工作任务五 溢流重力坝

坝身设有溢流面、底孔、中孔的重力坝称为泄水重力坝。它既是泄水建筑物，又是挡水建筑物。因此它除了应满足挡水建筑物的稳定强度要求外，还应满足水流条件、解决好下泄水流对建筑物可能产生的空蚀、振动以及对下游的冲刷。

一、泄水重力坝的泄水方式

1.坝顶溢流式

这种溢流形式从坝顶过水，闸门承受水头较小，孔口尺寸可以较大；闸门全开时，下泄流量与水头的次方成正比；闸门启闭方便，易于检查修理；可以排冰及其他漂浮物，但不能预泄。

2.大孔口溢流式

为满足预泄要求将堰顶高程降低，利用胸墙挡水减小闸门高度；低水位时胸墙不影响泄流，和堰顶泄流相同；胸墙可以做成活动式的，当遇特大洪水时，可将胸墙吊起来；库水位较低时，不能供水和放空检修。

3.深式泄水孔

按孔内流态可分为有压泄水孔和无压泄水孔。流量与水头的1/2次方成比例，超泄能力小；闸门承受水头高，操作、检修都比较复杂；可向下游供水、预泄、放空、排沙和施工导流。

以上三种方式各有特色，应结合具体情况比较选择，一般可配合使用，但为简化结构、便于施工和运用，类型不宜过多。

二、溢流重力坝的剖面设计

溢流坝基本剖面的确定原则与非溢流坝完全相同，为满足泄水的要求，其实用剖面将坝体下游斜面修改成溢流面。溢流面形状应具有较大的流量系数，泄流畅通，坝面不发生空蚀。

溢流坝由顶部曲线、中间直线段和下部反弧段三部分组成，如图2-18所示。

1.顶部曲线段

溢流坝顶部曲线段的形状对泄流能力及流态影响很大。

当采用坝顶溢流孔时，其坝顶溢流常采用非真空实用断面堰。其曲线为克—奥曲线和幂曲线（WES），如图2-19所示。

WES曲线的主要优点是流量系数较大，断面较瘦，工程量较小；以设计水头运行时，堰面压力分布合理，无负压；坝面曲线用方程控制，便于设计施工。在我国得到广泛应用。

2.直线段

直线段的坡度取用非溢流坝下游坡度，并作调整，使其与非溢流坝在同一平面，上部与溢流曲线相切，下部与反弧段相切。

3.反弧段

下游反弧段是使沿溢流坝面的高速水流平顺地转向的工程设施，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，其反弧段半径，应视下游消能设施而言。不同的消能设施可选用不同的公式。

对于挑流消能，反弧段半径可按下式计算：

式中 h——校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深。R的取值，反弧段流速v&lt；16m/s时，可取下限，流速越大，反弧半径也宜选用较大值。对于底流消能，反弧段与护坦相连时，宜采用上限值。

4.实用断面设计

溢流重力坝的实用剖面也是由三角形基本剖面修改而成。在溢流面曲线段、直线段和反弧段根据水力学条件确定后，可用基本剖面与溢流面曲线相拟合，形成如下几种可能的实用面，溢流坝的实用剖面如图2-20所示。

三、溢流坝的消能与防冲

通过坝体的下泄水流具有很大的能量，当水位差为40m时，单宽流量q=50m³/s，1m宽河床内的水流动能可达24000匹马力，如此巨大的能量主要消耗于两个方面：一是水流的内部损耗，如摩擦、冲击、紊动、漩涡；二是水流与固体边界作用，如摩擦、冲刷等。当冲刷扩展到坝基时，就会危及坝体安全。所以消能措施的合理选择和设计，对枢纽布置、大坝安全及工程都具有重大意义。

消能设计原则：①尽量增加水流的内部紊动；②限制水流对河床的冲刷范围。

常用消能方式有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能。

1.底流消能

底流消能是在坝趾下游设消力池、消力坎等，促使水流在限定范围内产生水跃，通过水流的内部摩擦、掺气和撞击消耗能量。如图2-21所示。

使用条件：能适应高、中、低各级水头和不同地质条件，在软基上的闸坝工程中采用十分广泛。当高坝下游基础软弱或挑流雾化对建筑物和设施的运行有较大影响时，也考虑底流消能。

