第五节 溢流重力坝

6、下游折冲水流及其防止
发生原因： 开启部分泄水孔，下游水流不能迅速在平面上扩散，在主流 两侧容易形成回流，主流受到压缩，使水流单宽流量增加， 流速在长距离内不能降低，引起河床冲刷。如两侧回流强度 不同，水位不同，还可将主流压向一侧，形成折冲水流。 危害： (1)冲刷河床和河岸； (2)影响航运； (3)电站尾水形成回流，抬高尾水，损失电能（落差减小）采取 防止措施： ①布置上，尽量使溢流坝下游水流与原河床主流位置方向一 致； ②运用管理，闸门均可开启，或对称开启； ③布置导流墙
设有胸墙的溢流面曲线
上述两种堰面曲线是根据定 型设计水头确定的．当宣泄 校核洪水时，堰面出现负压 值应不超过3—6m水柱高。
x2 y 4 2 H d
3.中间直线段 中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度与 非溢流坝的下游坝坡相同。 4、溢流坝下游反弧段 下部反弧段是使沿溢流坝面下泄的高速水流平 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定。
Q=Qs-aQo
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=50～100 m3/(s·m)；特别坚硬的岩 石q=100～150 m3/(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。
消能方式 底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等。 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。 3、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。该消 能方式优点：简单、经济、工期短；缺点：尾水活动比 较大，雾化大，影响电站工作。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。
一 溢流坝的剖面
溢流重力坝既能挡水又能通过坝顶溢流。因此， 坝体设计除要稳定和强度计算与非溢流坝相同外， 还涉及到泄流的孔口尺寸、溢流堰形态用断面是将 三角形上部和坝体下游 斜面做成溢流面，且溢 流面外形应具有较大的 流量系数，使泄流顺畅， 坝面不发生空蚀。
5、消力戽
适用：尾水深、变幅小、无航运要求，下游河岸有一定抗冲 能力。 特点：消力戽是以模型试验为基础研究成功的一种消能的方 式,它是利用一个较大的反弧半径和挑角形成的戽斗、 在一定尾水深度的作用下，使从溢流坝下游的高速水 流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，并使出戽的高速水 股在底部及尾水中均产生旋滚，以达到较好的消能效 果。30年首先在美国大苦力坝中采用，我国安康采用。 优点：工程量较消力池小，冲刷坑比挑流式浅，不存在雾化 问题； 缺点：下游水面波动大，易冲刷岸坡，不利航运，戽面磨损 率高，增大了维修费用。
差动式挑流鼻坎
优点：设置高低坎，射流挑离鼻坎时上下分散，加剧了挑射水舌在空 气中的掺气和碰撞，，加大空中耗能，减小入水的单位面积上 的能量，下游波动也小些，可提高消能效果，减小冲刷坑深度 。 型式：矩形和梯形齿坎； 缺点：但冲刷坑最深点距坝底较近，鼻坎上流态复杂，特别在高速水 流作用下易于空蚀。矩形侧壁易产生较大负压；梯形施工复杂。
溢流坝的堰面曲线
溢流坝由顶部溢流 面曲线段、中间直 线段和下部反弧段 组成 。
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
1.顶部曲线段 (1)为控制流量的关键部位。 (2) 规范规定： 溢流坝段的堰面曲线，当采用开敞式溢流孔时可采用幂 曲线；当设有胸墙时，可采用孔口泄流的抛物线。。 溢流坝顶曲线的形状对泄流能力及流态影响很大。当采用坝顶溢流 孔口时，其坝顶溢流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。
弧形闸门
平面闸门 检修闸门 浮箱闸门 叠 梁 活动式：门机
2.启闭机
固定式：卷扬式启闭机
(二)闸墩、工作桥和交通桥 闸墩用来分孔，承受闸门传来的水压力，支承 工作桥和交通桥
2.闸墩厚度
闸墩厚度与闸门形式有关。采用平面闸门时需设闸 门槽，工作闸门槽深0· 5～2· om，宽1～4m，门槽处的闸 墩厚度不得小于1～1．5m，以保证有足够的强度。弧形 闸门闸墩的最小厚度为1．5～2．0m。如果是缝墩，墩厚 要增加o．5～1．0m。由于闸墩较薄，需要配置受力 钢 筋和温度钢筋。
3、溢流坝段的总长度 (1)单宽流量q确定以后,溢流前缘总宽度L L= Q溢/ q （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=L/n，d为 闸墩厚度，则溢流前缘总宽度L0为: L0 =n×b+（n-1）d （m）
三、溢流坝的结构布置
(一)闸门和启闭机 工作闸门 1.闸门 事故闸门 平面闸门
3.闸墩的长度和高度 闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥 和启闭机械的要求 。 4.边墩和导墙 溢流坝两侧设边墩也称边墙，一方面起闸墩的作用， 同时也起分隔溢流段和非溢流段的作用。
四、溢流坝的下游消能措施
通过溢流坝下泄的水流具有很大的动能,常高达几百万 甚至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。 1.消能工的设计原则 (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。
二、孔口尺寸的拟定
溢流坝孔口尺寸拟定包括过水前缘总宽度，堰顶高程， 孔口数目、尺寸等其中孔口拟定和布置涉及因素许多 如：洪水设计标准、下游防洪要求、库水位雍高有无 限制、是否利用洪水预报、过水方式以及枢纽地形、 地质条件等。 1.下泄流量的确定 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，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，再减去泄水孔和其它建筑物下 泄流量之和Qo
第五节 溢流重力坝
溢流重力坝的工作特点
溢流重力坝既能挡水又能通过坝顶溢流,又是泄水建 筑物,它主要承担泄洪保坝、输水供水、排沙、放空水 库、施工导流等任务。溢流坝除具有非溢流坝相同的工 作条件外，同时又要满足泄洪要求，因此，坝体设计除 要满足稳定和强度要求外，还要满足下列要求： 1、要有足够的泄水能力（孔口尺寸、孔口体形、流量 系数） 2、除了满足强度稳定条件外，还要满足泄洪要求（要 尽量减小高速水流带来的问题：负压、振动；下游流态 平瞬，减小局部冲刷；控制水流设备）
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高 的流量系数。 2.使水流平顺地流过坝体，不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局部冲刷 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。
4、面流式消能
适用于中小型工程，水头低，下游水深大且变幅小。 消能特点:利用鼻坎将主流挑至水面，在鼻坎附近表面主流与 河床之间形成逆向旋滚。使高速水流与河床隔开，避免对坝趾 附近河床的冲刷，主流在水面逐渐扩散消能，反向旋滚也可消 除一部分能量。 优点:面流消能不需设护坦和其他加固措施 缺点:高速水流在表面、伴有强烈的波浪、绵延数里，影响电站 运行及下游通航，易冲刷两岸
（1）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。 (2）常用的挑流鼻坎型式 连续式、差动式、窄缝式和扭曲式等
连续式鼻坎
优点：构造简单，易于施工，射程远，水流平顺，很 少产生空蚀，水流雾化较轻。 缺点：掺气作用较差。适用于尾水较深，基岩较为均一、坚 硬及溢流前沿较长的泄水建筑物。 鼻坎高程：一般高出下游最高水位1~2m，现有低鼻坎挑流低 于下游最高水位，如浸窝。 鼻坎挑射角一般θ=20～35°，深水河θ=15~20°。(在45 °以内，角 度愈大，挑射距离愈远，但入水角度也大，冲刷坑也愈深)，R 过小时，水流转向不平顺；过大时，鼻坎向下游延伸太长，增 大工程量。