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文献综述和外文翻译
编号（学号）：
10624042
文献综述和外文翻译
（2010届本科）
学院：
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姓名：
指导教师：
完成日期：
2010年04月25日
文献综述
题目：
溢流坝设计相关问题的探讨
溢流坝设计相关问题的探讨
摘要：
溢流坝是坝顶可泄洪的坝。
其产生较早发展迅速以及其显著的优越性因而具有良好的前景，在国内有广泛的应用。
本文对溢流坝设计所涉及的几个方面进行探讨，目的在于全面了解溢流坝。
介绍内容包括溢流坝的定义历史发展、过流形式、设计要求、消能防冲与水流形态、裂缝与气蚀。
由于溢流坝目的在于溢流，其特殊的任务要求其应当具有相当的各方面特性，以满足正常工作。
其整体还是细部的工作都不容忽视，在长期的应用实践中也暴露了一些问题，本文在解决工程实际问题时只做了简要介绍与概述。
溢洪坝作为宣泄洪水的水工建筑物在过流过程中，高速水流对混凝土表面的空蚀破坏是相当严重的，为保证大坝安全运行,设计时必须认真对待。
文章对溢流坝的消能防冲、水流形态、裂缝气蚀因素有相关论述。
近期的溢流坝坝建设中，在新型消能工技术、通气减蚀措施等许多方面都获得了较大的进展。
关键词：
溢流坝；消能；裂缝；气蚀
1.概述
溢流坝（overflowdam）是坝顶可泄洪的坝。
亦称滚水坝。
溢流坝一般由混凝土或浆砌石筑成。
按坝型有溢流重力坝、溢流拱坝、溢流支墩坝和溢流土石坝。
后者仅限于溢流面和坝脚有可靠防护设施、单宽流量比较小的低坝。
和厂房结合在一起，作为泄洪建筑物的坝内式厂房溢流坝、厂房顶溢流和挑越厂房顶泄流的厂坝联合泄洪方式，可用在高山狭谷地区，是宣泄大流量时，解决溢洪道和电站厂房布置位置不足的一种途径，也是从溢流坝发展起来的新形式。
2.发展
溢流重力坝是溢流坝中修建较多、运行经验丰富的坝型。
巴西图库鲁伊水电站的重力坝，最大坝高86m,23个溢流孔，总泄流量104400m3/s；中国河北省潘家口水利枢纽重力坝，坝高107.5m,设计最大泄流量56200m3/s，部分采用宽尾墩形式的新型消能。
它们都是世界上泄量较大的高水平的溢流重力坝，具有很好的消能防冲效果。
支墩坝中溢流大头坝与溢流重力坝相近。
高溢流平板坝，由于溢流面板较单薄，不利抗震，采用不多。
连拱坝由于拱筒和溢流面、边墙连接结构复杂，很少做为溢流坝。
溢流拱坝除坝体结构常较单薄外，由于平面呈拱形，泄流朝径向集中是明显不利的水力条件。
早期的拱坝，担心下游冲刷和坝体振动，都不敢采用大流量坝身泄洪，而另辟坝外溢洪道。
1950年以来，中国修建了各种类型的溢流拱坝，如溢流跌坎式、挑坎式、溢流面板滑雪道式以及高低坎对冲、窄缝、转向挑坎等消能工形式,较好地解决了拱坝消能防冲、抗震减蚀等问题,使得溢流拱坝建设在中国有了较大的发展。
湖南省凤滩水电站腹拱式溢流拱坝，设计泄洪流量达32600m3/s,是世界上泄流量最大的溢流拱坝，采用独特的高低坎对冲消能，效果甚佳。
