任务1.6 溢流重力坝_水利水电工程建筑物-QQ阅读男生玄幻网

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任务1.6 溢流重力坝

溢流重力坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物，其泄水方式有坝顶溢流和坝身泄水孔泄水。在水利枢纽中，它可承担泄洪、向下游输水、排沙、放空水库和施工导流等任务。

溢流坝是枢纽中最重要的泄水建筑物之一，将规划库容所不能容纳的大部分洪水经坝顶泄向下游，以便保证大坝安全。溢流坝应满足泄洪的几个设计要求：①有足够的孔口尺寸、良好的孔口体形和泄水时具有较大的流量系数；②使水流平顺地通过坝体，不允许产生不利的负压和振动，避免发生空蚀现象；③保证下游河床不产生危及坝体安全的冲坑和冲刷；④溢流坝段在枢纽中的位置，应使下游流态平顺，不产生折冲水流，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行；⑤有灵活控制水流下泄的设备，如闸门、启闭机等。

因此，坝体剖面设计除要满足稳定和强度要求外，还要满足泄水的要求，同时要考虑下游的消能问题。当溢流坝段在河床上的位置确定后，先选择合适的泄水方式，并根据洪水标准和运用要求确定孔口尺寸及溢流堰顶高程。

1.6.1 孔口设计

溢流坝的孔口设计涉及很多因素，如洪水设计标准、下游防洪要求、库水位壅高的限制、泄水方式、堰面曲线以及枢纽所在地段的地形、地质条件等。设计时先选定泄水方式，拟定若干个泄水布置方案（除堰面溢流外，还可配合坝身泄水孔或泄洪隧洞泄流）。初步确定孔口尺寸，按规定的洪水设计标准进行调洪演算，求出各方案的防洪库容、设计和校核洪水位及相应的下泄流量，然后估算淹没损失和枢纽造价，进行综合比较，选出最优方案。

1.6.1.1 孔口型式

溢流坝的泄水方式有坝顶溢流式和孔口溢流式两种，如图1.24所示。

图1.24 溢流坝泄水方式（单位：m）

1—门机；2—闸门；3—检修门

1.坝顶溢流式

根据运用要求［图1.24（a）］，堰顶可以设闸门，也可以不设闸门。

不设闸门时，堰顶高程等于水库的正常蓄水位，泄水时，靠壅高库内水位增加下泄量，这种情况增加了库内的淹没损失、非溢流坝的坝顶高程和坝体工程量。但泄洪时不仅用于排泄洪水，而且用于排泄其他漂浮物。它结构简单，可自动泄洪，管理方便。适用于洪水流量较小，淹没损失不大的中、小型水库。

当堰顶设有闸门时，堰顶高程较低，可利用闸门不同开启度调节库内水位和下泄流量，减少上游淹没损失和非溢流坝的高度及坝体的工程量。与深孔闸门比较，堰顶闸门承受的水头较小，其孔口尺寸较大，由于闸门安装在堰顶，操作、检修均比深孔闸门方便。当闸门全开时，下泄流量与堰上水头H₀的1.5次方成正比。随着库水位的升高，下泄流量增加较快，具有较大的超泄能力。在大、中型水库工程中得到广泛的应用。

2.大孔口溢流式

孔口溢流式在闸墩上部设置胸墙［图1.24（b）］，既可利用胸墙挡水，又可减少闸门的高度和降低堰顶高程。它可以根据洪水预报提前放水，腾出较大的防洪库容，提高水库的调洪能力，适用于挡水位较高而流量相对较小的水闸。当库水位低于胸墙下缘时，下泄水流流态与堰顶开敞溢流式相同；当库水位高于孔口一定高度时，呈大孔口出流。胸墙多为钢筋混凝土结构，常固接在闸墩上，也有做成活动式的。遇特大洪水时可将胸墙吊起，以加大泄洪能力，利于排放漂浮物。

