第六节 重力坝的泄水与消能防冲

泄水重力坝既是挡水建筑物，又是泄水建筑物；既要满足稳定和强度的要求，又要满足水力条件的要求。水力条件包括：应有足够的泄流能力；应使水流平顺地流过坝面，避免产生振动和空蚀；应使下泄水流对河床不产生危及坝体安全的局部冲刷，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行。

一、孔口设计

泄水重力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、库水位壅高有无限制、是否利用洪水预报、泄水方式以及枢纽的地形、地质条件等。设计时一般先选定泄水方式，拟定若干种泄水建筑物的布置方案（除表面溢流孔口外，还可配合坝身泄水孔或泄洪隧洞），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等，然后估算淹没损失和枢纽造价，进行技术经济比较，选出最优方案。

（一）孔口型式

实体重力坝和宽缝重力坝都可做成溢流的形式。根据泄水孔的位置以及坝顶是否有胸墙，可分为坝顶溢流式（图6-26）、大孔口溢流式（图6-27）和深式泄水孔（图6-28、图6-29）。

坝顶溢流式除宣泄洪水外，也能用于排除冰凌和漂浮物。由于顶孔（溢流孔）闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大。当闸门全开时，下泄流量与成正比（H₀为水头）。随着库水位升高，H₀增大，下泄量也迅速增大。因此，当遭遇意外洪水时，有较大的超泄能力。加之闸门启闭操作方便，易于检查修理，工作安全可靠，所以获得了广泛应用。

设置溢流大孔口或深式泄水孔的目的是：在洪水到来之前将库水位迅速放到防洪下限，预留较多的防洪库容，降低上游洪水位，从而降低坝高，减少工程量和淹没损失。施工期间，当封闭导流底孔时，库水可以从大孔口或深孔中泄到下游，避免封孔时水头太大，闸门操作困难。

大孔口溢流式由于有胸墙挡水可以减小闸门高度（图6-27）。当库水位较低时，胸墙不影响泄流，和坝顶溢流式相同；当库水位较高时，由于胸墙的拦阻，不能排泄冰凌和漂浮物。胸墙多做成固定的，但也有做成活动的，在遇到特大洪水时，将胸墙吊起，变成坝顶溢流式，以加大超泄能力，确保枢纽安全。

深式泄水孔根据孔内流态分为有压和无压两类。有压泄水孔泄水时，整个泄水孔都处于满流承压状态（图6-28）；无压泄水孔泄水时，除进口有一段压力短管外，其余部分处于明流状态（图6-29）。深式泄水孔的下泄流量与H^1/2成正比（H为水头），超泄能力较小。由于闸（阀）门承受的水头较高，操作、检修都比较复杂。

（二）孔口尺寸

1.确定洪水标准

洪水标准包括洪峰流量和洪水总量，是确定堰顶（或孔口）高程和孔口尺寸、进行水库调洪演算的重要依据。具体参见本书第一章及第二章。

2.选定单宽流量

单位宽度泄水坝下泄的流量称为单宽流量，是影响设计的重要因素。通过调洪演算，可得出枢纽的总下泄流量Q_总（坝顶溢流、泄水孔及其他建筑物下泄流量的总和），通过溢流孔口的下泄流量应为

式中：Q₀为经过电站和泄水孔等下泄的流量，m³/s；α为系数。正常运用时取0.75～0.9，校核运用时取1.0。

设L为溢流段净宽（不包括闸墩的宽度），则通过溢流孔口的单宽流量为

单宽流量越大，单位宽度下泄水流所含的能量越大，消能越困难，对下游局部冲刷可能越严重，但溢流坝段可缩短，枢纽布置也容易。单宽流量的选择与枢纽布置、堰顶（或孔口）高程、孔口尺寸、闸门型式、下游消能防冲等直接相关，并影响枢纽的造价和安全。通常需考虑上述各种因素及经过电站和泄水孔等下泄水流的情况，通过技术经济比较选定设计单宽流量。工程上常采用的设计单宽流量为：对于软弱岩石或裂隙发育的岩石，q=20～50m³/（s·m）；对于较好的岩石，q=50～80m³/（s·m）；对于坚硬的岩石，q=100～130m³/（s·m）。近年来，随着坝下消能措施的不断改善，单宽流量有逐渐加大的趋势。

