第六节 溢流重力坝

河道中修建的重力坝，常将其主河床部分做成溢流坝（段），宣泄洪水方便，可节省在岸边修建泄水建筑物的投资。溢流重力坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物，它除具有与非溢流重力坝相同的工作条件（稳定强度、抗渗要求）外，还需从坝顶和下游坝面宣泄洪水（安全泄流、抗冲要求）。所以，与挡水有关的问题，如作用荷载、基本剖面、抗滑稳定、坝体应力等，与非溢流重力坝基本相同，本节只介绍与泄水有关的问题（水力条件和下游消能）。

溢流坝的主要组成部分为：溢流孔口、溢流面曲线与下游消能设施的连接以及下游消能设施。

一、溢流孔口的设计

（一）孔口型式及特点

溢流坝的溢流孔口是开敞式的泄水道，坝体的顶部就是泄水道底部的溢流堰。为了提高孔口的过水能力，坝顶剖面形式(堰型)一般采用曲线型非真空实用堰。因为曲线型真空实用剖面堰溢流时坝面产生负压，会引起空蚀且水流不稳定，故采用较少。曲线型实用堰的流量系数、曲线坐标以及孔口过水能力的计算见《水力学》。

大型溢流坝的孔口一般设有闸门，以便利用一部分有效库容参加调洪，达到降低挡水建筑物高度、减小上游淹没损失等目的。设置闸门的堰顶低于正常蓄水位，正常蓄水位减堰顶高程后再加0.1～0.3m的闸门超高即为闸门高度。还可在闸门上部设置胸墙，以进一步降低堰顶高程及减小闸门高度，增大水库的防洪作用。但是，设固定式胸墙的孔口，不利于宣泄漂浮物，且泄洪时成为孔口出流，故宣泄特大洪水时的超泄能力受到限制，这时可考虑将胸墙做成活动式的。但设闸门后将增加闸门及启闭设备的投资，运用时期增加了管理费用。所以，小型溢流坝一般不设闸门。不设闸门的坝顶高程即为水库的正常蓄水位。

溢流孔口一般用闸墩分为若干孔 （不设闸门的孔口也常因交通要求而设置桥墩），闸（桥）墩顶上要布置交通桥、机架桥 （闸门启闭台）、检修桥等上部结构，其型式和布置可参考第七章水闸中的相关内容。每孔净宽应综合考虑：闸门型式及运用条件；闸门定型及宽高比；启闭设备的配套；坝顶布置与坝段分缝 （墩缝、堰缝）等条件选定。设闸墩（或桥墩）厚度为d，若溢流段长度B=nb+（n-1）d，则分孔数目n就可以确定。

溢流孔口两端，一般应向下游延伸出导墙，以防止坝面溢流对两侧的冲刷等不利影响。导墙顶面应高出掺气的溢流水面1.0m以上，顶厚0.5～2.0m，每隔15m左右设一道伸缩缝，缝中设止水，导墙构造如图1-24所示。

（二）堰顶高程和溢流段长度B的确定

堰顶高程和溢流坝段长度的设计依据及要求是：由建筑物级别所决定的洪水标准与相应的洪水过程线；洪水预报条件和预报时间；由规划决定的防洪要求，如对上游最高洪水位的限制和下游允许的最大下泄流量Q_max(安全泄量)等；地形、地质条件和根据坝趾地质条件控制的允许单宽流量［q］；整个枢纽工程必须是运用可靠而又安全、经济。

坝趾处控制的允许单宽流量一般不超过50～70m³/s；对于裂隙发育的岩基和半岩基不超过30m³/s；对于坚固完整的岩基，可以增加到90～100m³/s，甚至可达120m³/s；如果单宽流量较大时，应进行专门研究。根据下游允许的最大下泄流量Q_max和允许单宽流量［q］，可初拟孔口净宽nb=Q_max/［q］。

确定堰顶高程和溢流坝段长度须通过方案比较，其步骤是：首先，根据上述设计依据和要求，以溢流段长度尽量大和堰顶高程尽量高的原则，拟定出溢流孔口布置型式和各部尺寸的第一个方案，进行调洪演算得出上游最高洪水位，最大下泄流量和相应单宽流量；其次，在分析研究第一方案及其调洪演算的成果的基础上再拟定若干个比较方案，并分别进行调洪演算；第三，对满足防洪等要求的各方案，相应拟定其枢纽各建筑物的布置和主要尺寸并计算工程量；最后，进行技术、经济比较，选出最优方案。有关洪水标准、方案拟订与比较选择等问题，可参考第四章河岸溢洪道。

