第六节_溢流重力坝

第六节 溢流重力坝（一） 引言：溢流重力坝简称溢流坝，既是挡水建筑物，又是泄水建筑物。因此， 坝体剖面设计除要满足稳定和强度要求外， 还要满足泄水的要求， 同时要考虑下 游的消能问题。 当溢流坝段在河床上的位置确定后， 先选择合适的泄水方式， 并 根据洪水标准和运用要求确定孔口尺寸及溢流堰顶高程。

本节主要介绍：溢流坝的设计要求、 溢流坝的泄水方式和溢流坝的剖面设计 一．溢流坝的设计要求 溢流坝是枢纽中最重要的泄水建筑物之一， 将规划库容所不能容纳的大部分 洪水经坝顶泄向下游，以便保证大坝安全。溢流坝应满足泄洪的设计要求：

• 有足够的孔口尺寸、良好的孔口体形和泄水时具有较大的流量系数。 • 使水流平顺地通过坝体，不允许产生不利的负压和振动，避免发生空蚀 现象。 • 保证下游河床不产生危及坝体安全的冲坑和冲刷。 • 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。

• 有灵活控制水流下泄的设备，如闸门、启闭机等。 二．溢流坝的泄水方式 图示讲解： 1．坝顶开敞溢流式 溢流坝泄水方式(单位：m (a) 坝顶溢流式1 一 350T门机；2 一工作闸门 (b) 大孔口溢流式1 一 175/40T门机；2 一 12X 10m定轮闸门；3 一检修 门 (c) 具有活动胸墙的大孔口 1-活动胸墙；2 一弧形闸门；3 一检修门槽；4 一预制混凝土块安装区

不设闸门时，堰顶高程等于水库的正常蓄水位， 泄水时，靠壅高库水位增加 下泄量，这种情况增加了库的淹没损失和非溢流坝的坝顶高程和坝体工程量。 坝 顶溢流不仅可以用于排泄洪水，还可以用于排泄其它漂浮物。它结构简单，可自 动泄洪，管理方便。适用于洪水流量较小，淹没损失不大的中、小型水库。

当堰顶设有闸门时，闸门顶高程虽高于水库正常蓄水位，但堰顶高程较低， 可利用闸门不同开启度调节库水位和下泄流量， 减少上游淹没损失和非溢流坝的 高度及坝体的工程量。与深孔闸门比较，堰顶闸门承受的水头较小，其孔口尺寸 较大，由于闸门安装在堰顶，操作、检修均比深孔闸门方便。当闸门全开时，下 泄流量与堰上水头H0的3/2次方成正比。随着库水位的升高，下泄流量增加较 快，具有较大的超泄能力。在大、中型水库工程中得到广泛的应用。 2.孔口溢流式

在闸墩上部设置胸墙，有固定胸墙和活动胸墙两种，既可利用胸墙挡水，又 可减少闸门的高度和降低堰顶高程。 它可以根据洪水预报提前放水，腾出较大的 防洪库容，提高水库的调洪能力。当库水位低于胸墙下缘时，下泄水流流态与堰 顶开敞溢流式相同；当库水位高于孔口一定高度时 ，呈大孔口出流。胸墙多为钢 筋混凝土结构，常固接在闸墩上，也有做成活动式的。遇特大洪水时可将胸墙吊起 以加大泄洪能力，利于排放漂浮物。

三.溢流坝的剖面设计 图示讲解：

~厂厂厂厂厂7 厂厂7 图2-23溢流坝剖面 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

溢流坝的基本剖面呈三角形。上游坝面可以做成铅直面，也可以做成折坡面。 溢流面组成：顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分。 设计要求：有较高的流量系数，泄流能力大； 水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏； 形体简单、造价低、便于施工等。 1. 溢流坝的堰面曲线

• 顶部曲线段 溢流堰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 - 奥曲线和幕曲线（或称 WES曲线）两种。克-奥曲线与幕曲线在堰顶以下（2/5〜 1/2）Hs（Hs 为定型设计水头 ）围基本重合，在此围以外，克—奥曲线定出的剖面 较肥大，常超出稳定和强度的需要， 如图 2-24 所示。克-奥曲线不给出曲线方程， 只给定曲线坐标值， 插值计算和施工放样均不方便。 而幂曲线给定曲线方程， 如 式（2-57），便于计算和放样。克 -奥曲线流量系数约为 0.48~0.49 ，小于幂曲线 流量系数（最大可达 0.502），故近年来堰面曲线多采用幂曲线。

♦开敞式溢流堰面曲线 ♦设有胸墙的堰面曲线 • 中间直线段 中间直线段的上端与堰顶曲线相切， 下端与反弧段相切， 坡度与非溢流坝段 的下游坡相同。

• 底部反弧段 溢流坝面反弧段是使沿溢流面下泄水流平顺转向的工程设施， 通常采用圆弧 曲线， R=（4~10）h，h 为校核洪水闸门全开时反弧最低点的水深。反弧最低点 的流速愈大，要求反弧半径愈大。当流速小于 16m/s 时，取下限；流速大时，宜 采用较大值。当采用底流消能，反弧段与护坦相连时，宜采用上限值。