一般泄水建筑物下游的消能设施工程量大，造价昂贵,近10多年来，国内外不少学者对把泄流和消能设施结合为一体的溢流坝面阶梯式消能工作产生了极大兴趣,阶梯式溢流坝即是在溢流坝面上从胸墙附近直到坝趾处设置一系列阶梯，阶梯的外包线一般仍按标准的溢流面曲线如WES曲线来设计，它主要利用坝面阶梯上水流所形成的横向旋滚及其与主流之间的剪切和动量交换来达到消能的目的，且由于坝面水流掺气，更增强了消能效果。
阶梯式溢流坝早在本世纪初就有应用，1971年英国的Essery等[1]针对阶梯式溢流坝设计作了一些试验研究。
直到1982年，美国垦务局对建在犹他州的上静水坝的阶梯溢流坝进行了水工模型试验[2]，此试验研究对阶梯式溢流坝设计很有用，且激发了以后的研究及应用。
另外，阶梯溢流坝的发展与新型的碾压混凝土筑坝技术的发展紧密相连，若采用碾压混凝土RCC坝，将坝面做成阶梯状，可以加快施工进度，缩短工期，节省投资[3]。
阶梯式溢流坝早在20世纪初就有应用，但直到七十年代人们才开始进行研究。
由于利用阶梯坝面消能可以显著减小下游消能工的工程量，获得巨大的经济效益，人们对它越来越重视[4]。
宽尾墩和阶梯溢流坝：
流坝面闸墩尾部扩展成宽尾墩，墩后连接阶梯坝面，然后通过反弧段与消力池相连，形成“宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池”的水工设施，这是一种新型的消能设施。
这种新的消能方式兼有宽尾墩和阶梯溢流坝面的优点：
（1）小流量泄流时，可充分利用阶梯旋滚消能；
（2）大流量泄流时，可利用宽尾墩墩后空腔提高掺气率，以保护阶梯免受空蚀破坏；（3）以阶梯为主要的掺气设施工程最大单宽流量一般不大于30m3／s·m，而采用这种新型的消能设施后，单宽流量得到提高[5]。
同时台阶式泄槽溢洪道已成为世界全国泄洪建筑物上一种通用的泄流方法，而且应用范围更加多样化。
我国对于台阶式溢流坝也已起步，并有成功的实例，国内又出现宽尾墩与台阶式溢流坝的联合运用消能的形式，已应用于高水头、大单宽流量，取得了突破性进展[6]。
3.溢流坝过流形式
①坝顶溢流（跌流），②坝面溢流，③大孔口坝面溢流（见图1）。
前两者属表面溢流，能顺利排放冰凌等漂浮物。
堰顶可设或不设闸门。
无闸门的溢流坝，蓄水位只能与堰顶齐平，泄洪时要靠壅高库水位形成水头，逐渐增加泄量，适用于较小水库或具有较长溢流前沿的溢流坝。
设有闸门的溢流坝，能够调节水库蓄水位和下泄流量。
其堰顶高程和溢流前沿长度需根据水库和枢纽建筑物功能、泄水要求经水库调洪计算确定。
堰顶设有闸墩，用以支撑闸门，墩上架桥以装设闸门启闭设备或设置通道。
坝顶溢流的闸门检修容易、操作方便可靠，是最常见的溢流坝形式。
a坝顶溢流b坝面溢流c大孔口坝面溢流
图1
4.溢流坝设计要求
①有足够的溢流前沿长度和泄流能力以满足防洪要求；②水流平顺，坝面无不利的负压或振动；③下泄水流不造成危害性冲刷。
高水头溢流坝泄水流速可达30～40m/s或更大,下游河床单宽消能功率可达几万甚至几十万千瓦。
从溢流或泄水段到下游消能工设计要解决好：
