泄水建筑物设计（淤地坝参考）

泄 水 建 筑 物 设 计 

1.  泄水建筑物的类型和布置

在水利水电枢纽工程中，一般都需要设置有永久性的泄水建筑物。

泄水建筑物的主要任务是宣泄水库供发电、灌溉等使用后多余的洪水，快速放水（包括汛前的放空水库和由于一些特殊情况需要降低水库的水位），调节水库的蓄水，排放泥砂或漂浮物等。其中泄洪建筑物是保障大坝的安全可靠和充分发挥水库综合效益的关键，是水利水电枢纽工程中的非常重要的组成部分。

泄洪建筑物安全泄洪的主要体现在两个方面：泄洪建筑物在泄放高速水流和消能过程中的自身安全；消能后使水流能妥善地与下游河道联接，不会引起坝后下游地区严重的冲刷。 

泄水建筑物型式主要有河床溢洪道，岸边溢洪道，泄水遂洞等。河床溢洪道一般是指在坝身设置的泄水建筑物，其型式又有从坝顶溢流，即表孔溢流，或在坝身开设大孔口溢流和在坝身设置的泄水孔泄水等。岸边溢洪道包括正向进水的正槽式溢洪道和侧向进水的侧槽式溢洪道等。

1.1    表孔溢流

（1）重力坝枢纽中的表孔溢流结构型式（图3-1）

图3-1 重力坝枢纽中的表孔溢流结构型式

 优点：

①除渲泄洪水外，也能用于排除冰凌和漂浮物，孔口不易堵塞。

②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（ 为水头），随着库水位的升高，下泄量也迅速增大，故超泄能力大。

③泄水水流平顺。

④闸门启闭操作方便，检查维修方便，工作安全可靠。

 缺点

①当坝型为拱坝时，由于坝身单薄，需设置实体泄槽或滑雪道结构，实体的泄槽工程量较大，不经济，而轻型的滑雪道易引起振动，稳定性不好；

②不能提前预泄洪水，不能满足排砂，放空水库等要求，所以常和其它型式的泄水建筑物结合使用。

（2）拱坝枢纽中的表孔溢流的结构型式

拱坝枢纽中的表孔溢流的结构型式又可分为三种：

 自由跌流式（图3-2）     对于薄的双曲拱坝或小型拱坝，常采用坝顶自由跌流型式溢洪，溢流头部一般为非真实标准堰。

图3-2 自由跌流式泄水建筑物

（这种溢流型式适用于基岩良好、泄水单宽流量不大、坝高较小、尾水较深的情况。一般要在水流跌入处设置短护坦，避免下游形成较大较深的冲坑，影响拱坝安全。）

 鼻坎挑流式（图3-3）    为了使溢流跌落点离坝脚稍远些，在溢流堰顶曲线的末端用反弧连接而形成挑流鼻坎。

图3-3 鼻坎挑流式泄水建筑物

（挑流鼻坎多采用连续式结构。为了不增加过多的工程量，鼻坎末端与堰顶之间的高差常不大于6~8m，大约为设计水头的1.5倍左右。鼻坎挑角在10—25o之间，反弧半径约等于设计水头。这种坝顶溢流型式可采用挑流消能，单宽流量可稍大于自由跌流式采用的单宽流量。广东省流溪河拱坝枢纽，溢流坝段全长90.86m，布置7孔宽11.5m的表孔，不设闸门，采用差动式高低鼻坎（三孔高坎，坎顶高程230m，四孔低坎，坎面高程129m），促使下泄水流在空中对撞消能，在千年一遇洪水位时下泄流量为635m3/s，最大流速18.4m/s。

对于重力拱坝，坝体较厚，通过表孔下泄的水流可贴着下游坝面宣泄，并经高程较低的鼻坎挑射消能或底流消能，因此允许采用的单宽流量同重力坝。湖南省凤滩拱坝枢纽，总泄洪流量为26600m3/s?m,是目前世界上拱坝坝身泄洪量最大的表孔溢流形式，设置13个溢流表孔，安装宽14m高12m宽的弧钢型闸门，最大单宽流量为170 m3/s?m,采用高低坎挑流（6孔高坎、7孔低坎），促使水流在空中对撞消能，高低坎水流交角为55~55o，有效地解决了水流径向集中问题，消能效果良好。）

