第六节溢流重力坝.docx
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第六节溢流重力坝
第六节溢流重力坝
（一）
引言：
溢流重力坝简称溢流坝，既是挡水建筑物，又是泄水建筑物。
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。
本节主要介绍：
溢流坝的设计要求、溢流坝的泄水方式和溢流坝的剖面设计
一．溢流坝的设计要求
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设计要求：
●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。
●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。
●保证下游河床不产生危及坝体安全的冲坑和冲刷。
●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。
●有灵活控制水流下泄的设备，如闸门、启闭机等。
二．溢流坝的泄水方式
图示讲解：
1．坝顶开敞溢流式
溢流坝泄水方式（单位：
m）
（a）坝顶溢流式1一350T门机；2一工作闸门
（b）大孔口溢流式1一175/40T门机；2一12×10m定轮闸门；3一检修门
（c）具有活动胸墙的大孔口1-活动胸墙；2一弧形闸门；3一检修门槽；4一预制混凝土块安装区
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和非溢流坝的坝顶高程和坝体工程量。
坝顶溢流不仅可以用于排泄洪水，还可以用于排泄其它漂浮物。
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，闸门顶高程虽高于水库正常蓄水位，但堰顶高程较低，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3/2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．孔口溢流式
在闸墩上部设置胸墙，有固定胸墙和活动胸墙两种，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。
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。
三．溢流坝的剖面设计
图示讲解：
图2-23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-薄壁堰；6-薄壁堰溢流水舌
溢流坝的基本剖面呈三角形。
上游坝面可以做成铅直面，也可以做成折坡面。
溢流面组成：
顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分。
设计要求：
有较高的流量系数，泄流能力大；
水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；
形体简单、造价低、便于施工等。
1.溢流坝的堰面曲线
●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）Hs（Hs为定型设计水头）范围内基本重合，在此范围以外，克—奥曲线定出的剖面较肥大，常超出稳定和强度的需要，如图2-24所示。
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（2-57），便于计算和放样。
克-奥曲线流量系数约为0.48~0.49，小于幂曲线流量系数（最大可达0.502），故近年来堰面曲线多采用幂曲线。
◆开敞式溢流堰面曲线
◆设有胸墙的堰面曲线
●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。
●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，通常采用圆弧曲线，R=（4~10）h，h为校核洪水闸门全开时反弧最低点的水深。
反弧最低点的流速愈大，要求反弧半径愈大。
当流速小于16m/s时，取下限；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。
挑流圆弧曲线结构简单，施工方便，但工程实践表明容易发生空蚀破坏，为此，许多人开展了可探求合理新型反弧曲线的研究，如球面，变宽度曲面，差动曲面等。
2.溢流坝剖面设计
溢流坝的实用剖面：
在三角形基本剖面基础上结合堰面曲线修改而成。
●溢流坝堰面曲线超出基本三角形剖面
图示讲解：
溢流坝剖面绘制
（a）反弧与护坦连接；（b）反弧与挑流鼻坎连接
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，
先绘出非溢流坝三角形基本剖面△102,根据溢流坝的定型设计水头Hs和选定的堰面曲线型式,点绘出堰面曲线ABCD,将基本三角形△012平移至今△0＇1＇2＇位置,使下游边0＇2＇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≥0.5Hzmax（Hzmax为堰顶最大作用水头）。
●溢流堰面曲线落在三角形基本剖面以内。
当坝基摩擦系数较大时,会出现这种情况。
为了满足与基本剖面协调的要求,可将失去的部分坝体体积补上,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，同时也满足坝体稳定和强度要求。
●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，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,并且对齐,以免产生坝段之间的侧向水压力，否则将使坝段的稳定、强度计算复杂化。
溢流坝的下游坝面，则不强求与非溢流坝面完全一致对齐，只要两者各自保持一致对齐即可。
第六节溢流重力坝
（二）
本节主要介绍：
溢流坝的孔口布置和溢流坝的消能防冲
四．溢流坝的孔口布置
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。
挑流鼻坎的结构缝
1．洪水标准
2．单宽流量的确定
单宽流量的大小是溢流重力坝设计中一个很重要的控制性指标。
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。
单宽流量愈大,下泄水流的动能愈集中,消能问题就愈突出,下游局部冲刷会愈严重,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。
