任务五 了解溢流重力坝和重力坝泄水孔
一、溢流重力坝
溢流重力坝既能挡水，又能通过坝顶泄水，所以它既是挡水建筑物，也是泄水建筑物。因此它不仅要满足稳定和强度要求，还要有适宜的剖面形状以满足泄水的要求。
溢流重力坝基本剖面的确定原则与非溢流重力坝完全相同，但实用剖面则以保证泄水安全为设计条件，即要满足以下要求：
（1）溢流坝应具有足够的泄水能力。
（2）泄水时水流顺畅，坝面无振动、空蚀破坏现象。
（3）保证下游不产生对大坝和其他建筑物的冲刷破坏。
（4）泄洪时不影响其他建筑物的正常工作。
（5）闸门结构型式合理，控制灵活、方便（有的溢流重力坝可以不设置闸门）。
（一）溢流重力坝泄水方式
溢流坝的泄水方式有堰顶溢流式和设有胸墙的大孔口溢流式两种。
1.堰顶溢流式（图2-12）
由于属于自由泄流，所以堰顶溢流式的溢流孔除泄洪外，还可以用于排冰凌、漂浮物等。堰顶根据水库运用要求可以设闸门，也可以不设闸门。
图2-12 堰顶溢流式
图2-13 设有胸墙的大孔口溢流式
设置闸门的溢流坝其堰顶低于正常蓄水位，所以可以利用部分有效库容通过闸门的不同开启度进行调洪，这样就降低了大坝的高度，减少了上游的淹没损失，且超泄能力强，在大中型工程中运用较多。
不设闸门的溢流坝其堰顶和正常蓄水位平齐。当水位超过正常蓄水位时就自动泄洪，无闸门控制，所以调节洪水的能力差，但是结构简单、运行管理方便。适用于洪水流量大及上游淹没损失不大的中小型工程。
2.设有胸墙的大孔口溢流式（图2-13）
由于带有胸墙，所以设有胸墙的大孔口溢流式主要是泄洪，不利于排冰凌、漂浮物等（胸墙是活动式、可以吊起的除外），堰顶高程低，一般需要设闸门。
其堰顶高程低，此时胸墙可以降低闸门的高度。当水位低于胸墙时为堰顶溢流，当水位超过胸墙时为孔口溢流，故超泄能力较差。但是由于堰顶高程低，可以提前泄洪，提高水库调洪能力，适用于挡水位较高而且流量较小的水闸。
（二）溢流重力坝孔口确定
1.单宽流量q的选择
单宽流量q是决定孔口尺寸的重要指标，在下泄流量一定时，q越大，溢流坝的长度越短，交通桥、工作桥等造价越低，枢纽布置越容易，但闸门、闸墩的高度越高，对下游下能防冲要求越高。q的取值应通过技术经济比较确定，一般河谷狭窄，下游水深较大，基岩坚硬抗冲能力强时，应选用较大的单宽流量，反之应选用较小的单宽流量。
工程实践证明：一般当河谷狭窄，下游水深较大，基岩坚硬抗冲能力强时，可选用较大的单宽流量；当河床岩石软弱，存在不利的地质构造等缺陷时，宜选用较小的单宽流量。对于软弱基岩常取q＝25～50m3/（s·m），较好的岩石q＝50～70m3/（s·m），特别坚硬基岩取q＝100～120m3/（s·m）或更大。近年来随着消能技术的不断进步，q的取值有继续加大的趋势。贵州乌江渡拱形重力坝，设计情况单宽流量为165m3/（s·m），校核情况达200m3/（s·m）以上。国外有的工程采用的单宽流量达300m3/（s·m）以上。
2.下泄流量的确定
溢流坝的孔口尺寸主要取决于通过溢流口下泄的洪水流量Q泄。要确定通过溢流口下泄的洪水流量，需先通过调洪演算确定整个枢纽工程下泄的总洪水流量Q总。
3.溢流坝段的前缘长度的确定
单宽流量q和Q泄得到后，溢流孔的净宽度B＝Q泄/q。
溢流坝段的前缘长度：
图2-14 堰顶水头示意图
n与b是相互影响的，应考虑闸门的型式、制造能力、跨度与高度的适宜比例及运用要求、坝段分缝等因素。当闸孔数目不多时，为保证下泄不同流量时的水流对称，一般选单数。每孔净宽b若过大则闸门尺寸、启闭力及桥的跨度均要加大，闸门制造困难，安装也较复杂。如果b过小，则又增加闸门和闸墩的数量，使运用不便，并增加溢流坝段的前缘长度。对于大中型混凝土坝，一般b＝8～16m，有排漂浮物要求时，可加大到18～20m。弧形闸门的适宜宽高比为1.5～2.0，平面闸门也有采用窄而深的。为了便于闸门的设计和制造，应尽量采用规范推荐的尺寸。