 滑雪道式（图3-4）  滑雪道是拱坝特有的一种溢洪建筑物，滑雪道泄槽既可与表孔连接，也可与中孔连接。

（滑雪道是由与溢（泄）洪坝体相连接的泄槽组成，泄槽常为坝体轮廓以外的结构，用缝与坝体分开。水流过坝后，流经滑雪道的泄槽，由泄槽尾端的挑流鼻坎挑出，使水流在空中扩散掺气。挑流鼻坎一般比堰顶低很多，因而挑距较大，可采用较大的单宽流量。）

图3-4 滑雪道泄水建

（1）重力坝枢纽中的表孔溢流结构型式（图3-1）

图3-1 重力坝枢纽中的表孔溢流结构型式

 优点：

①除渲泄洪水外，也能用于排除冰凌和漂浮物，孔口不易堵塞。

②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（ 为水头），随着库水位的升高，下泄量也迅速增大，故超泄能力大。

③泄水水流平顺。

④闸门启闭操作方便，检查维修方便，工作安全可靠。

 缺点

①当坝型为拱坝时，由于坝身单薄，需设置实体泄槽或滑雪道结构，实体的泄槽工程量较大，不经济，而轻型的滑雪道易引起振动，稳定性不好；

②不能提前预泄洪水，不能满足排砂，放空水库等要求，所以常和其它型式的泄水建筑物结合使用。

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（2）拱坝枢纽中的表孔溢流的结构型式

拱坝枢纽中的表孔溢流的结构型式又可分为三种：

 自由跌流式（图3-2）     对于薄的双曲拱坝或小型拱坝，常采用坝顶自由跌流型式溢洪，溢流头部一般为非真实标准堰。

图3-2 自由跌流式泄水建筑物

（这种溢流型式适用于基岩良好、泄水单宽流量不大、坝高较小、尾水较深的情况。一般要在水流跌入处设置短护坦，避免下游形成较大较深的冲坑，影响拱坝安全。）

 鼻坎挑流式（图3-3）    为了使溢流跌落点离坝脚稍远些，在溢流堰顶曲线的末端用反弧连接而形成挑流鼻坎。

图3-3 鼻坎挑流式泄水建筑物

（挑流鼻坎多采用连续式结构。为了不增加过多的工程量，鼻坎末端与堰顶之间的高差常不大于6~8m，大约为设计水头的1.5倍左右。鼻坎挑角在10—25o之间，反弧半径约等于设计水头。这种坝顶溢流型式可采用挑流消能，单宽流量可稍大于自由跌流式采用的单宽流量。广东省流溪河拱坝枢纽，溢流坝段全长90.86m，布置7孔宽11.5m的表孔，不设闸门，采用差动式高低鼻坎（三孔高坎，坎顶高程230m，四孔低坎，坎面高程129m），促使下泄水流在空中对撞消能，在千年一遇洪水位时下泄流量为635m3/s，最大流速18.4m/s。

对于重力拱坝，坝体较厚，通过表孔下泄的水流可贴着下游坝面宣泄，并经高程较低的鼻坎挑射消能或底流消能，因此允许采用的单宽流量同重力坝。湖南省凤滩拱坝枢纽，总泄洪流量为26600m3/s?m,是目前世界上拱坝坝身泄洪量最大的表孔溢流形式，设置13个溢流表孔，安装宽14m高12m宽的弧钢型闸门，最大单宽流量为170 m3/s?m,采用高低坎挑流（6孔高坎、7孔低坎），促使水流在空中对撞消能，高低坎水流交角为55~55o，有效地解决了水流径向集中问题，消能效果良好。）

 滑雪道式（图3-4）  滑雪道是拱坝特有的一种溢洪建筑物，滑雪道泄槽既可与表孔连接，也可与中孔连接。

（滑雪道是由与溢（泄）洪坝体相连接的泄槽组成，泄槽常为坝体轮廓以外的结构，用缝与坝体分开。水流过坝后，流经滑雪道的泄槽，由泄槽尾端的挑流鼻坎挑出，使水流在空中扩散掺气。挑流鼻坎一般比堰顶低很多，因而挑距较大，可采用较大的单宽流量。）