挑流圆弧曲线结构简单， 施工方便， 但工程实践表明容易发生空蚀破坏， 为 此，许多人开展了可探求合理新型反弧曲线的研究，如球面，变宽度曲面，差动 曲面等。

2. 溢流坝剖面设计

溢流坝的实用剖面：在三角形基本剖面基础上结合堰面曲线修改而成。 • 溢流坝堰面曲线超出基本三角形剖面 图示讲解： 溢流坝剖面绘制 （a）反弧与护坦连接；（b）反弧与挑流鼻坎连接 在坚固完好的岩基上，会出现这种情况，设计时需对基本剖面进行修正， 先绘出非溢流坝三角形基本剖面△ 102,根据溢流坝的定型设计水头 Hs和选 定的堰面曲线型式,点绘出堰面曲线ABCD将基本三角形△ 012平移至今厶0，I, 2/位置,使下游边0, 2/与溢流坝面的切线重合，坝上游阴影部分可以省去。为 了不影响堰顶泄流，保留高度d的悬臂实体,且要求d>0.5Hzmax（Hzmax为堰顶 最大作用水头）。

•溢流堰面曲线落在三角形基本剖面以。 当坝基摩擦系数较大时，会出现这种情况。为了满足与基本剖面协调的要求， 可将失去的部分坝体体积补上,通常是在溢流坝顶加一斜直线 AA，使之与溢流 曲线相切于A点，增加上游阴影部分坝体体积，同时也满足坝体稳定和强度要求。

•具有挑流鼻坎的溢流坝。 当鼻坎超出基本三角形剖面以外时，若l/h>0.5时，须核算B-B，截面处的 应力；若拉应力较大，可考虑在B-B，截面处设置结构缝，把鼻坎与坝体分开；若 拉应力不大，也可采用局部加强措施，不设结构缝。

溢流坝和非溢流坝的上游坝面要求应尽量一致 ，并且对齐，以免产生坝段之 间的侧向水压力，否则将使坝段的稳定、强度计算复杂化。溢流坝的下游坝面， 则不强求与非溢流坝面完全一致对齐，只要两者各自保持一致对齐即可。 第六节 溢流重力坝(二)

本节主要介绍：溢流坝的孔口布置和溢流坝的消能防冲 四•溢流坝的孔口布置 溢流坝的孔口设计涉及很多因素，如：洪水设计标准、下游防洪要求、库水位 壅高的限制、泄水方式、堰面曲线以及枢纽所在地段的地形、地质条件等。设计 时,先选定泄水方式，

拟定若干个泄水布置方案(除堰面溢流外，还可配合坝身泄 水孔或泄洪隧洞泄流),初步确定孔口尺寸，按规定的洪水设计标准进行调洪演算 求出各方案的防洪库容、设计和校核洪水位及相应的下泄流量，然后估算淹没损 失和枢纽造价，进行综合比较，选出最优方案。 挑流鼻坎的结构缝 1 •洪水标准

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=50~100m3/(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),目前正在建设中的水电站单宽流量达 282.7m3/(s • m)。而委 瑞拉的古里坝其单宽流量已突破了 300m3/（s • m）的界限。

3•孔口尺寸的确定

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溢，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总，再减去泄水孔和其它 建筑物下泄流量之和Q0,即得Q溢

：

0溢=0 总一 Q0 （ m3/s）

式中Q0 一一经由电站、船闸及其它泄水孔下泄的流量； 一一系数,考虑电站部分运行，或由于闸门障碍等因素对下泄流量的影响. 正常运用时取0.75~0.90 ;校核情况下取1.0。

单宽流量q确定以后,溢流孔净宽B （不包括闸墩厚度）为： Q溢

B= 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=B/n，d为闸墩厚度，则溢流前缘总宽度 B1为

：

Bl=nb+ （ n-1）d （ m 当采用开敞式溢流坝泄流时，下泄流量Q溢 ------ 3 Q溢=mz£c mB 2gH z?

式中B —溢流孔净宽（m ； mz-一一流量系数,可从有关水力计算手册中查得；

& 一一侧收缩系数，根据闸墩厚度及闸墩头部形状而定。初设时可取 =0.90~0.95 ; （T m——淹没系数，视淹没程度而定；

g 一一重力加速度9.81 （m/s2）。

用设计洪水位减去堰顶水头 Hz（此时堰顶水头应扣除流速水头）即得堰顶高 程。 当采用孔口泄流时，下泄流量Q溢

Q溢 = 口 Ak ■- 2gH z

式中Ak——出口处的面积（m2）;

Hz 自由出流时为孔口中心处的作用水头（m）;淹没出流时为上下游水位 差;

卩——孔口或管道的流量系数，初设时对有胸墙的堰顶孔口，当D =2.0~2.4 时（D为孔口高,（m）,取卩=0.74~0.82 ;对深孔取卩=0.83~0.93 ;当 为有压流

时，卩值必须通过计算沿程及局部水头损失来确定。

确定孔口尺寸时应考虑以下因素: •泄洪要求 •闸门和启闭机械 •枢纽布置 •下游水流条件 图示讲解：溢流坝段的横缝