的摩擦系数为f。
作为本发明所述用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法的一种优选方案,其中:所述投影于堰端轴线方向的水平阻滑力之和w的表达式为
其中N为堰端支墩对堰端的支撑力。
作为本发明所述用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法的一种优选方案,其中:所述G的表达式为
其中∪为扬压力。
作为本发明所述用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法的一种优选方案,其中:所述投影于堰端轴线方向的水平滑动力之和E的表达式为
本发明的有益效果:有效的提高溢流堰的稳定性,有利于提高溢洪道的经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
图1为本发明提供的一种实施例所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法中目前一般的溢流堰平面布置示意图结构示意图;
图2为本发明提供的一种实施例所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法中目前一般的溢流堰(截面为曲线形)三维示意图的结构示意图;
图3为本发明提供的一种实施例所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法中目前一般的溢流堰(截面为折线形)三维示意图的结构示意图;
图4为本发明提供的一种实施例所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法中目前一般的拱坝溢流堰三维示意图的结构示意图;
图5为本发明提供的一种实施例所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法中平面折线布置的溢流堰平面示意图的结构示意图;
图6为本发明提供的一种实施例所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法中轴线为曲线的溢流堰平面示意图的结构示意图;
图7为本发明提供的一种实施例所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法中轴线为平面上为折线的溢流堰(⊥形横截面)三维示意图的结构示意图;
图8为本发明提供的一种实施例所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法中轴线为曲线布置的溢流堰(⊥形横截面)三维示意图的结构示意图;
图9为本发明提供的一种实施例所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法中堰剖面受力分析图的结构示意图;
图10为本发明提供的一种实施例所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法中堰平面受力分析图的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次,本发明结合示意图进行详细描述,在详述本发明实施例时,为便于说明,表示结构的剖面图依一定比例缩小,而且所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明保护的范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
再其次,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1~10,本实施例提供了一种用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法的实施方式。
根据溢洪道规划的凸形溢流堰的建造位置,进行凸形溢流堰的平面设计、剖面设计与和材料的选用;然后进行凸形溢流堰的稳定性验算、强度验算和变形验算;根据荷载和边界条件进行堰体应力应变分析、地基反力和沉降变形的分析。
需要说明的是强度验算、变形验算和过流验算为现有技术在此不在过多赘述。
平面设计包括剖面形状和尺寸的拟定,具体为平面上应对称布置,采用平面上对称的向上游凸进的的折线形(3条折线以上),或弧线形(圆弧形、椭圆形),对称轴为堰两端连线中点与堰轴线中点的连线。圆弧形溢流堰端部位置的确定,在受力分析基础上,堰轴向压力取最大值的位置。
剖面设计包括剖面形状和尺寸的拟定,可优先采用⊥型薄壁堰,⊥型薄壁堰的上游底板有较大的水平尺寸(宜大于1m),其上承受土压力和水压力,可以尽可能利用堰底板上的水重增强堰的稳定性。此外也可以考虑选实用堰、WES型、L型薄壁堰等,通过技术和经济比较优选。
平面设计和剖面设计中堰轴线具有向水流方向凸出的平面形状、具有扩大底板的堰的横断面形状以及具有堰的平面形状与横断面形状组合的堰的体型。
平面设计和剖面设计还应结合材料的情况的具体情况进行设计。
进一步的,堰的材料选用⊥型薄壁堰宜采用钢筋混凝土。根据堰的高度和工程重要性,可选用浆砌石、砌块、素混凝土。堰的平面和剖面形状和尺寸的确定还应结合材料情况,具体根据当地材料和施工方便性、经济性选择选定。
进一步的,稳定性验算包括堰体受力分析、整体滑动稳定安全系数验算。
把溢流堰整体作为受力分析对象(区别于一字型堰取单位长度的堰作为稳定分析对象),堰在上下游水压力、堰上水压力、堰底扬压力、地基反力、堰端部翼墙推力、上下游土压力、堰底与地基的摩阻力等作用下,要保持堰整体不滑动。
整体滑动稳定安全系数验算可按照堰所受各力在上面的堰体对称轴上的投影代数和来分析,也可将各力在堰端轴线(支墩支撑力N)方向的投影来分析如图9。
即阻滑力要大于滑动力,阻滑力与滑动力的比值为整体滑动稳定安全系数,安全系数的允许值可参照混凝土重力坝设计规范中抗滑稳定安全系数的规定。