图3-4 滑雪道泄水建

1、2  大孔口溢流 

 大孔口溢流的特点：

①在洪水到来之前可以将库水位迅速放到防洪水位的下限，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；

②有胸墙挡水，可减小闸门高度；

③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，可加大超泄能力，确保枢纽安全。

 但大孔口溢流①下泄流量与水头 成正比超泄能力差；②当库水位较高时，由于胸墙的阻拦，不能排泄漂浮物和冰凌。

图3-5 大孔口溢流

图3-6 丹江口大坝坝身泄水孔

1、3  坝身泄水孔 

 坝身泄水孔（图3-6）按进水口的高程又分为中孔（进水口淹没深度小于全水深的40%）和深孔（进水口淹没深度大于全水深的40%）。

 当适当尺寸的孔口对坝体应力并无大的影响，利用坝身开孔泄洪可节省另建溢洪道的投资。

(对于拱坝，泄洪中孔一般布置在河床中部的坝段，以便于消能和防冲，工作闸门常设在出口，这样不仅便于布置闸门的提升设备，而且还因为在坝的下游面孔口末端设置闸墩和挑流坎后，局部加厚了孔口附近的坝体，从而显著地改善了孔口周边的应力状态，对孔底的拱应力亦有所改善。以往认为拱坝的孔口可能破坏拱坝的整体性，但工程实践和试验研究证明了孔口对坝体应力场的影响仅限于孔口附近的局部区域，应力集中区的拉应力可能使孔口边缘混凝土开裂，可在孔口周围布置受力钢筋，不致危及坝的整体安全性。考虑到孔口较大时对坝体剖面有较大的削弱及应力重分布的影响，孔口附近的坝体宜适当加厚。

由于拱坝坝体薄，中孔断面一般采用矩形断面，不需要在孔口内设置矩形断面向圆形断面过渡, 圆形断面再向矩形断面过渡的渐变段。)

图3-7 拱坝泄洪中孔

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 拱坝坝身中孔当水流过坝后需要进行合理选型和布置，如设置滑雪道泄槽等。

 深式泄水孔可以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，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。

 深式泄水孔可用于多种用途，如向下游供水、预泄洪水腾空防洪库容、放空水库、排除淤沙以及解决施工中的后期导流问题。

 深式泄水孔的缺点是①下泄流量与水头成正比超泄能力较小；②由于闸门承受的水头较高，操作、检修都比较复杂。 

图3-8 深式泄水孔示意图

1、4  岸边溢洪道 

 多用于土石坝枢纽和在狭谷中建造的混凝土坝枢纽，特别是支墩坝和轻型坝，当泄水量大而坝身泄水设施难以满足时，也可以建造河岸溢洪道。 

 岸边溢洪道（图3-9 ）的结构特点：

图3-9 岸边溢洪道

①一般采用地面开敞式溢洪道，它具有较大的超泄能力，即泄水能力会随水库水位的升高而迅速增加，从而可减小洪水翻坝漫顶的可能性。

②开敞式溢洪道检查维护方便，运用安全可靠。

③可充分利用地形地质条件，减少开挖的土石方量和混凝土衬砌工程量。 

 为了减少开挖工程量，采用岸边溢洪道的型式，一般需要有建筑溢洪道的垭口地形条件。 

图3-10 泄水隧洞进水口

1、5  泄水隧洞 

 按洞内水流流态分为有压隧洞和无压隧洞两种类型。

 泄水隧洞的优点：

①可以把流量送到下游较远的部位。

②可以利用导流隧洞改建（但导流隧洞高程过低时，改建有困难，而容易在反弧段发生气蚀破坏）。

③可以较方便地采用窄缝式鼻坎等各种挑流消能措施。

 泄水隧洞缺点：

①下泄流量与 成正比（ 为水头）超泄能力较小。

②开挖隧洞后改变了围岩原来的应力平衡状态，会在孔洞附近引起应力重分布，产生变形，常需设置临时性支护和永久性衬砌以保安全

③其进口高程都在水下较低处，承受较大的内水压力和外水压力，洞身和衬砌必须有足够的强度，体型也必须尽量与流态相适应，以免产生局部负压，引起振动、空蚀等破坏现象

④与地面建筑物相比，隧洞的施工场地狭窄，物料运输困难，作业干扰较大

⑤地下施工，发生事故的可能性较大，改建和加固困难，施工工序较多。

泄洪建筑物安全泄洪的主要内容，概括起来可包括两个方面：泄洪建筑物在泄放高速水流和消能过程中的自身安全；消能后使水流能妥善地与下游河道联接，不会引起坝后下游地区严重的冲刷。