1.6.1.2 孔口尺寸

1.单宽流量的确定

单宽流量一经选定，就可以初步确定溢流坝段的净宽和堰顶高程。单宽流量越大，下泄水流的动能越集中，消能问题就越突出，下游局部冲刷会越严重，但溢流前缘短，对枢纽布置有利。因此，一个经济而又安全的单宽流量，必须综合地质条件、下游河道水深、枢纽布置和消能工设计多种因素，通过技术经济比较后选定。工程实践证明，对于软弱岩石常取单宽流量q=20～50m³/(s·m)；中等坚硬的岩石取q=20～100m³/(s·m)；特别坚硬的岩石取q=100～150m³/(s·m)；地质条件好可以选取更大的单宽流量。近年来，随着消能技术的进步，选用的单宽流量也不断增大。在我国已建成的大坝中，龚嘴水电站的单宽流量达254.2m³/(s·m)，目前正在建设中的安康水电站单宽流量达282.7m³/(s·m)。而委内瑞拉的古里坝，其单宽流量已突破了300m³/(s·m)的界限。

2.孔口尺寸的确定

溢流孔口尺寸主要取决于通过溢流孔口的下泄洪水流量Q_溢，根据设计和校核情况下的洪水来量,经调洪演算确定下泄洪水流量Q_总，再减去泄水孔和其他建筑物下泄流量之和Q₀,可得Q_溢，即

式中 Q₀——经由电站、船闸及其他泄水孔下泄的流量，m³/s；

α——系数，考虑电站部分运行，或由于闸门障碍等因素对下泄流量的影响，正常运用时取0.75～0.90；校核情况下取1.0。

单宽流量q确定以后，溢流孔净宽B（不包括闸墩厚度）为

装有闸门的溢流坝,用闸墩将溢流段分隔为若干个等宽的孔。设孔口总数为n，孔口宽度b=B/n，d为闸墩厚度，则溢流前缘总宽度为

经调洪演算求得设计洪水位及相应的下泄流量后，可利用式（1.50）计算包括流速水头在内的堰顶水头H_z，当采用开敞式溢流坝泄流时,有

式中 B——溢流孔净宽，m；

m_z——流量系数,可从有关水力计算手册中查得；

ε——侧收缩系数,根据闸墩厚度及闸墩头部形状而定，初设时可取0.90～0.95；

σ_m——淹没系数,视淹没程度而定；

g——重力加速度，取9.81m/s²。

用设计洪水位减去堰顶水头H_z（此时堰顶水头应扣除流速水头），即得堰顶高程。

当采用孔口泄流时，有

式中 A_k——出口处的面积，m²；

μ——孔口或管道的流量系数,初设时对有胸墙的堰顶孔口,当H_z/D=2.0～2.4时（D为孔口高,m），取μ=0.74～0.82；对深孔取μ=0.83～0.93；当为有压流时，μ值必须通过计算沿程及局部水头损失来确定；

H_z——自由出流时为孔口中心处的作用水头,m；淹没出流时为上、下游水位差。

1.6.2 溢流坝的剖面设计

溢流坝的基本剖面也呈三角形。上游坝面可以做成铅直面，也可以做成折坡面。溢流面由顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分组成，如图1.25所示。

图1.25 溢流坝剖面

1—顶部溢流段；2—直线段；3—反弧段；4—基本剖面；5—溢流水舌

1.6.2.1 溢流坝的堰面曲线

1.顶部曲线段

溢流堰面曲线常采用非真空剖面曲线。采用较广泛的非真空剖面曲线有克-奥曲线和幂曲线（或称WES曲线）两种。克-奥曲线与幂曲线在堰顶以下（2/5～1/2）H_d（H_d为定型设计水头）范围内基本重合，在此范围以外，克-奥曲线不给出曲线方程，只给定曲线坐标值，插值计算和施工放样均不方便。而幂曲线给定曲线方程，如式（1.52），便于计算和放样。克-奥曲线流量系数小于幂曲线流量系数（最大值0.502）,故近年来堰面曲线多采用幂曲线。