空蚀和磨蚀、掺气和雾化、轻型结构的振动、河床和岸坡的冲刷等一系列高速水流问题。
要选择合适的坝顶和堰面曲线形式：
既要有较大泄流能力，又要有稳定的水流形态和免遭空蚀破坏、容易施工的体型。
较好的消能工形式和尺寸对枢纽各建筑物的安全运行具有重要意义。
近期的高坝建设中，在新型消能工技术、通气减蚀措施等许多方面都获得了较大的进展。
5.消能防冲
5.1消力池与护坦
5.1.1溢流坝消力池设计流量的确定
在调查研究中，发现有的工程设计者错误地把消能池设计流量理解为工程中的设计或校核洪水标准对应的洪峰流量或任意假定的某一流量，进而设计结果与实际运用情况严重不符。
因坝高速水流携带大量的动能，这些能量得不到有效的消减，大量余能由下游河床承担，导致下游河床严重冲涮，直接危及坝身的安全，导致坝身坍蹋毁坏。
设计中拟定的消能池设计尺寸达不到规范要求，其结果将由于消能池设计上不合理，下游水垫深度不够，消能不充分，造成下游水流余能过大，导致坝身因洪水淘刷而发生破坏。
5.1.2关于低溢流钢筋混凝土衬砌或护坦
破坏部位往往发生在收缩断向下游延伸的一段距离之内。
根据流体力学中贝努里能量守恒理论进行分析，不难证明：
在收缩断面处以动能为主。
相对于其它部位的过流速度，其流速最高。
因而该部位表现为：
水流动量大而集中和容易发生空蚀现象关于雍水建筑物的选型问题进行雍水建筑设计时，在可能的情况下，宜优先采用形式较为隐蔽坝下游收缩断面部位的设计。
在水毁工程实地现场考察中注意到在多处溢流堰（坝）下游溢洪道衬砌或护坦在洪水破坏下所发生的一个特有现象。
即溢洪道的地下截潜引水形式，以充分发挥其结构简单，地下水截流可靠，造价低的特点，特别是其承受洪水造成破坏的能力提高[7]。
5.2消能形式的初选
单宽流量大，而基岩比较软弱，不易采用消力池消能，因为要较长的消力池和护坦．工程投资较大。
过坝水流的弗氏数较低，不易采用底流消能的效果。
另外，溢流坝段相邻的底孔坝段不易采用挑流消能，水流的相互干扰加剧。
面流消能的首要适用条件是有比较稳定的下游尾水位。
抗冲刷能力较弱。
溢流坝下泄单宽流量较大。
采用异型宽尾墩挑流消能。
挑流消能的效果还与溢流坝闸墩的下游形状有关[8]。
5.3影响溢流坝的效能因素
以阶梯溢流坝为例，要想提高消能率，就要采用改变阶梯高度，放缓坝坡等措施，还应设法增强坝面水流的紊动，使紊动耗散率增大。
例如，在坝趾处取消反弧段，以一直延伸到坝趾的阶梯代替；对溢洪道采用扩散形式，使其单宽流量沿程不断减小，以提高阶梯的消能率；在坝面上设置一些辅助消能、掺气设施，如掺气分流墩；在某些阶梯的凸角处设置挑坎，使下泄的水流向上挑起，与坝面上的滑移主流碰撞混掺，从而使紊动区域增大，提高阶梯溢流坝的消能率。
在考虑提高消能率的同时，还应考虑采取一定的掺气措施以减小坝面的负压[9]。
蒋晓光[10]通过对二滩阶梯式过水围堰的模型试验与newmonksville大坝的模型试验结果的对比表明，小的阶梯高度适合于小的单宽流量，其消能率很高；而大的阶梯高度适合于大的单宽流量，但当单宽流量增大到一定值时消能率有明显下降的趋势!