2.  泄水建筑物的孔口尺寸拟定 

泄水建筑物的孔口尺寸是通过对设计（校核）洪水标准相对应的洪水过程进行调洪演算后确定。

通过调洪演算可以确定水利水电枢纽工程的主要工程特性：

（1）泄水建筑物的孔口尺寸。（即溢流坝（溢洪道）的堰顶高程和溢流坝（溢洪道）的宽度。）

（2）最高洪水位。（最高洪水位包括设计洪水位和校核洪水位。最高洪水位决定着大坝的高度、总工程量及上游的淹没状况。）

（3）最大下泄流量。（最大下泄流量涉及到下游的消能防洪问题。）

2、2  水库的调洪演算及需要考虑的问题 

  水库的调洪演算一般需要有以下步骤：

（1）收集计算基本资料

调洪演算计算基本资料包括设计和校核洪水过程线、水库水位~容积曲线、河道水位~流量曲线、上游最高限制淹没水位、下游河道最大的允许下泄流量、起调水位等。

（2）初步拟定几组的泄水建筑物的孔口尺寸

 水库在某一时段 内的出库流量与枢纽工程的泄水建筑物的孔口尺寸有关，为完成水库的水量平衡计算，需要首先拟定泄水建筑物的孔口尺寸。

 由于在拟定其孔口尺寸之前，并不知道怎样的孔口尺寸能满足枢纽工程的设计洪水标准，因此需要拟定几组的泄水建筑物的孔口尺寸方案进行调洪计算，根据计算结果选择满足工程要求的泄水建筑物的孔口尺寸。

 当泄水建筑物的型式采用开敞式的河床溢流坝（或河岸溢洪道），则需要拟定几组溢流坝（或溢洪道）的堰顶高程和溢流坝（溢洪道）的前沿净宽。

 当泄水建筑物的型式采用坝身泄水孔，则需要拟定几组泄水孔的进口高程和泄水孔的孔口尺寸。

 如果是进行导流建筑物断面尺寸的确定，则需要拟定几组导流明渠的断面尺寸或导流隧洞的断面尺寸。

（3）绘制下泄流量与水库水位的关系曲线

根据拟定的孔口尺寸及基本资料，绘制相应的下泄流量与水库水位的关系曲线 。

（4）调洪演算求解设计或校核洪水位和最大下泄流量

 采用试算法或单辅助线法，求解不同孔口尺寸条件下的设计或校核洪水位和最大下泄流量。

 根据求解的最高洪水位、最大下泄流量及工程规划时的限制条件，可以判断是否超过上游淹没限制条件，是否符合河道下游防洪要求。

（5）技术经济比较确定泄水建筑物的孔口尺寸

调洪演算完成后，需要通过技术经济比较确定泄水建筑物的孔口尺寸。

 选定的孔口尺寸应满足上游淹没限制条件和符合下游防洪要求的泄水建筑物的孔口尺寸，由此也就确定所设计工程的设计洪水位和校核洪水位。

 初步选定的孔口尺寸一般包括闸孔口总净宽和堰顶高程，由于受挡水闸门的宽度有限，最后还需要对闸孔口总净宽进行分孔，确定每孔净宽及孔数。

（一般：①从运行角度分析，闸孔孔数多、孔口小且孔数为单数便于灵活调度和对称开启。

②从工程量及投资分析，在金属结构方面，闸门及埋件总重量随孔数的增加而略有增加，相应启闭设备总重则基本相同；在土建方面，随孔数增加，闸墩数增加，闸孔口总宽度增加，相应各方案开挖量、混凝土量及钢筋量均逐渐加大；在工程投资方面，随孔数增加,工程投资增大。