(1)开敞式溢流堰面曲线。如图1.26所示，采用幂曲线时按式(1.52)，即

式中 H_d——定型设计水头，按堰顶最大作用水头H_max的75%～95%计算，m；

n,K——与上游坝面坡度有关的指数和系数，见表1.10；

x,y——溢流面曲线的坐标，其原点设在堰面曲线的最高点。

表1.10 K、n值表

坐标原点上游宜有椭圆曲线,其方程式为

式中 aH_d,bH_d——椭圆曲线的长轴和短轴，若上游面铅直，a、b可按下式选取，即

当采用倒悬堰顶时（图1.26），应满足d>H_zmax/2的条件，仍可采用式（1.53）计算。

选择不同定型设计水头时，堰顶可能出现最大负压值，见表1.11。

表1.11 不同定型设计水头对应的堰顶最大负压表

其他作用水头H_z下的流量系数m_z和定型设计水头H_d情况下的流量系数的比值见表1.12。

表1.12 作用水头、设计水头与流量系数之间的关系

（2）设有胸墙的堰面曲线。如图1.27所示，当堰顶最大作用水头H_max（孔口中心线以上）与孔口高度（D）的比值H_max/D＞1.5时，或闸门全开仍属孔口泄流时，可按式（1.54）设计堰面曲线，即

式中 H_d——定型设计水头，一般取孔口中心线至水库校核洪水位的水头的75%～95%；

φ——孔口收缩断面上的流速系数，一般取φ=0.96，若孔前设有检修闸门，取φ=0.95；

x,y——曲线坐标，其原点设在堰顶最高点，如图1.27所示；

其余符号意义同前。

图1.26 开敞式溢流堰面曲线

图1.27 带胸墙大孔口的堰面曲线

坐标原点(堰面曲线最高点)的上游段可采用单圆曲线、复合圆曲线或椭圆曲线与上游坝面连接，胸墙底缘也可采用圆弧或椭圆曲线外形，原点上游曲线与胸墙底缘曲线应通盘考虑，若1.2＜H_max/D<1.5时,堰面曲线应通过试验确定。

按定型设计水头确定的溢流面顶部曲线，当通过校核洪水时将出现负压，一般要求负压值不超过3～6m水柱高。

2.中间直线段

中间直线段的上端与堰顶曲线相切，下端与反弧段相切，坡度与非溢流坝段的下游坡相同。

3.底部反弧段

溢流坝面反弧段是使沿溢流面下泄水流平顺转向的工程设施，要求沿程压力分布均匀，不产生负压和不致引起有害的脉动压力。通常采用圆弧曲线，其反弧半径R=(4～10)h，h为校核洪水闸门全开时反弧最低点的水深。反弧最低点的流速越大，要求反弧半径越大。当流速小于16m/s时，取下限；当流速大时，宜采用较大值。当采用底流消能，反弧段与护坦相连时，宜采用上限值。

1.6.2.2 溢流坝实用剖面拟定

溢流坝的实用剖面，是在三角形基本剖面基础上结合堰面曲线按拟合修改而成的。

（1）溢流坝堰面曲线超出基本三角形剖面。如图1.28（a）所示，在坚固完好的岩基上，会出现这种情况，设计时需对基本剖面进行修正。

图1.28 溢流坝剖面拟定

根据溢流坝的定型设计水头H_d和选定的堰面曲线型式，点绘出堰面曲线ABC，将基本三角形的下游边与溢流坝面的切线重合，坝上游阴影部分可以省去。为了不影响堰顶泄流，保留高度d的悬臂实体，且要求d≥H_zmax/2（H_zmax为堰顶最大作用水头）。

图1.29 挑流鼻坎设置结构缝

（2）溢流堰面曲线落在三角形基本剖面以内。如图1.28（b）所示。当溢流重力坝剖面小于基本三角形剖面时，可适当调整堰顶曲线。通常是在溢流坝顶加一斜直线AA′，使之与溢流曲线相切于A点，增加上游阴影部分坝体体积，且有利于坝体稳定。