二、溢流重力坝的剖面设计

溢流重力坝的基本剖面仍然是三角形，上游面垂直或成折坡，堰顶为实用堰，溢流面由堰顶曲线段、斜坡直线段和衔接反弧段组成（图1-25）。

1.堰顶曲线段

堰顶曲线段的形状对泄流能力和流态有很大影响。根据设计情况下溢流面是否出现真空(负压)，可分为非真空实用堰和真空实用堰两种类型。非真空实用堰曲线是稍稍切入相应于薄壁堰的溢流水舌，过设计洪水及以下流量时，坝面不致发生真空。真空实用堰较相应的非真空实用堰瘦，坝面与自由水舌脱开，由于坝面与水舌间隙中的空气被水带走，水舌才贴合坝面，但已形成了负压。负压能加大流量系数，但如负压过大，将引起坝体振动和堰面空蚀。

我国水利水电工程中应用较广泛的为克—奥曲线和幂曲线两种非真空实用堰曲线。对于开敞式堰面的堰顶下游堰面，《混凝土重力坝设计规范》（SL 319）附录A推荐采用WES幂曲线Xⁿ=Ky，以及相应的堰顶上游堰头曲线，推荐了双圆弧曲线、三圆弧曲线和椭圆曲线。

绘制溢流面曲线，确定非真空实用堰形状的方法，是对一定的堰上设计水头H_d而言的。以校核洪水流量确定的堰上设计水头H_d（等于堰上最大水头H_校核）做出的堰顶曲线，虽可保证不出现负压，但流量系数减小，剖面偏肥，不经济。按设计洪水流量确定的堰上设计水头H_d（等于H_设计），宣泄校核洪水时，堰面将出现负压，允许其值不得超过30～60kPa（3～6m水头）。一般根据溢流洪水出现的几率，取H_d=（0.75~0.85）H_校核作出的堰顶曲线，比较经济、安全。

对于要求闸门在部分开启的条件下泄流或设有胸墙时的堰顶孔口溢流曲线，当堰顶水头H与孔口高度D的比值H/D >1.5时(图1-26)，应按孔口射流曲线设计:

式中 H_d——堰上设计水头，一般取孔口中心至最高库水位的75%～90%；

φ——孔口收缩断面上的流速系数，一般φ=0.96；设有检修门槽时，取φ=0.95。

绘制堰顶曲线时，坐标原点设在堰顶最高点。原点的上游段仍采用复合圆弧或椭圆曲线与上游坝面相连接，胸墙的下缘也应采用圆弧或椭圆曲线。若H/D在1.2~1.5之间时，堰面曲线应通过模型试验决定。

2.斜坡直线段

溢流面的中部为直线段,上端与堰顶曲线相切,下端与反弧相切(图1-27)，公切线的坡度可取为与非溢流坝下游边坡相同的坡度，当不满足稳定和强度要求时，应作适当修改。对于低坝，堰顶曲线可能直接与下部反弧相切而省去直线段。

3.衔接反弧段

溢流面的下部为反弧段，其作用是使水流平顺地按要求的消能方式与下游水面衔接。反弧段通常采用圆弧曲线，其半径R的数值与溢流坝的高度、堰顶水头及消能方式等有关，可在（4~10）h_c范围内选取（h_c为校核洪水位闸门全开时反弧处的水深）。反弧处的流速小于16m/s时，可取下限；流速大时，水流转向困难，宜采用较大值，以至上限；当采用底流消能，反弧段与护坦相连时，反弧半径宜采用上限值。

在坚固完好的岩基上，满足稳定及强度要求的基本三角形剖面较窄，按上述原则所拟定的溢流坝剖面可能超出基本三角形ABC以外，为了节约坝体工程量并满足水流条件，可将基本三角形平移到A′B′C′位置(图1-27)，使下游边A′B′与溢流面的公切线相重合，上游阴影部分可以省去。为了不影响泄流能力，应保留高度为h_l的悬臂突体，且使h_l>H_e/2 (H_e为堰顶最大水头)。

具有挑流鼻坎的溢流重力坝，当鼻坎超出基本三角形剖面以外时(图1-28)，若l/h>0.5，须核算B—B′截面处的应力。若拉力较大，可考虑在B—B′截面处设置结构缝，把鼻坎和坝体分开，如石泉等工程都采用了这种结构型式。