③此外，随孔数增加，整个泄水建筑物所需要的宽度增加，当河床宽度不够时，势必增加两岸山体的开挖工程量。）

调洪演算时应考虑的问题：

（1）起调水位的确定

起调水位一般为正常水位或汛前限制水位。当上游来水量小于正常水位或汛前限制水位闸门全开时的泄量时，由闸门控制，来多少流量，泄多少流量，不进行调蓄计算。

（2）起调时刻

起调时刻为当上游来水流量等于正常水位或汛前限制水位闸门全开的泄量时，闸门全开，开始进行调洪演算。

（3）参加泄洪调蓄的建筑物

对所设计的枢纽工程应分析其中参加泄洪调蓄的建筑物，如在绘制下泄流量与水库水位的关系曲线 时，是否应计入电站机组发电流量，放空建筑物是否参加泄洪调蓄等。

（4）上游最高淹没限制水位

上游最高淹没限制水位涉及到上游淹没、移民搬迁诸多问题，梯级开发的水电站还受到上一级发电尾水的限制，应根据河流开发规划确定的上游最高淹没限制水位。

（5）下游河道允许的安全泄量

根据下游河道的防洪标准确定泄水建筑物的最大安全泄量，以作为选择泄水建筑物的孔口尺寸的限制条件。

2、3  初步拟定泄水建筑物的孔口尺寸

为避免在初步拟定泄水建筑物的孔口尺寸时的盲目性，对采用开敞式溢流坝（溢洪道）的泄水建筑物形式的可按如下方法初步拟定其孔口的尺寸。

2.3.1 溢流坝（溢洪道）孔口总净宽 

溢流坝（溢洪道）孔口总净宽可按（3-3）式初步拟定。

B=Q/q          （3-3）

式中，Q——满足下游河道防洪标准的允许最大下泄流量， 。

q——由坝址地质条件确定的允许单宽流量， 。

工程上常采用的单宽流量为：

 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=50~80 m3/(s?m)；

 对于坚硬的岩石，q=100~130 m3/(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，如汉江的安康水电站，最大坝高128m，最大下泄流量35700 ，采用宽尾墩和消力池联合削能，单宽流量达250 m3/(s?m)。

2、3、2  初步拟定溢流坝（溢洪道）的堰顶高程 

采用较低的堰顶高程，校核洪水位及坝顶高程也可降低，一般：

 随着堰顶高程的下降，闸门高度增高，闸门金属结构量增大，投资相对增加。

 随着堰顶高程的下降，坝顶高程在一定范围内可以适当降低，坝体混凝土工程量也有所减少。

 随着堰顶高程的下降，泄洪流量增大，下游河道防洪标准相应降低。

因此需要通过综合考虑确定堰顶高程。

3.  表孔泄水建筑物（溢流坝剖面）设计要点 

 表孔泄水建筑物的孔口尺寸以及闸孔口分孔工作，在水库的调洪演算时已完成，在此主要是拟定表孔泄水建筑物的纵向剖面的结构形式及尺寸。

 一般情况下，溢流坝剖面是在非溢流坝剖面的基础上修改而成的。溢流坝剖面由堰顶溢流段、中部直线段、下游反弧段组成。

 图3-15  三峡水利枢纽表孔泄水建筑物

3.1  溢流坝剖面设计

图3-16  丹江口水利枢纽表孔泄水建筑物

                                         

3.1.1 溢流坝顶下游面曲线段 

 溢流坝堰面曲线可以采用克—奥I型曲线和WES幂曲线两种型式。

 采用克—奥I型曲线时，溢流坝剖面往往超过稳定和强度要求，其曲线的表达采用坐标形式，坐标内插烦琐且施工防样不便。

 采用WES幂曲线，使得溢流坝剖面较小，具有较大的流量系数，便于施工防样。

3、1、2  溢流坝顶上游面曲线段 

 溢流坝上游端(图3-18)一般采用椭圆或三心园曲线。

图3-18 溢流坝上游端曲线面

3、1、3  反弧段

 反弧段上流速愈大，要求反弧半径愈大，这样反弧段上流速分布愈均匀，动水压力愈小，与下游衔接愈好。

3、1、4  溢流坝剖面与非溢流坝剖面的配合

（1）重力坝枢纽中溢流坝剖面与重力坝基本剖面的配合(图3-22)

 溢流坝剖面下游的WES曲线与重力坝基本剖面在C点相切，C点的斜率等于重力坝基本剖面的下游坡率 ，即溢流坝剖面的下游直线段其斜率一般与非溢流坝剖面下游坝坡相同。

 当溢流坝顶的溢流面曲线超过重力坝基本剖面之外时，可将溢流坝做成倒悬的堰顶，以满足溢流面曲线的要求。

图3-22 溢流坝剖面与非溢流坝基本剖面的配合

（2）拱坝枢纽中溢流坝剖面与非溢流坝基本剖面的配合(图3-23)

 当溢流坝布置在河床中间，与非溢流坝剖面（拱冠梁剖面）配合，当溢流坝布置在左右两岸，与相应位置的非溢流坝剖面配合。

 下游直线段坡比，一方面应尽可能与堰顶出流水舌的底缘一致，另一方面还应满足溢流坝段的稳定性和强度要求，可在1：0.6～0.8范围内选取。

图3-23  溢流坝剖面与非溢流坝基本剖面的配合

3 、2  溢流坝坝顶构造 

3.2.1 闸门的选型及布置

溢流坝坝顶上需布置工作闸门和检修闸门，闸门的形式主要有弧形闸门或平板门。
3.2.1.1  闸门的结构型式

闸门的结构型式主要有  弧形闸门 和平板闸门。

（1）弧形闸门(图3-24 )