（3）具有挑流鼻坎的溢流坝。当鼻坎超出基本三角形剖面以外时，如图1.29所示。若l/h＞0.5时,须核算B—B′截面处的应力；若拉应力较大，可考虑在B—B′截面处设置结构缝，把鼻坎与坝体分开；若拉应力不大，也可采用局部加强措施，不设结构缝。

溢流坝和非溢流坝的上游坝面要求应尽量一致对齐。

1.6.3 溢流坝的消能防冲

因为溢流坝下泄的水流具有很大的动能，如此巨大的能量，若不妥善进行处理，势必导致下游河床被严重冲刷，甚至造成岸坡坍塌和大坝失事。所以，消能措施的合理选择和设计，对枢纽布置、大坝安全及工程造价都有重要意义。

消能工的设计原则是：①尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上；②不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；③下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行；④结构简单，工作可靠；⑤工程量小，造价低。

常用的消能方式有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等。消能形式的选择主要取决于水利枢纽的具体条件，根据水头及单宽流量的大小，下游水深及其变幅，坝基地质、地形条件以及枢纽布置情况等，经技术经济比较后选定。挑流消能应用最广泛，底流消能次之，面流消能和消力戽消能一般应用较少。

1.6.3.1 挑流消能

挑流消能是利用溢流坝下游反弧段的鼻坎，将下泄的高速水流挑射抛向空中，抛射水流在掺入大量空气时消耗部分能量，而后落到距坝较远的下游河床水垫中产生强烈的旋滚，并冲刷河床形成冲坑，随着冲坑的逐渐加深，大量能量消耗在水流旋滚的摩擦之中，冲坑也逐渐趋于稳定。挑流消能一般适用于基岩比较坚固的中、高溢流重力坝。

挑流消能设计主要包括选择合适的鼻坎型式、鼻坎高程、挑射角度、反弧半径、鼻坎构造和尺寸、计算挑射距离和最大冲坑深度，如图1.30、图1.31所示。本小节主要介绍连续式挑流消能的设计。

图1.30 挑流鼻坎示意图

（1）鼻坎型式。常用的挑流鼻坎型式有连续式和差动式两种。连续式挑流鼻坎构造简单、射程较远，鼻坎上水流平顺。差动式挑流鼻坎与连续式挑流鼻坎不同之处在于鼻坎末端设有齿坎，挑流时射流分别经齿台和凹槽挑出，形成两股具有不同挑射角的水流，两股水流除在垂直面上有较大扩散外，在侧向也有一定的扩散，加上高低水流在空中相互撞击，使掺气现象加剧，增加了空中的消能效果；同时也增加了水舌的入水范围，减小了河床的冲刷深度，但施工复杂，易气蚀。

图1.31 连续式挑流鼻坎的水舌及冲刷坑示意图

（2）鼻坎挑射角度。一般情况下取θ=20°～25°。对深于河槽的以选用θ=15°～20°为宜。加大挑射角，虽然可以增加挑射距离，但由于水舌与下游水面的交角加大，使冲坑加深。

（3）鼻坎反弧半径R。一般采用（8～10）h，h为反弧最低点处的水深。R太小时鼻坎水流转向不顺畅；R过大时，将迫使鼻坎向下延伸太长，增加了鼻坎工程量。鼻坎反弧也可采用抛物线，曲率半径由大到小，这样既可以获得较大的挑射角θ，又不至于增加鼻坎工程量，但鼻坎施工复杂，在实际运用中受到限制。

