《高坝泄洪消能》课程论文

我国目前高坝泄洪消能设计的特点***(**大学建筑工程学院，天津 300072)摘要：高坝泄水建筑物泄水，携带巨大能量，必须慎重处理，精心选择泄水建筑物和消能结构，才能保证大坝的整体安全。

近年来，随着一批高坝的设计、建设和运行，我国的高坝泄洪消能技术取得了很大进步，主要表现在坝身泄洪和岸边溢洪洞泄洪消能技术的应用，泄洪消能建筑物趋于集中布置的特点，以及我国新型消能技术的发展。

关键字：水工结构；泄洪消能；综述；特点China's current energy dissipation featuresOf dam design***(School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072)Abstract:The dam sluice discharge structure, carrying tremendous energy,requires careful consideration, carefully selected discharge structures andenergy dissipation structures, to ensure the overall safety of the dam. In recentyears, with some of dam's design, construction and operation, China's energydissipation technology has made great progress, mainly in the dam spillway andthe shore, Spillway energy dissipation technology, Energy dissipation structurestend to focus on building layout features, as well as China's new energydissipation technology.Keywords: Hydraulic structures; energy dissipation; Summary; characteristics0 引言我国水能资源丰富，全国水能资源理论上蕴藏量6.94亿kW，技术可开发量4.02亿kW。

进入21 世纪以来，随着我国能源发展战略的实施和电力体制改革中市场竞争机制的成功引入，我国水电开发开始进入快速发展期。

水利水电工程挡水、泄水和发电三大建筑物布置中，泄水建筑物布置及泄流消能结构选择尤为重要。

因为筑坝雍高水库水位，泄水建筑物泄水时，携带巨大能量，必须在坝下河床较短距离内集中处理，如果处理不慎，就会造成泄水建筑物破坏，从而影响水电工程的安全运行。

因此高水头、大流量泄水建筑物是保障水电工程安全并充分发挥经济效益的关键。

另一方面，泄水建筑物和消能建筑物费用很高，有的工程甚至占到水工建筑物费用的1/3。

因此，精心布置、精心研究、精心选择泄水建筑物和消能结构尤为重要。

1 我国泄洪消能建筑物的特点受河流的水文特性和地形条件的影响，我国一般大型工程枢纽的泄流消能建筑物具有以下特点：⑴水头高：如二滩水电站坝高240m，锦屏305m，小湾和溪洛渡工程接近300m。

泄流水头一般为坝高的0.5～0.8倍，流速大（一般超过30m/s，有的超过50m/s），高速水流问题十分突出。

⑵流量大：国外高坝设计泄洪流量超过10000m3/s的工程不多，二滩已超过20000m3/s，溪洛渡工程超过40000m3/s，而三峡工程通过坝身泄水建筑物的流量接近80000m3/s。

⑶河谷狭窄，导致泄水建筑物单宽流量大，过去一般认为单宽流量过100～150m3/s已属于大单宽流量，目前由于消能技术的发展，单宽流量已经突破200m3/s，少数已突破300m3/s。

⑷泄流功率巨大，下泄功率达数千万千瓦至上亿千瓦。

如此巨大地能量需要安全泄放，使泄流消能任务相当繁重，给消能防冲设计带来极大地挑战，成为筑坝的关键技术难题之一[1]。

近些年来，我国一直处于水电开发与建设的高峰期，大量的实际需求促进了高坝泄洪消能技术的发展与进步，泄洪消能设计任务越来月繁重。

尤其是峡谷河床的高拱坝，通过坝身宣泄大量洪水，泄流集中，泄洪功率大，泄洪消能和防冲设计是工程的关键技术问题之一。

从水力学角度看，我国高坝建设普遍存在高水头、大流量、窄河谷的技术特点，而且对于许多大型水电站而言，上述难点往往同时存在，对高坝泄洪消能技术研究提出了很高的要求。

近年来，我国正在和已经建设三峡、小湾、溪洛渡、向家坝、白鹤滩、锦屏、双江口等一批战略性工程，其规模巨大，工程与社会条件都十分复杂，技术难度很高。

来自工程实践方面的技术需求，大大促进了我国高坝泄洪消能技术的发展。

1998年我国建成的二滩水电站[2]是一座具有里程碑意义的高拱坝工程，其最大坝高242m，最大下泄流量23900m3/s，其中坝身泄量为16300m3/s，上述技术指标在国内外已建的同类工程中位居前列。

为解决坝身泄洪消能的技术难题，通过大量的技术论证与科学研究，最终采用了“坝身表孔与深孔双层泄水孔口布置、下游设水垫塘与二道坝、通过水舌碰撞促进消能、并辅以岸边泄洪洞泄洪”的泄水建筑物布置格局与消能模式，建成后经数年实际泄洪考验，表明是成功的。

2 坝身泄洪技术的特点目前，我国高拱坝坝身泄洪消能方式多采用深表孔挑跌流联合泄洪并结合下游水垫塘的泄洪消能形式，为了有效减轻下泄水流对水垫塘底板的动水冲击压力，须尽量分散下泄水流，减小入射水流在水垫塘单位面积上的集中强度。

往往坝身泄洪采用表孔大差动及深孔挑流，或采用表孔为宽尾墩、深孔为窄缝挑坎的形式，以获得窄长的下泄的表深孔水流流态，表孔和深孔水舌空中相互穿插下落，不发生碰撞，不仅有助于降低泄洪雾化的强度，而且可以水垫塘底板冲击动压减小[3]。

许多学者对高坝挑跌流水垫塘内的水流结构和消能机理做了大量的试验和分析，表明多股射流的水垫塘流态明显优于单股射流，前者射流扩散迅速，能耗增快且分布均匀化和全方位“动水垫”效应，使其消能效率明显提高、壁面冲击动压显著降低，合理选择多股射流的入水间距，应是水垫塘和坝身泄洪优化设计的关键因素之一。