图3-24 弧形闸门

 弧形闸门的优点：

①作用于闸门上的总水压力通过转动中心，闸门启闭时只产生数值不大的摩阻力矩，故启闭省力，可降低启闭设备的造价。

②弧形门无需门槽，可减薄墩厚，水流条件也较好。

③所需机架桥的高度较小。

④埋设件的数量较少。 

⑤闸门开启迅速。

 弧形闸门的缺点

①闸门支承臂较长，故所需闸墩较长。

②门叶所占的空间位置较大，且不能提出孔口进行检修维护，不能在孔口间互换。

③支臂支撑处纵向推力较大，有时还产生侧向推力，因而闸墩设计较复杂，钢筋用量较大。

④弧形门的构造比平板门稍复杂，制作安装也稍困难。

（2）平板闸门(图3-25)

图3-25 平板闸门

 平板闸门的优点

①可封闭相当大的面积的孔口。

②在顺水流方向的空间尺寸较小。

③门叶可移出孔口，便于检修维护；且门叶之间可在孔口间互换，故在孔口较多时，可兼作它孔的事故门或检修门，对移动式启闭机的适应性较好。

④门叶可沿高度分成几段，便于在工地组装。

 平板闸门的缺点

①需要较高的机架桥和较厚的闸墩（但升卧式平面闸门并不需要很高的机架桥）。

②具有影响水流条件的门槽，对高水头闸门特别不利，容易引起空蚀现象。

③埋设件数量较大。

④所需启闭力较大，且受摩擦阻力的影响较大，需要选用较大容量的启闭设备。

3、2、1、2  工作闸门和检修闸门的选型     

图3-26   工作闸门和检修闸门的布置

（1）工作闸门(图3-27)

 工作闸门用于短期调节下泄流量，在动水中启闭，启闭力要求较大，因此闸门的型式可以采用弧形闸门或平板闸门。

 工作闸门顶部高程为正常蓄水位+1～1.5m的超高。

图3-27 工作闸门布置示意图

 工作闸门底缘与堰顶接触点的位置，一般宜设在堰顶最高点的下游侧，以利于压低泄流水舌和减少堰面出现负压的机会。  

（2）检修闸门

 检修闸门用于短期挡水，以便对工作闸门及机械设备检修。

 检修闸门一般在静水中启闭，启闭力较小，因此闸门的形式一般采用平板闸门，使各闸孔可交替使用平板检修闸门。

 当库水位在检修期低于坝顶高程时，可不设检修闸门。

3、2、2  闸墩   

 闸墩的作用是分隔闸孔、承受传递水压力、支承闸墩上部结构重量(图3-28)。

闸墩平面形式( 图3-29)，应使水流平顺，减少孔口水流的侧收缩，在上下游墩头部位一般采用流线型（尖园形）或半圆形。

 图3-29   闸墩平面形式

图3-28 闸墩的作用

 

 闸墩的高度及长度应满足闸门、工作桥、交通桥、启闭设备的布置和运行要求。

 闸墩的厚度应由强度、稳定条件决定，要求 ，对于大型平面闸门( 图3-30 )，工作闸门槽深0.5～2.0 m，门槽净宽1.0～3.0 m。

 图3-30 平面闸门门槽

 对于重力坝枢纽工程，闸墩在平面上的布置有两种形式(图3-31 )，闸墩位于溢流坝段的中心线上（即溢流坝段的横缝布置在闸孔的中间）；闸墩位于溢流坝段的两端（即溢流坝段的横缝布置在闸墩的中间）。

(a)                      (b)

图3-31 溢流坝段横缝的布置

(a) 横缝布置在闸墩的中间      (b) 横缝布置在闸孔的中间

3、2、4  边墩和导墙   

 边墩的作用是分隔溢流坝段，非溢流坝段。

 导墙是边墩向下游的延续(图3-34)，用于分隔下泄水流与坝后电站的出水水流。采用底流消能时，导墙要延伸到护坦末端；采用挑流消能时，导墙至少应与鼻坎端部齐平；有时为了与坝后式电站分隔开，导墙长度要延伸到厂房后一定的距离，以减少溢流时挑射水流和尾水波动对电站的影响。

 导墙的高度应高出掺气后的溢流水面以上1.0~1.5m。

图3-34 溢流坝上的导墙及边墩

3 、2、5  工作桥及交通桥    （1）溢流坝上常设置工作桥，桥上布置固定式或移动式启起闭机械。布置平面闸门启起闭设备的工作桥，其高度应保证平面闸门能脱槽检修或使用，桥宽应满足安置启闭机、供操作人员工作的要求，一般取3.0~4.0m，工作桥的结构形式可以采用板梁式结构。