4.堰顶高程的确定
（1）当为堰顶溢流时：
堰顶高程＝设计洪水位-HZ，经过调洪验算得到设计洪水位及下泄流量后，就可以计算出堰顶水头HZ，如图2-14所示。
（2）当为孔口泄流时：
（三）溢流重力坝剖面确定
1.溢流面组成
溢流重力坝的剖面与非溢流重力坝剖面类似，在基本三角形剖面的基础上与溢流面拟合修改得到，所以只是多一个溢流面。溢流面由顶部溢流段、中间直线段和底部反弧段组成，如图2-15所示。
图2-15 溢流重力坝溢流面组成及其与基本三角形剖面拟合示意图
2.体型布置
溢流重力坝剖面要与非溢流重力坝基本三角形剖面相适应，并尽量与三角形上游面保持一致。当溢流重力坝剖面小于基本三角形时，可以适当调整堰顶曲线，使其与三角形斜边相切。溢流重力坝剖面大于基本三角形时或溢流坝下游坝坡较基本三角形缓时，可考虑将鼻坎超出部分与坝体用缝分开。
当地基较差，溢流坝顶部孔口削弱了大量坝体自重，坝体稳定性受到极大影响，此时溢流坝可以做出折坡。
当地基较好，溢流重力坝剖面大于基本三角形较多时，为节约工程量，可以让下游面与基本三角形一致，将堰顶突出，突出部分高度应该大于0.5倍堰顶最大水头，做成堰顶悬臂。
3.顶部曲线段
（1）开敞式自由溢流顶部曲线段。
1）堰顶下游曲线段。对于开敞式自由溢流工程实践中普遍采用幂曲线（也叫WES曲线），幂曲线具有流量系数大、坝体较瘦、坐标定位方便的特点，原点为堰顶，其方程为
2）堰顶上游曲线段。工程中可以采用三种曲线。
双圆弧曲线（图2-16）：图中R1、R2、a、b等参数参看《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2005）。
图2-16 堰顶上游为双圆弧曲线、下游为幂曲线
图2-17 堰顶上游为三圆弧曲线、下游为幂曲线
三圆弧曲线（图2-17）上游堰面铅直。
椭圆曲线（图2-18）：其方程为
＝1，其中a、b参数参看《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2005）。
图2-18 上游堰面倒悬，为椭圆曲线，下游为幂曲线
（2）设有胸墙的顶部曲线段。
1）堰顶下游曲线段：胸墙孔口的实用堰堰面采用抛物线时（图2-19），校核洪水位时的最大堰顶作用水头（孔口中心线以上）与孔口高度的比值大于1.5，或闸门全开时仍然属于孔口泄流，原点为堰顶，其方程为
2）堰顶上游曲线段。工程中可以单圆、复合圆弧、椭圆曲线。
4.中间直线段
中间直线段上部与幂曲线相切，下部与反弧段相切，斜率尽量保持与基本三角形一致。
5.底部反弧段
底部反弧段是将下泄水流平顺转向下游，一般采用圆弧曲线段。一般R愈大，反弧段的流速分布愈均匀，动水压强小，与下游的衔接好，其半径应该结合下游消能设施来确定。对于不同的消能设施采取不同的公式计算，对于挑流消能及底流消能圆弧段半径R＝（4～10）h，h为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点的水深，流速越大或采用底流消能时，半径R应该取值越大。挑流鼻坎采用连续坎时（图2-20），挑射角一般采用15°～35°，深水河槽可采用15°～20°；采用差动坎时（图2-21），研究表明挑角差值为5°～10°较好。挑坎高程应高于下游水位1～2m。挑射距离以及最大冲坑水垫厚度可以参看《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2005）。
图2-19 带胸墙堰顶下游抛物线
图2-20 连续式鼻坎挑流挑射