三、溢流重力坝的消能设计

（一）消能防冲原理

通过坝体的下泄水流具有很大的能量。当水流下泄时，巨大的能量主要耗损于两个方面：一是水流内部的作用，如摩擦、冲击、紊动、旋涡等；二是水流与固体边界的作用，如摩擦、冲刷等。冲击下游河床形成冲刷坑，当冲刷坑扩展到坝趾处，会危及坝体安全。国内外坝工实践中，由于坝下消能措施不当遭受严重冲刷的情况很多。例如西班牙的里拜约坝最大冲坑深度达70m，冲走岩石的总体积达100万m³，美国威尔逊溢流坝的下泄水流，冲走的岩块有重达200t的。由此可见，对于溢流重力坝的下泄水流，必须采取有效的消能措施，以减轻对下游河床的冲刷，确保建筑物的安全。

消能设计的原则是，尽量使下泄水流的能量消耗于水流内部的紊动中，限制下泄水流对河床的冲刷范围，保证不至于危及坝体安全。岩基上溢流重力坝采用的消能方式，主要有鼻坎式的挑流消能、面流消能和戽流消能。也有采用平顺式的底流消能的。

消能型式的选择取决于水利枢纽的具体条件，主要影响因素有：水头、单宽流量、下游水深及其变幅、坝基地质特性、水工建筑物的总体布置等。挑流消能适用于下游河床抗冲能力强的高坝或中坝情况；面流消能适用于下游水深较大，河床抗冲能力强的情况；戽流消能仅用于下游水深小，河床抗冲能力差的情况。以下只介绍挑流式消能工的布置、结构特点和运用条件，其他消能方式在另外的章节中介绍。

（二）挑流消能设计

挑流消能是利用鼻坎将下泄的高速水流向空中挑射，使水流扩散并掺入大量空气，水流在与空气摩擦的过程中消耗其能量，约可消耗总能量的20%。然后跃入下游河床水垫中，形成强烈的旋滚区，并冲刷河床形成冲刷坑(图1-29)。冲坑逐渐扩大，水垫越来越厚，大部分能量消耗在水流的摩擦中，冲刷坑逐渐趋于稳定。因此，如下游有较大的水深，就可以减轻对河床的冲刷。

挑流消能设计的要求是：选择合适的鼻坎型式、反弧半径、鼻坎高程和挑射角度，使挑射水流形成的冲刷坑不致影响坝体安全。

常用的挑流鼻坎型式有连续式和差动式两种。

1.连续式挑流鼻坎

连续式挑流鼻坎如图1-29所示，构造简单，射程远，鼻坎上水流平顺，一般不产生空蚀。

根据我国的工程经验，在一般情况下，鼻坎挑射角取θ=20°～25°为好；对于深水河槽，以选用θ=15°～20°为宜。如鼻坎挑射角θ取值偏大（如30°～35°或更大），水舌挑距虽然大些，但入水角（水舌与下游水面的交角）加大，水舌入水后扩散较差，会使冲刷坑加深。

鼻坎反弧半径R最小为(5～6)h，以(8～10)h为宜，h为鼻坎上水深。R太小时，水流转向不够平顺；R过大时，鼻坎向下游延伸太长，将增加工程量。国外有的工程采用抛物线形反弧，曲率半径由大到小，水流转向比较容易适应。

鼻坎高程一般是定在下游水位附近。

连续式挑流鼻坎的水流射程，可按抛射原理计算。试验和原型观测表明：冲刷坑的最深点大致在水舌外缘的延长线上，挑距计算简图见图1-29，公式如下：

式中 L——水舌挑距，m；

g——重力加速度，9.81m/s²；

v₁——坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速v=Φ(2gs)的1.1倍计；s为上游水位与鼻坎顶之间的高差；Φ为流速系数；

θ——鼻坎的挑射角，（°）；

h₁——h在铅直方向的投影，m；h₁=hcosθ(h为鼻坎顶平均水深)；

h₂——鼻坎顶至河床面高差，m；如冲刷坑已经形成，计算冲刷坑进一步发展时，可算至冲刷坑底。

至于冲刷深度的计算，目前还没有比较精确的方法，据统计，在比较接近的几个公式中，计算结果相差可达30%～50%。工程上常用的估算公式如下(图1-29)：

式中 t_k——水垫厚度，自水面算至冲刷坑底，m；

q——单宽流量，m³／(s·m);