3.选定溢流坝段的孔口尺寸

一般先根据前述特点选定泄水型式（坝顶溢流、大孔口溢流、深式泄水孔或其组合型式），拟定若干个堰顶高程和孔口尺寸方案，再根据洪水标准及预报情况，分别进行调洪演算，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，并估算出淹没损失和枢纽造价。从淹没损失、下泄流量、单宽泄流量以及造价等方面进行技术经济比较，选出最为经济合理的方案。

在拟定孔口尺寸时，还要考虑闸门和启闭机械。孔口宽度越大，闸门尺寸越大，启门力也越大，闸门和启闭机的构造就越复杂，工作桥的跨度也相应加大。此外，为了便于闸门的设计和制造，应尽量采用闸门设计规范推荐的宽高比。若孔口宽度过小，孔数和闸墩数将增多，溢流段总长度也相应加大。为了控制下游河床的水流流态，应对称均衡开启闸门，因此，孔口数目最好采用奇数。对于较重要的工程，考虑到有可能出现超过设计标准的洪水，可适当增加溢流段前缘的备用长度，或在地形、地质条件合适时，设置岸边非常溢洪道。

二、溢流坝面

溢流坝面的形状对溢流能力和流态有很大影响。坝顶溢流式可分为非真空剖面堰和真空剖面堰两种类型。目前，中国水利水电工程中应用较广的是非真空剖面堰，其坝面曲线有克—奥曲线和幂曲线（或称WES曲线）两种（详见有关水力学方面的专著）。当宣泄校核洪水时，坝顶可能出现负压，应通过试验控制，其负压值不超过3～6m水柱（30～60kPa）。

大孔口溢流式堰顶在水头较大时坝顶处为非自由出流。当堰顶水头H与孔口高度D的比值H/D&gt；1.5时（图6-30），溢流坝面应按孔口射流曲线设计，即

式中：H_d为坝面曲线的设计水头，一般取孔口中心点至最高库水位的75%～90%；φ为孔口收缩断面上的流速系数，一般取φ=0.96，设有检修门槽时，取φ=0.95。坐标原点设在堰顶最高点。原点的上游段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。初步定出坝面曲线后，常需经过水力学试验加以修正。若H/D在1.2～1.5之间，则堰面曲线更应通过试验确定。

溢流坝下游坡面的直线段上端与坝顶溢流面相切，下端与消能工的反孤相切。对于良好岩基上的溢流坝，按以上原则确定的剖面与基本剖面相比可能过于肥大，不够经济。此时，可考虑将溢流坝顶部连同下游坝面稍向上游移动，而上游坝面的中、下部位置不变，形成坝顶向上游突出的比较经济的溢流坝剖面，如图6-26、图6-27所示。

三、溢流坝设计中有关高速水流的问题

高水头溢流坝（包括深式泄水孔）泄水时，由于流速很高（可达30～40m/s），将产生一系列问题，如空蚀、掺气、脉动等，参见本书第三章第五节。

四、消能防冲

当筑坝蓄水，上下游形成集中落差后，水从上游经枢纽泄至下游，具有很大势能差。例如，当单宽流量q=100m³/（s·m），上下游水头差H=50m时，在1m宽的河床上水流的势能差约为50MW，q、H越大，势能差也越大。对于这么大的势能差，如果不采取措施加以消除，听任其变为动能，必将冲刷河床及河岸，破坏坝趾和下游地基，甚至破坏坝体。如西班牙的里科拜约坝（Ricobayo dam），冲刷坑深度达70m，冲走的岩体达100万m³，造成严重事故。因此泄水建筑物下游必须采取妥善的消能与防冲措施，以确保大坝的安全。