台阶溢流坝在下泄较小的单宽流量时，具有较好的消能效果；在下泄较大的单宽流量时，坝面的消能效果较差，且坝下流速较高，容易引起台阶坝面发生空化空蚀破坏。
对坝高不是太高的台阶溢流坝，在下泄单宽流量较小时利用坝面消能，而在下泄单宽流量较大时则利用坝下较高水体进行消能和保护台阶坝面，不失为一较好的设计思想[11]。
6.水流
6.1阶梯溢流坝面流场的紊流数值模拟
（1）雷诺差分应力紊流模型能够较好的模拟阶梯溢流坝面的流场。
从计算结果明显可见阶梯上出现顺时针旋涡。
（2）阶梯面上的速度场可分为两部分，一是较均匀的滑移水流；二是阶梯内的旋滚水流。
（3）阶梯面上可能出现负压的位置在阶梯立面的上半部分，阶梯水平面上的压力都为正压力，最大值出现于下泄水流冲击的位置。
（4）从紊动能和紊动耗散率的分布可以看出阶梯坝面上水流的紊动特性和能量转换。
随着水流势能向动能转化，水流的紊动能和紊动耗散率都随之增大[12]。
6.2坝下泄单宽流量
影响台阶溢流坝下流速的主要因素是坝下泄单宽流量的大小，而台阶溢流坝坝体高度及坝面台阶高度的变化对坝下游流速的影响相对较小。
因此，在台阶溢流坝的设计中，通过溢流坝体下泄单宽流量大小的选择将是至关重要的[13]。
7.有关裂缝
水工混凝土建筑物的老化过程是渗透力、化学溶蚀、冻害、磨蚀、环境侵蚀等因素长期共同作用的结果。
例如，由于一年四季气温的周期交替变化，冻融破坏常常导致混凝土大坝产生裂缝。
尤其对于地处东北地区的混凝土大坝，大坝混凝土表层疏松剥落、深层冻胀破坏的现象十分普遍。
对于溢流坝段，在高速水流冲刷气蚀作用下，有时会危及大坝的安全运行，首先，带有表面裂缝的混凝土在高速水流所产生的气蚀作用下，引起溢洪道和其他泄水建筑物的严重破坏；其次，混凝土内部膨胀产生裂缝，当水分进入后继续破坏或引起其他形式的破坏，如冻融循环破坏。
裂缝分为早期裂缝和后期裂缝，温度裂缝及施工质量不满足要求是产生早期裂缝的主要成因。
水化热温升阶段在混凝土内产生压应力，后转化为拉应力，产生表面裂缝。
外界气温变化的日温差变幅和寒潮应力，在混凝土表面产生拉应力。
施工质量是引起混凝土裂缝的重要因素，对于不同部位混凝土，尽量安排不同季节施工，更要重视保温及养生[14]。
7.1混凝土破坏准则
在进行结构分析时，对混凝土开裂的判断分下列三种情况：
（1）在进行闸墩裂缝成因分析时，混凝土材料的第一主拉应力超过材料的极限抗拉强度值，则认为材料开裂；
（2）在对闸墩裂缝进行跟踪，判断其是否继续发展时，若有部分混凝土单元的第一主拉应力超过材料的极限抗拉强度值，则认为此处混凝土已经开裂，并将其拉应力予以释放，然后重新进行计算，经过多次迭代计算后，可以跟踪裂缝发展的轨迹；（3）在进行闸墩现状工况多种加固方案研究时，当混凝土材料的第一主拉应力超过材料的允许拉应力时，则认为材料开裂破坏[15]。
7.2溢流坝裂隙
溢流坝段与挡水坝段相比，溢流坝段混凝土受气温影响敏感，溢流坝段冬季上游面混凝土受拉比挡水坝段严重。
通过计算可以看出溢流坝段上游面混凝土拉应力大于挡水坝段。
通过水下电视成果也可以看出，溢流坝段上游面混凝土较挡水坝段裂隙分布密集，破坏程度较重[16]。
8.有关气蚀
气蚀与磨蚀常发生在挑坎、护坦、齿墩与尾槛等部位，除对损坏部分要及时修理外，还应消除气蚀、磨蚀发生的条件。
可通过水工模型验定合适的形状、尺寸，或改善结构布置。
如将消力坎等做成流线型，削去棱角；或将矩形差动坎改为梯形差动坎；或将消力池的尾槛由台阶形改为斜面梳齿形，并尽可能不发消力墩，这样即使有砂石等杂物带入消力池，也会被水流冲掉，不致积存在池内引起磨蚀。
向低压区补充空气减少负压如在差动坎挑流的高坎侧壁开通气孔，通气孔的位置应在模型试验得出的负压部位或稍偏上游。
或加强结构物的抗蚀能力。
如在已经发生或容易发生气蚀的部位采用抗蚀能力强的材料来镶补等等[17]。
9.关于坝下冲坑
坝后无消能措施、无很好的护坦海漫致使冲坑形成。