工程实证明对于软弱岩石常取q=20~50m3/（s·m）；中等坚硬的岩石取q=50~100m3/（s·m）；特别坚硬的岩石q=100~150m3/（s·m）；地质条件好、堰面铺铸石防冲、下游尾水较深和消能效果好的工程,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。
3．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，再减去泄水孔和其它建筑物下泄流量之和Q0,即得Q溢:
Q溢=Q总一
Q0（m3/s）
式中Q0一一经由电站、船闸及其它泄水孔下泄的流量；
一一系数,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:
B=
（m）
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B1为:
Bl=nb+（n-1）d（m）
当采用开敞式溢流坝泄流时,下泄流量Q溢
Q溢=mzεσmB
式中B一一溢流孔净宽（m）；
mz-一一流量系数,可从有关水力计算手册中查得；
ε一一侧收缩系数,根据闸墩厚度及闸墩头部形状而定。
初设时可取=0.90~0.95；
σm——淹没系数,视淹没程度而定；
g一一重力加速度9.81（m/s2）。
用设计洪水位减去堰顶水头Hz（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,下泄流量Q溢
Q溢=μAk
式中Ak一一出口处的面积（m2）；
Hz一一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；
μ——孔口或管道的流量系数,初设时对有胸墙的堰顶孔口,当
=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。
确定孔口尺寸时应考虑以下因素：
●泄洪要求
●闸门和启闭机械
●枢纽布置
●下游水流条件
图示讲解：
溢流坝段的横缝
◆缝设在闸墩中间，当各坝段间产生不均匀沉降时，不致影响闸门启闭，工作可靠，缺点是闸墩厚度较大；
◆缝设在溢流孔跨中，闸墩厚度较薄，但易受地基不均匀沉降的影响，且高速水流在横缝上通过，易造成局部冲刷，气蚀和水流不畅。
溢流坝段横缝的布置
五．溢流坝的消能防冲
引言：
溢流坝下泄的水流具有很大的动能,常高达几百万甚至几千万kW，潘家口和丹江口坝的最大泄洪功率均接近3000万kW，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。
●下泄水流主要消耗：
一是水流内部的互相撞击和摩擦；二是下泄水体与空气之间的掺气摩阻；三是下泄水流与固体边界（如坝面、护坦、岸坡、河床）之间的摩擦和撞击。
●消能工消能：
通过局部水力现象,把一部分水流的动能转换成热能,随水流散逸。
●能量转换途径：
水流内部的紊动、掺混、剪切及旋滚；水股的扩散及水股之间的碰撞；水流与固体边界的剧烈摩擦和撞击；水流与周围空气的摩擦和掺混等消能形式的选择，要根据枢纽布置、地形、地质、水文、施工和运用等条件确定。
●消能工的设计原则：
◆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;
◆不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷;
◆下泄水流平稳,不影响枢纽中其他建筑物的正常运行;
◆结构简单,工作可靠;
◆工程量小，造价低。
●消能方式：
底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等。
●消能型式的选择：
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。
1．底流消能
图示讲解：
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它辅助消能设施,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。
底流水跃消能图
2.挑流消能
●挑流消能原理：
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漩滚,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漩滚的摩擦之中,冲坑也逐渐趋于稳定。
鼻坎挑流消能一般适用于基岩比较坚固的中、高溢流重力坝。
●鼻坎挑流消能设计包括：
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。
挑流形成的冲坑应保证不影响坝体及其它建筑物的安全。
●常用的挑流鼻坎型式：
连续式、差动式
◆连续式挑流鼻坎
图示讲解：
底流水跃消能图
连续式挑流鼻坎构造简单、射程较远,鼻坎上水流平顺、不易产生空蚀。
鼻坎挑射角度
鼻坎反弧半径
鼻坎高程
挑射距离
最大冲坑水垫厚度
◆差动式挑流鼻坎
3．面流式消能
图示讲解：
面流消能示意图
面流式消能利用鼻坎将高速水流挑至尾水表面，在主流表面与河床之间形成反向旋滚，使高速水流与河床隔开，避免了对临近坝趾处河床的冲刷。
由于表面主流沿水面逐渐扩散以及反向旋滚的作用故产生消能效果。
面流消能适用于下游尾水较深（大于跃后水深），水位变幅不大，下泄流量变化范围不大，以及河床和两岸有较高的抗冲能力的情况下。
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，在较长距离内不够平稳，影响发电和航运。
4.消力戽消能
图示讲解：
消力戽
1-戽内漩滚；2-戽后底部漩滚；3-下游表面漩滚；4-戽后涌浪
消力戽的构造类似于挑流消能设施,但其鼻坎潜没在水下,下泄水流在被鼻坎挑到水面（形成涌浪）的同时,还在消力戽内、消力戽下游的水流底部以及消力戽下游的水流表面形成三个旋滚,即所谓“一浪三滚"。
消力戽的作用主要在于使戽内的旋滚消耗大量能量;并将高速水流挑至水面,以减轻对河床的冲刷。
消力戽下游的两个旋滚也有一定的消能作用。
由于高速主流在水流表面,故不需做护坦。
消力戽设计既要避免因下游水位过低出现自由挑流,造成严重冲刷,也需避免因下游水位过高，淹没太大，急流潜入河底淘刷坝脚。
设计时可参考有关文献，针对不同流量进行水力计算，以确定反弧半径、鼻坎高度和挑射角度。
五．溢流坝的上部结构
●闸墩和工作桥
◆闸墩的断面形状：
半圆形、椭圆形、流线型（上游墩头）
流线型、宽尾墩（下游断面）
◆闸墩上游墩头可与坝体上游面齐平，也可外悬于坝顶,以满足上部结构布置的要求。
◆闸墩厚度
◆闸墩的长度和高度
◆溢流坝两侧设边墩,
●闸门和启闭机
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