优点是雾化范围小，流态稳定，消能率高达60%～70%，消能效果好。在地质条件较差或中、低水头水电站中得到广泛应用。缺点是底流消能工是一种耗费较大的消能设施，工程量较大，造价较高。高水头运行时，护坦前部水流流速较大，对消力池底板的冲刷严重，易出现空蚀。

根据尾水深度小于、等于或大于水跃跃后水深，下泄水流将出现远离式、临界式和淹没式水跃三种衔接流态。临界式水跃的水流能量损失最大，其消能效果最好，但由于临界式水跃不稳定，很容易转变为远离式水跃。远离式水跃对水利工程最为不利，因其急流段长，所需加固的河段较长，不经济，所以不采用。一般选取淹没系数为1.05～1.10的淹没式水跃衔接形式最好。当泄水建筑物下游水流的自然衔接形式为远离式水跃衔接或临界式水跃衔接时，需在下游设置消能工迫使下游发生淹没式水跃衔接形式。

2.挑流消能

利用鼻坎将水流挑向空中，并使其扩散，掺入大量空气，然后落入下游河床水垫，形成旋滚，消耗能量约20%。起初冲刷河床，形成冲坑，达一定深度后，水垫加厚冲坑趋于稳定，如图2-22所示。

使用条件：挑流消能应用较广，适于基岩比较坚固的中、高水头的各类泄水建筑物。

优点是结构简单，挑流鼻坎的体形变化具有很大的灵活性，适应下泄单宽流量和尾水变幅的范围较大，可以利用不同坎型改变射流形状与分散度，调整水舌入水单位面积流量，改善消能效果，减少下游防冲措施，节省工程投资。

缺点是对下游河床冲刷较为严重；下游产生强烈的回流，会造成岸坡的严重冲刷；冲坑下游的堆积物较多，可能使下游河床变形，将抬高尾水，应先供电站处理机通航；挑流引起雾化，处理不当可能影响枢纽特别是电站的正常运行。

选择鼻坎的型式有扩散坎、连续坎、差动坎、斜挑坎、扭曲坎、高低坎、窄缝坎和分流墩等。

3.面流消能

当下游水位较深而且比较稳定时，在泄水建筑物的出流部分设置挑坎，将下泄水流导致下游水域的表层，主流与河床之间有巨大的反向旋滚隔开，从而避免了高速主流对河床的冲刷。余能主要通过水舌扩散、流速分布的调整以及底部旋滚与主流之间的相互作用消除。由于衔接消能段的高速主流位于表层，故称为面流消能。

适用条件：适用于水头较小的中、低坝；下游水位较深，流量变化较小，水位变幅不大；有排水、漂木要求的情况。

优点是由于主流在下游河床一定距离内集中在表层，从而大大减轻了对下游河床的冲刷。另外，面流消能工具有结构简单、工程量省、施工期短等优点。缺点是面流消能工消能效率不高；下游水面波动大；影响电站稳定运行和通航。

4.消力戽消能

消力戽的构造类似于挑流消能设施，但鼻坎潜设在水下，下泄水流在被鼻坎挑流到水面时，形成涌浪，同时消力戽内、消力戽下游的水流底部及消力戽下游的水流表面形成三个旋滚，即所谓“三滚一浪”，进而达到消能目的，如图2-23所示。

消力戽的作用主要在于使消力戽内的旋滚消耗大量能量，并将高速水流挑至水面，减轻对河床的冲刷。

适用条件：适用于下游尾水较深（大于跃后水深）且变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸抗冲能力较强的情况。

优点是工程量比消力池省，冲刷坑比挑流消能小，不存在雾化问题。缺点是下游水位波动较大，延绵范围较长，易冲刷河岸，对航运不利，底部旋滚会把河床砂石带入戽内，磨损戽面，增加维修费用。