拦河坝是以壅水建筑物，收它的影响上游水面发生变化，呈现壅水曲线。
当水流过坝，由缓流变急流，坝后流速很大。
过坝水流势能减少动能增加，在河床中消耗能量，产生了冲坑。
坝面偏流坝后迴流对下游河床的破坏。
坝面过水，在设计上是等厚度的，而在实际中式不同的，过坝水流不均匀，形成局部集中流坝后水越长度将大于计算长度而在局部产生冲刷破坏。
迴流对下游河床也产生破坏作用，过坝水流不规则，下游河床不规则，水流扩散不均匀，两岸抗冲强度不同都会产生迴流现象[18]。
10.小结
溢流坝有较好的消能防冲效果，国内建设经验丰富，发展前景广阔有较高的研究价值。
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外文翻译
题目：
重力坝设计
第五章静态和动态应力分析
5.1应力分析
a.一般分析：
（1）用一项对重力坝应力性的分析来确定大坝的规模和整个静态和动态负载条件下的结构的分布应力，并探讨了结构和基础是否满足要求。
通常负载条件调查概述在第四章有表述。
（2）根据大坝的设计水平和类型配置规定的细致要求，重力坝应力分析应用近似简化法或有限单元法。
对于初步设计，根据美国局介绍填海工程（USBR），“重力坝设计”（1976年），简化方法利用二维模型分析悬臂梁或审判负荷捻方法用于三维分析是恰当的。
如果一个更精确的压力调查是必需的，通常在特性研究和最后设计阶段应用有限元方法。
b.有限元分析
（1）有限元模型，用于大坝和地基相互作用的线性弹性静态和动态分析和非线性分析。
有限元方法提供了造型复杂的几何图形和广泛变化材料特性的能力。
在边缘应力、周围开口和紧凑的区域可以近似地用有限元模型。
它可以模拟混凝土放热现象和耦合热应力与其他负载。
这种方法的一个重要优点是可随时地对涉及各种材料的复杂基础、接缝的薄弱连接点进行压裂模拟。
CG-DAMS（Anatech1993年）是专门的混凝土重力坝分析，特别是以计算机程序为目的而设计的，它执行静态、动态和非线性分析，并包括弥散裂缝模型，其中包括离散开裂断裂力学模型的MERLIN（萨乌马1994年）。
（2）二维，有限元分析，一般适用于混凝土重力坝。
设计者应该注意到，实际结构是三维的，并应审查分析以保证二维近似值可以接受和现实。
长期以来传统的混凝土大坝与横向收缩缝，没有键控关节，二维分析应合理正确。
位于狭窄山谷结构之间陡峭的桥台和堤坝，各种山谷的不同岩石模量是必要的三维建模条件。
（3）特殊目的方案有重力坝地震分析，包括水动力相互作用（EADHI）（Chakrabarti和普拉1973年）和地震混凝土重力坝其中包括水动力响应与地基相互作用的影响（EAGD84）（乔普拉，Chakrabarti，和Gupta1980），它们都是平面结构的动态反映。
为了动态输入这两个程序应用了加速时间记录法。
SDOFDAM计划是一个双向电泳有限元模型（Cole和颊1986）用来计算水动力荷载，计算使用乔普拉的简化程序。
有限元程序如:
GTSTRUDL，SAP软件，ANSYS软件，ADINA软件，和ABAQUS软件为静态和动态建模提供了大体上的功能。
5.2动态分析
地震荷载的结构分析包括两个部分：
一个是近似的位置和滑动稳定性分析，使用适当的抗震系数（见第4章）；另一个是动态内应力分析。
如果以下条件存在应用随点而定的地震地面活动：
a大坝大于等于100英尺，当地峰顶加速度（PGA）大于0.2g的最大可信地震。
b大坝不到100英尺，PGA大于0.4g的最大可信地震。
c有闸门溢洪道坝段，宽道路，通风结构，或规则与不规则的其他坝段。
d大坝是因为事故，老化，或恶化的削弱情况。
动态应力分析的要求在这种情况下将在CECW-ED部门监督下进行逐项基础审核。
5.3动态分析法
执行动态分析程序包括以下内容：
a审查地质学，地震学，构造布置。
b确定地震的来源。
c选择待选取的最大可靠的地震震级和运行基础运行的地点。
d选择待选取地震的衰减关系。