消能措施的主要任务就是尽量促使能量消耗于水流内部阻力（混掺阻力和黏滞阻力）和外部阻力（墩、柱等固体阻力），最大限度地限制其冲刷破坏的作用；或采取控制水流的措施，将具有巨大能量的水流挑离坝体，使之冲刷河床但不致影响建筑物和附近岸坡的安全。

目前常用的消能工型式有：挑流式消能、底流式消能、面流式消能和消力戽消能等。设计时应根据地形、地质、枢纽布置、水头、泄量、下游水深及其变幅等条件进行技术经济比较。对于比较重要的工程，消能工的设计应经过水工模型试验验证。

（一）挑流消能

挑流消能是利用鼻坎将溢流面下泄的高速水流向空中抛射，使水流扩散并卷入大量空气，然后落入下游河床较远处。水流在同空气摩擦的过程中，约消耗总能量的20%。抛射水流进入下游水流后，形成强烈的漩滚区，冲刷河床形成冲坑［图6-31（a）］，同时消耗大部分能量。冲坑逐渐加深，底部遭受的冲刷力逐渐减小，直至冲坑趋于稳定。

常用的挑流鼻坎型式有连续式［图6-31（b）］和差动式［图6-31（c）、（d）］两种。

1.连续式挑流鼻坎

连续式鼻坎的主要优点是构造简单、施工方便、水流平顺、射程较远，所以得到普遍的采用。其缺点是水舌在空中扩散掺气的消能作用较差动式鼻坎差，冲刷坑较深，引起下游水位波动也较剧烈。根据工程实践和试验研究，鼻坎挑射角θ一般采用15°～35°，若挑射角再增大些，挑射距离也可加长（理论上挑射角为45°时挑距最大），但水舌跌落水中的入射角加大，又将使冲刷坑加深。反弧半径R一般采用（6～10）h，h为鼻坎上水深，R太小时，水流转向不够平顺，使挑距减小；太大时，又使鼻坎下游延伸太长，增加工程量。鼻坎高程与工程布置有关，一般应高出下游最高水位约1～2m，以利于挑流水舌下缘的掺气。

挑流消能的安全挑射距离L，即冲坑最低点与坝趾的距离一般应大于2.5倍坑深，以保证坝趾处的基岩稳定；水舌入水宽度的选择应考虑不影响冲坑两侧岸坡或其他建筑物的稳定为宜。

水舌挑射距离按水舌外缘估算［图6-31（a）］，其估算公式为

式中：L为水舌挑距，m；g为重力加速度，m/s²；v₁为坎顶水面流速，m/s，约为鼻坎处平均流速v的1.1倍；θ为挑射角度；h₁为坎顶平均水深h在铅直方向的投影，h₁=hcosθ；h₂为坎顶至河床面的高差，m。

关于冲刷坑深度，目前还没有比较精确的计算公式。据统计，在比较接近的几个公式中，计算结果相差可达30%～50%，工程上常按下式进行估算

式中：t_K为水垫厚度，自水面算至坑底，m；q为单宽流量，m³/（s·m）；H为上、下游水位差，m；α为冲坑系数，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。

当坝基内有缓倾角软弱夹层时，冲刷坑可能造成软弱夹层的临空面，失去下游岩体的支撑，对坝体抗滑稳定产生不利影响。对于狭窄的河谷，水舌可能冲刷岸坡，也可能影响岸坡的稳定。水舌在空中扩散，使附近地区雾化，高水头溢流坝的雾化区可延伸数百米，设计时应注意将变电站、桥梁和生活区布置在雾化区以外，或采取可靠的防护措施。