图3-35 溢流坝上的工作桥和交通桥

（2）当修建闸、坝等水工建筑物时，也常在建筑物顶部修建桥梁以沟通两岸交通，交通桥的布置应考虑与非溢流坝坝顶交通相沟通。

 闸、坝上的桥梁净宽无统一规定，一般根据车辆类型、荷载及运行要求确定。

 一般生产桥桥面净宽2.5m，拖拉机桥3.5~4.0m，低标准公路桥桥面净宽4.5m。 

 按公路等级确定：三级公路为净—7.0m，四级公路为净—4.5m；人行道为0.75m、1.0m或1.5m。

 交通桥可以采用单跨简支梁式，也可以采用连续梁式。

（3）作用在桥梁上的荷载主要有

 恒载：包括桥梁上部结构物自身重力及附属设备重、填土重及土压力等；

 活载：包括人群荷载、车辆荷载及其产生的冲击力、制动力以及所引起的土侧压力等；

 其它荷载：包括温度变化及混凝土收缩而引起的力、梁桥简易支座的摩阻力、以及施工荷载、冰及漂浮物对墩台的撞击力等。

3、3  溢流坝下游的消能计算  

              溢流坝常用的四种消能工程型式的特点见3-5表。

表3-5  溢流坝下游的消能工程型式

  

消能方式	设计计算参数	优点	缺点	适用条件
挑流消能	反弧半径：R     挑角：θ	工程量小	冲刷大、雾气大	基岩好、ΔH大
底流消能	池长:L     池深	当Fr=4.5～9，消能稳定	工程量大	河床基岩差，H 下 变幅大
面流消能	反弧半径：R     挑角：θ     挑坎高度：a	工程量小	出流态不易控制	尾水变幅不大
消力戽消能	反弧半径：R     挑角：θ     挑坎高度：a	工程量小，消能效率高	出流态不易控制	尾水变幅不大

 (1)挑流消能工程(图3-36)

图3-36 挑流消能工程

 (2) 底流消能工程(图3-37)

图3-37 底流消能工程

4.  底孔泄水建筑物设计要点 

坝身泄水孔是重力坝和拱坝常用的型式之一，根据孔口在坝体上的位置，可分为中孔和深孔。

4.1 坝身泄水孔的进口高程及孔口尺寸

坝身泄水孔的进口高程除应满足工程要求的泄放水流的要求外，还应满足最小淹没水深的要求。

若坝身泄水孔主要用于放空水库，就应该按照工程的放空要求确定其进口高程及孔口尺寸，本节以放空底孔的进口高程及孔口尺寸的确定为例，介绍坝身泄水孔的进口高程及孔口尺寸的确定。

放空底孔的进口高程及断面尺寸的拟定需要进行通过放空计算确定。即首先初步拟定几组底孔的进口高程及断面尺寸，进行放空计算，选择一组满足放空要求的底孔进口高程及断面尺寸。

4.1.1 放空底孔的进口高程

 用于放空目的的底孔的进口高程，应位于淤砂高程之上，在最低放空水位之下并满足最小淹没深的要求，即放空底孔在最低放空水位时应满足最小淹没深的要求。

________________________________________

 若底孔进口以上水深淹没不足，在水面上会发生立轴旋涡，严重时可贯通而将空气引至放空孔洞内，引起放空孔洞内混凝土的空蚀。

4 、1、2 放空时间计算的初始条件  
（1）放空时间  应根据所设计的枢纽工程的基本设计资料确定放空库水的时间。

（2）放空水位  放空水位一般是从正常水位放至死水位，或根据所设计的枢纽工程的基本设计资料确定。

（3）参加放空泄水的建筑物 根据所设计的枢纽工程的具体情况，确定在放空时段内参加放空泄水的建筑物的泄水流量，一般应计入电站的引用流量。

（4）放空时段内的上游来水量 放空时段一般选择在枯水期，根据所设计的枢纽工程的水文资料查找该时段的上游来水量。

4 、1、3 放空时间计算 

当从正常水位至放空水位的水位高差较大时，放空时间应分几个水位段进行计算，见图3-38，可以参考表3-6进行放空时间计算。

  图3-38 放空时间计算示意图

4 、2  坝身泄水孔的进口段布置 
坝身泄水孔的进口段需要设置进口渐变段（喇叭口段）、通气孔、平压管、压坡段等。
    4.2.1  进口渐变段

进口渐变段(图3-39)应使进口水流平顺，减少水头损失，控制负压生产，其体型应符合流线型。

常采用的型式是一个三向或四向收缩的矩形喇叭形进水口，喇叭口的上唇曲线为1/4椭圆，长轴孔口高度，短轴 ，喇叭口的两侧曲线为1/4椭圆，长轴=孔宽度，短轴 ，喇叭口的下唇曲线可以同上唇曲线为1/4椭圆，或为1/4圆。