运行期和施工期都应满足稳定性要求,堰端部翼墙推力的大小和方向可根据翼墙体积、形状、翼墙后土压力确定。
设圆弧形溢流堰,其几何参数与受力情况如图9、图10所示。根据堰体受力分析设水的重度γw,堰的重度为γc;上游黏土,饱和重度为γsat,有效内摩擦角为下游为砂土,重度为γ、浮重度为γb,内摩擦角为/>堰与地基的摩擦系数为f。
投影于堰端轴线方向的水平阻滑力之和w的表达式为
其中N为堰端支墩对堰端的支撑力。
G的表达式为
其中∪为扬压力。
投影于堰端轴线方向的水平滑动力之和E的表达式为
进一步的,表达公式运算过程为:
dE1=γwH2(R+δ)dα
此外,还应根据荷载和边界条件,进行堰体应力应变分析,堰体应力不超过材料极限强度,变形不超过材料极限拉伸值。地基反力和沉降变形满足相关要求,注意,堰在设计时要结合铺盖防渗设计、消能防冲设计、翼墙设计等,进行统筹考虑,保证溢洪道整体的安全性与经济性。
经济分析
由于堰的向上游凸进的平面形状和利用堰端支墩(或翼墙)提供给堰的阻滑力,以及凸形堰的横断面上有较大的向上游伸展的底板,使得堰断面积减小,使得堰有较小的工程量。此外,采用凸形堰的溢洪道的控制段横向尺寸变小,可提供大的下游水深,有利于消能防冲和减小消能段长度,为设计更经济的控制段和下游泄水断面提供更大的空间和条件。所以本凸形堰具有较大的性价比。
进一步的,结合附图可知,图1、图2、图3所示为目前通常的水库溢洪道一字型溢流堰。一字型溢流堰的稳定性只能以堰的横断面(沿堰纵轴线长1米)为考察对象,堰的横断面抗倾覆力矩较小。图4为拱坝溢流堰示意图,通常用于大中型水利工程,虽然拱坝也有向上游的凸进,但拱坝将所受的水压力等荷载转变成沿坝身的压力传递给两岸,主要靠两岸的山体支撑来维持稳定,是曲线形坝,地质条件良好的岩基。
图5、图6、图7、图8为本发明所设计的凸形溢流堰示意图。溢流堰向上游,向水库库内凸近,堰轴线平面上是折线或曲线,因此堰的稳定性计算以堰的整体为考察对象,堰整体的抗倾覆力矩较大,可仅仅验算抗滑动稳定性。凸形溢流堰使得堰体沿堰体对称轴方向的尺寸明显大于传统一字型堰水平方向的尺寸(堰横截面尺寸),大大提高了堰整体抗倾覆能力。
与拱坝溢流堰相比,本发明的堰的轴线的向上游凸起程度更大,拱圈中心角可更大,堰有扩大的底板。凸形溢流堰将所受的水压力等荷载一部分沿坝身传递给两岸翼墙,翼墙后可以是填土,堰的稳定除了少部分是靠两岸支撑,同时还靠堰体自身重力、基底摩擦力、加上堰的扩大底板上水重等加以平衡,具有从多方面抵抗荷载作用的特点,堰整体具有综合的抗压、抗弯、抗剪、抗倾覆性能,本发明的凸形堰具有更大地质条件适应性,特别适用于中小型泄水建筑物的溢流堰。
重要的是,应注意,在多个不同示例性实施方案仅是例示性的。尽管在此仅详细描述了几个实施方案,但参阅此内容的人员应容易理解,在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖和优点的前提下,许多改型是可能的(例如,结构的尺寸、尺度、比例,以及参数值也可以是改变的(例如、水土压力、材料重度等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。在不背离本发明的范围的前提下,可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此,本发明不限制于特定的实施方案,而是扩展至所附的权利要求书的范围内的改型。
此外,为了提供示例性实施方案的简练描述,可以不描述实际实施方案的所有特征(即,与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征,或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是,在任何实际实施方式的开发过程中,如在任何工程或设计项目中,可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的,但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说,不需要过多实验,所述开发努力将是一个设计的常规工作。
应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管结合实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法,其特征在于:包括,
根据溢洪道规划的凸形溢流堰的建造位置,进行凸形溢流堰的平面设计、剖面设计与和材料的选用;
然后进行凸形溢流堰的稳定性验算、强度验算和变形验算;
根据荷载和边界条件进行堰体应力应变分析、地基反力和沉降变形的分析。
2.根据权利要求1所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法,其特征在于:所述剖面设计包括剖面形状和尺寸的拟定;
所述平面设计包括平面形状和尺寸拟定。
3.根据权利要求2所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法,其特征在于:所述平面设计和所述剖面设计中堰轴线具有向水流方向凸出的平面形状、具有扩大底板的堰的横断面形状以及具有堰的平面形状与横断面形状组合的堰的体型。
4.根据权利要求3所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法,其特征在于:所述平面设计和所述剖面设计还应结合材料的情况的具体情况进行设计。
5.根据权利要求3或4所述的用于水库溢洪道的凸形溢流堰设计方法,其特征在于:所述稳定性验算包括堰体受力分析和整体滑动稳定安全系数验算。
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