e根据在现场最严重的地震动，选择控制最大可信和运行的候选基础地震。
f选择控制地震的设计反应范围。
g选择适当的加速度—时间记录，如果加速度—时间分析是必要的，这个记录是用来整合设计反映范围。
h选择混凝土和基础的材料动态特性。
i选择用来分析的动态分析方法。
j执行动态分析。
k动态分析评估。
5.4跨学科的协调
一个动态分析需要的工程地质队，地震学家和结构工程师。
他们必须以综合的方法协同工作，使各部门不那么独立。
例如使用不当的保守做法有使用少见的MCE，PGA的上限值，设计反映范围的上限值，保守范围的上限值，来确定抗震结构。
在执行动态分析的步骤时应充分协调，以制定一个合理的保守设计并考虑相关的风险。
该结构工程师负责的动态结构分析应积极参与这一地震地面运动特征的进程（见表5-6为动态分析方法所需的形式），并使用表格所需的动态分析方法将。
5.5反映与地震相关的性能标准
a最大可信地震。
重力坝没有控制MCE的能力将不能生存，将导致生命损失或重大财产损失。
具有一定危险的非弹性行为在MCE控制下是可允许的。
b基础运行地震。
重力坝应够控制OBE弹性的范围内，继续开展工作，而不需要大量的维修。
Jīngyíngjīchǔdìdìzhèn.Zhònglìbàyīng
Zàibèidǐzhìdekòngzhìnénglìchūqiào
Tánxìngfànwéinèi,jìxùkāizhǎngōngzuò,érbùxūyàodàliàngde
Wéixiū.
5.6地质和地震调查
所有水库的地质和地震调查必须在位于2到4区的地震区。
调查的目的是建立控制最大可靠的基础地震操作和相应的地面工作，并评估诱发现场地震基础脱位的可能性。
下面讨论地震控制的选择。
额外信息也可在TM5-809-10-1找到。
5.7选择控制地震
a最大可信地震。
选择控制MCE的第一个步骤是指定震级/或修改MCE的梅尔卡利（MM）强度为各地震构造结构或资源区域提供现场检查。
第二个步骤是根据大坝主要频率范围内的最严重的地震震动，选择控制MCE和确定的基础脱位，如果有的话，还有现场制作的能力。
如果有超过一个MCE产生对大坝反应具有重要意义的大规模地面运动的不同频率，每个MCE都应该被认为是可控制的。
B基础运行地震
（1）该OBE的选择是根据为保护工程免受地震损伤和损失大坝耐久的理想水平。
新水坝的工程寿命通常是是100年。
对于在工程寿命期间超标的OBE的概率应该是不大于百分之五十，除非一个更为严重地震，使得地震的设计成本的节省超过了维修成本和维修的损失的承担风险。
（2）OBE的可能性分析包括发展各震源的大量的频率或震中强烈频率（反复出现）；设计从原始或过去资料到预测未来发生的反复出现的数据；削弱严重参数，通常要么选择MM强度的PGA，要么现场确定；确定现场的控制循环关系；最后，根据超标值和工程寿命的可能性选择地震的设计标准。
5.8地质运动的特征
a一般情况下
在指定（或震中强度）每个候选地震的位置和适当的区域衰减关系的震级之后，地面运动的震动特性预测就可以决定了。
地面运动的振动有各种方式的描述，如峰值，运动参数，加速度，时间记录（加速度），或反应频谱（海斯1980年，Krinitzsky和马库森1983）。
对于混凝土坝的分析和设计，地面运动振动的控制特性应该是一个依靠现场的设计领域。
b特殊现场的设计反映范围。
（1）只要有可能，特殊现场的设计反映范围应当从地震的强烈运动记录有统计地发展，这些记录要有相似的环境和植被用以记录与其相似的水坝地震情况。
重要的自然性质，包括规模，如果可能还包括，故障类型和构造环境。
传输路径属性包括距离，深度和衰减。
要有尽可能多的加速度图，这些图是用来在可比条件下记录和有类似的突出频率情况时选择设计地震，应包括设计反应区的开发。
此外，加速度应选择已更正的
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