H——上、下游水位差，m；

α——冲坑系数,坚硬完整的基岩α=0.9~1.2，坚硬但完整性较差的基岩α=1.2~1.5，软弱破碎、裂隙发育的基岩α=1.5~2.0。

挑射水流所形成的冲刷坑，是否会延伸至坝趾危及坝的安全，取决于最大冲坑深度t′_k (自河床面算至冲刷坑底，见图1-29)和挑射距离L两个因素，一般用L/t′_k的比值来判断。岩层倾角较陡的基岩，冲刷坑上游边坡系数一般小于2.5，岩层倾角较缓的，一般小于5.0。因此可以认为，对于前者L/t′_k>2.5，对于后者L/t′_k>5.0，才不至于危及坝的安全。很明显，这是一个相当粗略的判别指标。湖南双牌溢流坝，虽然L/t′_k=(2.28～2.71)<5.0，没有达到规定的安全指标，但冲刷坑的上游边坡并没有实际延伸至坝趾。可是，由于坝体修建在倾向下游的缓倾角夹层上，冲刷坑构成了坝基软弱夹层的临空面，失去了岩体支撑，有可能导致坝体及部分基岩沿软弱夹层产生深层滑动，为此而采取了相当复杂的加固措施。因此，在评定挑流消能的安全性时，还要根据河床、河岸基岩层面及节理裂隙发育情况，判断冲刷坑形成是否会引起坝体的深层滑动，以及两岸山坡是否会失去支撑岩体而坍塌。

挑射水流由于大量掺气和扩散，使附近地区产生“雾化”，设计时应充分估计好雾化区的范围，将输电线路、交通道路及居住区布置在雾化区以外，或采取可靠的防护措施，免受雾化的影响。

2.差动式挑流鼻坎

常用的差动式挑流鼻坎有矩形差动鼻坎和梯形差动鼻坎两种，见图1-30。

矩形差动鼻坎见图1-30（a）所示，使下泄水流通过高坎（齿）和低坎（槽），分成两股水流射出，在垂直方向有较大的扩散，水舌的厚度（上、下游方向入水的宽度）增加，减小了单位面积上的冲刷能量，两股水流在空中互相撞击，掺气加剧，也消耗了一部分能量。因此，这种鼻坎所形成的冲刷深度较浅。据试验分析，比连续式鼻坎挑流的冲刷坑深度减少约35%，但冲刷坑最深点距坝趾的距离却缩短了10%~30%。另外，矩形差动鼻坎的下泄水流所引起的水位波动也较小，与连续式挑流鼻坎相比，在一定程度上改善了航运和电站运行条件。据模型试验研究，一般矩形差动鼻坎的尺寸可取为：高低坎的挑角θ₁和θ₂的平均值，即（θ₁+θ₂）/2=20°～30°，角度差Δθ=θ₁-θ₂=5°～10°；齿和槽的宽度比b/a=1.5～2.0，使两股水流大致相等，齿台高度d与鼻坎上水深h之比d/h=0.5～1.0，这样消能效果较好。

矩形差动鼻坎的主要缺点是在高坎侧面极易形成负压区而产生空蚀破坏，这是由于齿坎绕流分离的结果。为了防止空蚀破坏，曾经采取过一些措施，如采用抗侵蚀性强的材料，改进齿坎形状以及在齿坎负压区设置通气孔等。梯形差动鼻坎见图1-30(b)，虽有少数工程用过，但也未能完全避免空蚀，还需要进一步研究改进。

四、溢流重力坝的泄水孔

在重力坝坝体上往往设有泄水孔。出口正对着下游主河床，进口一般位于深水之下，故又称深式泄水孔或泄水底孔。

泄水孔有多方面用途，如配合溢流坝泄放洪水；预泄库水以备调洪；放空水库进行大坝检修或满足人防的要求；排泄淤沙以延长水库寿命；保证其他建筑物正常运行；向下游放水，供发电、航运，灌溉、城市供水之用；施工导流等。

泄水孔的类型，按孔内水流状态分为有压泄水孔和无压泄水孔两种类型。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。有压泄水孔的工作闸门一般都设在出口，孔内始终保持满水有压状态。无压泄水孔的工作闸门和检修闸门都设在进口。

泄水孔设计的关键是进水口体形和泄水道线形能使水流平顺，避免空蚀，运行维修方便。