（4）鼻坎高程。应高于鼻坎附近下游最高水位1～2m。

（5）挑射距离。由于冲坑最深点大致落在水舌外缘的延长线上，故挑射距离按以下公式估算，即

式中 L——水舌挑射距离，m，挑流鼻坎下垂直面至冲坑最深点的水平距离；

v₁——坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍计,即v₁=1.1v;v₁=1.1φ（H₀为库水位至坎顶的落差，_φ为堰面流速系数）；θ——鼻坎的挑角；

h₁——坎顶平均水深h在铅直方向的投影，h₁=hcosθ,m；

h₂——坎顶至下游河床面高差，m，如冲坑已经形成，在计算冲坑进一步发展时，可算至坑底。

（6）最大冲坑深度：最大冲坑水垫厚度t_k工程上常按式（1.56）估算,即

式中 t_k——水垫厚度，自水面算至坑底，m；

q——单宽流量，m³/（s·m）；

H——上下游水位差，m；

α——冲坑系数，坚硬完整的基岩，α=0.9～1.2；坚硬但完整性较差的基岩，α=1.2～1.5；软弱破碎、裂缝发育的基岩，α=1.5～2.0。

最大冲坑水垫厚度t_k求出后，根据河床水深即可求得最大冲坑深度t′_k。

射流形成的冲坑是否会延伸到鼻坎处以至危及坝体安全，主要取决于最大冲坑深度t′_k与挑射距离L的比值，即L/t′_k值。一般认为，基岩倾角较陡时要求L/t′_k＞2.5。基岩倾角较缓时，要求L/t′_k＞5.0。

1.6.3.2 底流消能

底流消能是在坝下设置消力池、消力坎或综合式消力池和其他辅助消能设施,促使下泄水流在限定的范围内产生水跃。主要通过水流内部的旋滚、摩擦、掺气和撞击达到消能的目的,以减轻对下游河床的冲刷。底流消能工作可靠，但工程量较大，多用于低水头、大流量的溢流重力坝，如图1.32所示。

1.6.3.3 面流消能

面流消能利用鼻坎将高速水流导向下游水流表层，主流与河床间由巨大的底部旋滚隔开，以减轻高速主流对邻近坝趾处河床的冲刷，由于高流速的主流位于下游水流表层，故称其为面流式消能，如图1.33所示。这种消能形式要求下游具有较高和较稳定的水位。它的缺点是对下游水位和下泄流量变幅有严格的限制，下游水流波动较大，在较长距离内（有时可延绵1～2km）不够平稳，影响电站的发电和下游的航运。

图1.32 底流消能

图1.33 面流消能

1.6.3.4 消力戽消能

这种消能形式是在坝后设一大挑角（约45°）的低鼻坎（即戽唇，其高度a一般约为下游水深的1/6），其水流形态的特征表现为“三滚一浪”（图1.34）。戽内产生逆时针方向（如果水流方向向右时）的表面旋滚，戽外产生顺时针方向的底部旋滚和逆时针方向的表面旋滚，下泄水流穿过旋滚产生涌浪，并不断掺气进行消能。

图1.34 消力戽消能示意

1—戽内旋滚；2—戽后底部旋滚；3—下游表面旋滚；4—戽后涌浪

消力戽式消能的优点：工程量比底流式消能的小，冲刷坑比挑流消能的浅，不存在雾化问题。其主要缺点与面流式消能相似，并且底部旋滚可能将砂石带入戽内造成磨损。如将戽唇做成差动式可以避免上述缺点，但其结构复杂，齿坎易空蚀，采用时应慎重研究。消力戽消能的适用情况与面流式消能基本相同，但不能过木排冰，且对尾水的要求是须大于跃后水深。

【项目案例1.2】溢流坝设计

1.基本资料

与［项目案例1.1］的基本资料相同。

2.溢流坝孔口尺寸设计

1）泄水方式的选择。为使水库具有较大的超泄能力，采用开敞式孔口。

2）洪水标准的确定。根据山区、丘陵区水利水电枢纽工程永久性建筑洪水标准规范要求，采用50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。

3）单宽流量的确定。岩基主要为沉积变质岩，饱和抗压强度为10.8×10⁴kPa，故取q=50～80m³/（s·m)，初步拟定时取单宽流量q的下限值50m³/（s·m)。

4）溢流孔口尺寸的确定。

（1）孔口净宽的计算（表1.13）。校核洪水位时下泄流量为1016m³/s，设计洪水位时下泄流量为696m³/s，则