3岸边溢洪洞泄洪技术的特点泄洪隧洞的流道很长，高水头电站内流速很高；一岸泄洪顶冲对岸，两岸对撞泄洪运用不便；护岸工程需部分水下施工，而其施工质量不易保证，部分需水下检修也不方便。

因此，泄洪隧洞宜在较大洪水时启用。

当水电枢纽泄洪同时设有坝身孔口和泄洪隧洞时，可以认为在常见洪水时，二者可以互为备用。

如二滩水电站（坝高240m ，最大洪峰23900m 3/s ）坝身表、中孔单独泄洪加发电流量，可泄2～3年一遇洪水，表、中孔共同运用加发电流量可泄50年一遇洪水，泄洪隧洞可在50年一遇以上洪水启用。

小湾水电站（坝高292m ，最大洪峰23500m 3/s ）坝身表孔单独泄洪加发电流量可泄2年一遇洪水，中孔单独泄洪加发电流量可泄20年一遇洪水，表1中孔共同泄洪加发电流量可泄百年一遇洪水，泄洪洞可在百年以上洪水时启用。

溪洛渡水电站（坝高278 m ，最大洪峰52300m 3/s ）由于汛限水位远低于表孔堰顶，一般只能先开启中孔,利用其小洪水时遇高水库水位运行（限泄），对校核洪水库水位的影响不大，可采用限泄运行。

在机组满发情况下，表孔单独可泄2年一遇洪水，中孔单独可泄5年一遇洪水，表、中孔共同可泄10年一遇洪水。

泄洪洞可在10年一遇以上洪水启用。

4泄洪消能建筑物趋于集中布置我国早期建设的水电站，如表1所列鲁布格、乌江渡、东风水电站等，其规模相对较小，为简化消能建筑物，当洪水稍大时，多在坝身和岸边同时设置多种泄洪建筑物以分区消能。

近年来随着技术的开发，为简化泄洪、泄洪消能建筑物多集中一处布置，并趋于单一形式。

表1 大流量高坝泄洪消能数据对比表Table 1 Comparison of the data table ofhigh flow Dam energy dissipation工程名称 坝型坝高 /m泄洪建筑物m泄洪流量/（m 3/s ） 坝身岸溢 洪道 泄洪洞 坝身溢洪道 泄洪洞 总泄量鲁格布 心墙堆石坝 103.8 -2/13×18 2/7.5×7 (8.5×9) - 6430 3650 10080 乌江渡拱形重力坝165 表6/13×18.5；中2/4×4.4- 2/9×10.4415700- 4130 20940 东风 拱坝 162 表3/7×11；中3/2-2.5×6(1-35×45) 1/15×21 1/21×21 48604220 3320 12400 构皮滩拱坝225表6/12×15；中7/7×6--27320--27320工程名称 坝型 坝高/m 泄洪功率/MW 泄洪消能形式冲沙坑基岩坝身 岸边 总功率 鲁格布 心墙堆石坝 103.8 - 7400 7400 挑流 灰岩 乌江渡 拱形重力坝 165 13800 3700 18500 挑流 页岩、泥灰岩东风 拱坝 162 5400 8300 13700 中孔窄缝、挑流 灰岩 构皮滩拱坝22539900- 39900挑跌流、消力塘灰岩、页岩图1 泄洪洞泄洪Fig. 1Theflood discharge of the spillway近年来由于消能防冲技术的开拓，随着地下厂房结构简化、施工技术成熟且安全、施工不受气候和导流程序所制约，当泄洪流量较大时，多建地下（或岸边）厂房，以让开河床集中布置泄洪和消能。

重力坝坝身开孔面积可大；拱坝弧形轴线可径向扩展，下游同等河宽情况下泄流前缘较宽，且以小工程量加高大坝，提高超蓄能力；重力拱坝具有二者之长；因此都具有加大泄洪的能力，可集中于坝身布置泄洪建筑物，如构皮滩水电站。

中等宽度河谷建坝，装机台数不多时，多采用泄洪与发电建筑物并行布置；机组台数较多时，尚可部分置于地下，如向家坝水电站。

在宽广河谷建坝，多在河中建混凝土坝段，用于集中建筑物泄洪和发电建筑物，两岸以土石坝连接，如丹江口水电站[4]。

表2 大流量高水头水电站枢纽布置对比表Table 2 The comparison table of high flow and high-head hydropower project layout枢纽布置类型工程实例河谷宽高比坝高/m坝型最大洪峰/（m3/s）泄洪建筑物布置形式机组台数发电厂房形式泄洪发电重叠布置乌江渡 2.2 165拱形重力坝24400坝身中、表孔，泄洪洞3（一期）坝后厂前挑流河床坝身泄洪地下厂房构皮滩 2.5 231 拱坝34200 坝身中、表孔 5 地下泄洪发电河床并列布置三峡12.4 175 重力坝124000坝身深、中、表孔32地下6坝后26泄洪发电河床并列布置向家坝 5.6 161 重力坝49800 坝身中、表孔8地下4坝后4河床混凝土坝段泄洪发电并行丹江口25.7 97重力坝、土坝82300 坝身深、表孔9 坝后岸边溢洪道地下厂房糯扎渡 2.33 261.5心墙堆石坝39500 岸边溢洪道9 地下大洪水集中单一的泄洪建筑物，由于泄洪消能技术的发展，大单宽泄流经三向扩散、多层挑流、碰撞掺混、均匀入水、挑流与底流结合等措施，从而也达到分散泄水、分散消能的目的，冲坑处于软基者也能运行安全。