θ—挑射角度；L—挑距；tk—最大冲坑水垫厚度；t′k—最大冲坑深度
（四）溢流重力坝下游消能措施
溢流重力坝在泄水的过程中水流的位能会转化为动能，一般流量很大，所以下泄的水流具有很大的能量，常高达几百万甚至几千万千瓦，如不采取有效的消能措施进行消能，下游河床及两岸将遭到冲刷破坏，当冲刷扩展到坝基时，就会危及大坝的安全。
溢流重力坝下游消能的方式有挑流消能、底流消能、面流消能、消力戽消能，都是要达到消除多余能量的目标，这里介绍工程建设中最为常见的消能方式。
1.挑流消能（图2-20）
（1）挑流消能原理。挑流消能是利用反弧段末端的挑流鼻坎，将下泄的高速水流抛射到空中，使水流扩散，并掺入大量空气，然后跌入下游河床的水垫中，产生强烈的旋滚形成冲刷坑，冲坑逐渐趋于稳定后大量的能量消散在冲刷坑内水滚的摩擦中。
（2）挑流消能特点及适用条件。挑流消能工程量小、结构简单、投资小、检修施工方便，但是局部冲刷严重、堆积物多、尾水波动和雾化大。一般峡谷河段的水利枢纽多以挑流消能为主，但是在河谷狭窄、单宽流量大、水头高的情况下，其冲刷坑较深，坑后堆丘高，会影响两岸坝肩稳定和降低电站出力。
图2-21 梯形差动式与矩形差动式鼻坎
挑流消能适用于中、高坝或岩基好的情况，低坝论证后可以使用。当坝基有延伸至下游的缓倾角软弱层面时，由于冲刷产生临空面会危及大坝安全，或岸坡可能会冲毁、影响坝肩稳定时，不合适挑流消能。
图2-22 底流消能
2.底流消能（图2-22）
（1）底流消能原理。下泄的水流从堰面的急流到下游的缓流中，在下游会产生特殊的水力现象——水跃。底流消能是在下游设置消力池、消力坎或其他辅助消能设施，使下泄水流产生水跃，所以底流消能主要是利用水跃消能。消能主要依靠水跃产生的表面旋滚与底部主流间的强烈撞击、掺混作用。
（2）底流消能特点及适用条件。底流消能的流态稳定，消能效果好，对地质和尾水变化适应能力强，雾化小，但是不宜排漂和排冰，护坦长，土石方开挖量和混凝土方量大，投资大。
底流消能一般适用于中、低坝或坝基岩石比较软弱的河道，高坝通过论证也可以采用。
二、重力坝的泄水孔
1.泄水孔的作用
重力坝的泄水孔，一般位于深水之下，又称底孔，其作用如下：
（1）预泄库水，辅助泄洪，以利调洪。
（2）放空水库，以便检修和满足人防要求。
（3）排放泥沙，减少水库淤积。
（4）向下游放水，满足灌溉、航运和供水要求。
（5）施工导流。
在工程设计中应尽量考虑“一孔多用”，如导流与放空、发电与灌溉相结合，以简化结构布置，降低工程造价。
2.泄水孔的特点
（1）孔内流速较高，容易产生负压、空蚀和振动。
（2）闸门在水下，检修较困难。
（3）闸门承受的水压力大，启闭困难、门体结构较复杂。
3.泄水孔的类型
按孔内流态分为有压泄水孔和无压泄水孔，区分有压还是无压关键是孔内有无自由水面。发电孔为有压孔，其他用途的泄水孔或放水孔，可以是有压或无压的。有压泄孔的工作闸门一般设在出口，无压泄水孔的工作闸门和检修闸门一般设在进口。
按深孔的高程分为中孔和底孔。
4.泄水孔的布置
泄水孔宜布置在河槽部位，以便下泄水流与下游河道衔接。当河谷狭窄时宜设在溢流坝段，当河谷较宽时，则可考虑设于非溢流坝段。其进口高程在满足泄洪任务的前提下，应尽量高些，以减小进口闸门上的水压力。
灌溉孔应布置在灌区所在一侧河岸的坝段上，以便与灌溉渠道连接。其进口高程则应根据坝后渠首高程来确定，必要时也可根据泥沙和水温情况分层设置进水口。
排沙底孔应尽量靠近电站、灌溉的进水口以及船闸闸首等需要排沙的部位，但其流态不得影响这些建筑物的正常运行。
发电进水口的高程，应根据水利动能设计要求和泥沙条件确定。一般设于水库最低工作水位以下，并应高出淤沙高程以上。
为放空水库而设置的放水孔、施工导流孔一般均布置得较低，多称为底孔。