2.差动式挑流鼻坎

差动式是在鼻坎末端设置一排坎槽［图6-31（c）、（d）］，水流分别从齿坎和齿槽射出。差动作用在于分散水流，加剧挑流水舌在空中的掺气和碰撞，提高消能效果，减小冲刷坑深度。但这种鼻坎的冲坑最深点距坝脚较近，鼻坎上流态复杂，在高速水流作用下，容易引起空蚀破坏。

差动式鼻坎按齿坎形状不同又分为矩形差动式和梯形差动式两种，前者齿槽断面为矩形，铅直槽壁易造成较大的负压，引起空蚀；后者齿槽断面为梯形，促使槽中水流更好地扩散，槽壁为斜面，改善了水流条件，减小了负压，消能效果较好，但施工比较复杂。根据试验研究，矩形差动式鼻坎较合适的尺寸是齿坎和齿槽的平均挑射角度（α₁+α₂）/2=20°～30°，两者的差值α₁-α₂=5°～10°，上齿宽度a和下齿宽度b之比宜大于1.0，齿高差D以1.5m为宜，高坎侧宜设置通气孔，高坎顶面的棱角宜做成圆弧状。

（二）底流消能

底流消能是在泄水重力坝的坝趾下游设置一定长度的护坦，一般都在护坦末端设坎，或降低护坦高程形成消力池，使过坝水流在消力池内产生水跃，通过水流的旋滚、摩擦、撞击和掺气等作用消能，以减轻对下游河床和两岸的冲刷。底流消能原则上可用于各种高度的泄水坝以及各种地质情况的河床，特别适用于地质条件差，河床抗冲能力低的情况，如印度的巴克拉坝（Bhakra Dam）、高226m，美国的德沃夏克坝（Dworshak Dam）、高213m，都由于地基较差而采用底流消能。底流消能运行可靠，下游流态也比较平稳，对通航和发电尾水影响较小，但土石方开挖量和混凝土浇筑量一般都较大。与挑流消能比较，底流消能在经济方面往往不利。此外，底流消能应保证在消力池内形成稳定的水跃，避免产生回流。消力池内要清理干净，其尾坎前后不允许堆积石渣。

1.水流条件及消能措施

泄洪时提起闸门，下泄流量逐渐增大到设计流量。根据水力学计算可以求出下泄不同流量时的坝下收缩断面水深h′和相应跃后水深h″，得出Q—h″曲线。对应每个下泄流量，下游河道水位是一定的，可得出Q—t曲线，t为下游实际水深。比较Q—h″曲线和Q—t曲线，可以有5种不同情况，如图6-32所示。

（1）Q—h″曲线和Q—t曲线重合［图6-32（b）］。表示在任何流量下都能产生临界水跃，因而无需修建消力池，只需在水跃范围内修建护坦即可。在实践中很少遇到这种情况。

（2）Q—h″曲线位于Q—t曲线之上［图6-32（c）］。表示在各种流量下，t&lt；h″，这时将产生远驱水跃。需要修建消力池、消力坎或综合消力池（图6-33），以促使在坝趾处产生淹没水跃。

当坝高较低，单宽流量较大，因而弗劳德数Fr₁偏低时，水跃消能效果较差。当Fr₁&lt；4.5时，消能率不足50%，剩余能量所造成的水面波动在相当长的范围内将冲刷河床和岸坡。为了提高消能效率，可在护坦上布设一些辅助消能工，如消力墩等，护坦末端还可以设置齿坎。辅助消能工可降低跃后水深，减小消力池的深度和长度。但当流速超过15m/s时，辅助消能工易遭空蚀破坏，不宜采用。

（3）Q—h″曲线在Q—t曲线之下［图6-32（d）］。表示在各种流量下，t&gt；h″，这时均能产生淹没水跃。但当淹没度太大时，将形成高速潜流，水跃长度加大，消能效果大为降低。这时可采用消力戽或斜坡式护坦（图6-34）。

关于斜坡式护坦，目前尚无完善的计算方法，应通过试验确定发生临界水跃所需的斜坡坡度和长度。

（4）当流量小、Q&lt；Q_K时，t&lt；h″，下游水深不足，产生远驱水跃；当流量大、Q&gt；Q_K时，t&gt；h″，产生淹没水跃，如图6-32（e）所示。这时可采用斜坡式护坦与消力池相结合的措施。Q&lt；Q_K时，水跃发生在消力池内；Q&gt；Q_K时，水跃发生在消力池前端的斜坡护坦上。

（5）与上一情况相反，如图6-32（f）所示。这时可按最大流量设计消力池。

2.护坦的构造

护坦是用来保护水跃区的河床不被高速水流冲刷的板式结构。护坦通常是水平的，也有倾斜或水平与倾斜相结合的。护坦通常用混凝土筑成，为了能够承受温度应力，常须在表层布设钢筋。护坦一般与坝体用伸缩缝分开，避免因不均匀沉陷引起断裂。但若坝体较低且抗滑稳定安全系数不足时，也可加大护坦厚度，并对接缝进行灌浆封堵，使护坦与坝连成整体，提高抗滑稳定性。护坦面积过大时，除应分块施工外，还要在护坦内设置温度伸缩缝，防止产生温度裂缝。顺河向的缝一般与溢流坝的横缝一致，横向缝的间距约为10～15m。护坦承受高速水流的冲刷、磨损等作用，所以要用高强度的混凝土浇筑，其强度等级一般不低于C20，特别是表面须浇一层抗磨性强的高强度混凝土。为了减小扬压力，护坦底部可以设排水沟网，但这种沟网不易检修清理，用垂直穿过护坦的排水孔可有效减小渗透压力，但容易被水流冲毁或泥沙淤塞，要在表面妥善保护。

护坦的厚度可粗略按抗浮稳定条件确定。取单位面积上护坦所受的力来进行分析，如图6-35所示。为使护坦在扬压力和脉动压力作用下不被浮起，护坦的厚度应满足

式中：［K］为容许抗浮安全系数，［K］=1.2～1.4；u为护坦底部的扬压力强度，kN/m²；γ_c为混凝土的容重，kN/m³；p为作用在护坦顶面单位面积的水重，kN/m²；p_m为作用在护坦上的时均脉动压强，kN/m²。

式中：v为计算断面处的平均流速，m/s；a_m为脉动压力系数，根据水流缓急程度取0.05～0.20。

在护坦首部，考虑到水跃的淹没度和动水压力的影响，水重p可按（1/3-1/2）γ_wH₂计算；离收缩断面的距离x=（1/3-1/2）L以后，即认为p=γ_wH₂。

若按式（6-33）算出的护坦厚度过大，则可考虑用钢筋将护坦锚固在岩基上，这时护坦的厚度应满足

式中：γ_r为岩石容重，kN/m³；T为锚筋的有效长度，m。

钢筋插入基岩的实际长度D应为

式中：l为锚筋间距，常取1.5～2m；d为锚筋直径，常用φ25～36mm的钢筋，锚筋插入基岩的深度一般为1.5～2m。

岩基上护坦的厚度一般为1～3m，特殊情况也可加厚。护坦的厚度根据受力条件可以是变化的，即靠上游厚，下游薄。护坦的构造如图6-36所示。

对建在土基上的低水头溢流坝，还需对护坦后的一段河床采取适当的加固措施——海曼，如图6-37所示。海漫的作用是进一步消减水流的剩余能量，使水流均匀扩散，调整流速分布，保证护坦安全和减小对下游河床的冲刷。土基上护坦和海曼的布置与构造，参见本书第十章。

（三）面流消能

如图6-38所示，利用鼻坎将高速水流挑至尾水表面，在表层主流与河床之间形成逆溯漩滚和跃波，通过漩滚和主流逐渐扩散而消能。由于流速较高的水柱在一定距离内分布在水流表面，从而减轻了对坝下河床的冲刷，河床一般不需加固，但应注意防范水滚裹挟石块，磨蚀坝脚地基。

面流式消能适用于下游尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅不大，或有排冰漂木要求的情况。中国富春江、西津、龚咀等工程都采用了这种消能型式。面流式消能虽不需作护坦，但因为高速水流在表层，并伴随着强烈的波动，使下游很长距离内水流不够平稳，不仅冲刷两岸，而且影响电站运行和下游通航。

面流消能的水力计算在理论上研究还不充分，但有许多经验公式可供采用，设计时可查阅有关水力学文献。对于重要工程，一般应通过水工模型试验确定其反弧半径R、鼻坎高度a和挑射角θ等尺寸。

（四）消力戽消能

消力戽是以模型试验为基础研究成功的一种消能工。它的挑流鼻坎潜没在水下，不能形成自由水舌，水流在戽内产生漩滚，经鼻坎将高速主流挑至水流表层，形成如图6-39所示的流态。戽内的漩滚可以消耗大量能量，因高速主流在表层，也减轻了对河床的冲刷。

消力戽适用于尾水较深（通常大于跃后水深），变幅较小，无航运要求，且下游河床和两岸有一定抗冲能力的情况。高速主流在表层，可不设护坦，但水面波动较大，其缺点与面流式消能工类似。这种消能型式首先在20世纪30年代美国大古力坝（Grand Coulee Dam）中采用，以后美国、日本、印度等国也逐渐在工程中采用。中国自20世纪60年代起在石泉、大黑汀、宝鸡峡等新建和改建工程中采用。

消力戽设计的主要内容是确定反弧半径、戽坎高度和挑射角度，设计时既要避免在下游水位过低时出现自由挑流，造成严重冲刷；也要避免下游水位过高、淹没太大时，急流潜入河底淘刷坝脚。后一种情况可能更为不利。

关于消力戽的理论研究和水力计算都还不很成熟，计算时可参考有关文献。一般认为，当下游尾水造成的淹没度σ&gt；1.1时，就可能产生消力戽流态。若戽底与河床高程齐平，当H/R=3～6时，消力戽的适用范围是h_b/h₂=0.4～0.8，H为从戽底算起的上游水头，R为反弧半径，h_b为戽内水深，h₂为下游水深。初步拟定尺寸时可参考下述经验数据：

（1）挑射角θ。绝大部分工程挑射角θ采用45°，也有的采用40°，甚至37°。大挑角一般容易形成消力戽流态，但戽后涌浪高，冲坑深，下游水面波动大；挑角过小，戽内漩滚容易超出戽外。

（2）反弧半径R。R愈大，出流条件愈好，戽内漩滚水体增大，对消能有利。但半径大到某一程度后，消能效果便不能显著增加，而使戽体工程量加大。图6-40是根据国内外27个工程实例绘制的H/R—K统计图（K=，q为单宽流量，H为戽底以上的上游水头），可作为初选反弧半径R的参考。

（3）戽坎高度a。为防止泥沙或冲刷的石块卷入戽内，戽坎应高于河床，一般约取尾水深度的。

（4）戽底高程。一般取与下游河床同高。原则上保证在各级流量和下游水位条件下均能发生稳定戽流。戽底高程定得太高，易形成挑流流态；定得太低，将增加开挖方量。

当下泄水流的单宽流量过大时，为了加大戽内漩滚体积，提高消能效率和确保戽流流态，可在戽底插入一水平段，这种结构型式称为戽式消力池，中国安康溢流坝就采用了这种型式。消力戽的优点是：工程量较消力池小，冲刷坑比挑流式浅，不存在雾化问题。缺点是：下游水面波动大，绵延范围长，易冲刷岸坡，对航运不利；底部漩滚将泥沙带入戽内时，摩损戽面，增加了维修费用。