图3-39 进口渐变段

 

4 、2、2 通气孔 
通气孔作用是

对于无压泄水孔用于向明流段充气，避免孔内产生负压及空蚀现象，并可减弱水流的波动。

对于有压泄水孔(图3-40)，当上游关闭检修门，开启工作闸门进行洞内检修时，用于对洞内进行补气；检修完毕后，在检修闸门与工作闸门间需充水平压，以减少检修闸门的启闭力，这时通气孔起排气作用。

图3-40 有压泄水孔通气孔布置

通气孔布置原则：

（1）有利于安全操作的正常运用。

（2）通气孔顶端应在上游高水位以上，并与启闭机室分开，外口应有防护罩。

（3）通气孔内口应尽量靠近闸门下游面，并力求设在门后管道顶板最高位置。

（4）通气孔体形力求平顺，避免突变，在必须转弯处，应适当加大弯道半径，以减少气流阻力。

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通气孔面积选择：

由于影响补气量的因素很多，目前通气孔孔口尺寸的确定仍停留在经验阶从而。以前设计使用补气量公式最常用的是康拜尔经验公式。目前依据水利水电工程钢闸门设计规范设于泄水管道中的工作闸门或事故闸门，其门后通气孔面积可按下列经验公式计算：

4、2、3  平压管 

 平压管是设在泄水孔或隧洞前后两个闸门之间的闸墩或边墩内的水管，或设在闸门上的一种管阀。

 当泄水孔或隧洞检修完毕后，放下工作闸门，通过平压管向两个闸门之间充水，使检修闸门前后的水压力相等，可以有效地减少检修闸门的启门力。

 管径一般为20cm。

4、2、4  拦污栅 

拦污栅是设置在进口最前端的一种格栅，以阻止较大的漂浮物进入遂洞。（见第四章，2、1、3进水口主要设备的设计）

4、2、5  渐变段  

 进出口部位为适应闸门的要求而设计成矩形，有压泄水孔孔身段一般采用圆形断面，圆形断面过水能力大，受力条件好，所以在闸门与孔身段之间应设置足够长度的渐变段，以使水流平顺过渡。

 渐变段的长度一般为孔径的2~3倍。（详见第四章，2、1、2  进水口的型式和尺寸）

4、2、6  闸门槽的形状和尺寸 

进口检修闸门一般采用平板闸门，支承闸门的闸门槽常因体形形状不当，造成水流脱壁，产生空蚀破坏。因此在高水头的情况下，闸门槽应采用图3-41所示的形状，使水流平顺地沿侧壁斜坡流动。

图3-41 平板闸门门槽形式

4、2、7  压坡段  

 有压泄水孔出口控制着整个泄水孔内压力的分布状况，考虑到泄水孔内可能因局部体形不当或其他问题出现压力降低，产生空蚀破坏，一般在有压泄水孔出口处应设设置收缩断面，增加孔内压力，改善出口压力分布，以保证洞内为满流状态。

 压坡段(图3-42)顶部坡率一般采用1：4~1：6之间，或收缩量大致为孔身面积的10%~15%，其长度一般为3m~6m。

图3-42 有压孔洞和无压孔洞示意图

4、3  孔身段布置 

 有压泄水孔孔身段可以采用圆形断面，这样需要在检修闸门之后和工作闸门之前设置渐变段。

 无压泄水孔明流段部分需要保证在泄水水面线以上有一定的净空余幅，所以其设计较复杂。

4.3.1 无压泄水孔明流段底缘曲线

4、3、1  无压泄水孔明流段底缘曲线无压泄水孔在工作闸门后明流段的底部应与孔口出流水舌的底缘一致，一般采用射流抛物线线型(图3-43)，在闸孔与抛物线起点之间设一段直线缓冲段，也可以直接做成一定坡度的直线形。

图3-43 无压泄水孔明流段底缘曲线

4、3、2  无压泄水孔明流段顶部高程

 无压泄水孔明流段的顶部高程应在泄水水面线上保持一定高度的净空(图3-44)。

 当孔身段为矩形时，净空高度可为最大流量时不掺气水深的30%~50%。

 当孔身段为城门洞形时，拱角距水面的高度可为最大流量时不掺气水深的20%~30%。

5.  岸边正槽式溢洪道设计要点     

岸边正槽式溢洪道的孔口尺寸以及闸孔口分孔工作，在水库的调洪演算时已完成，在此主要是拟定岸边正槽式溢洪道的纵向剖面结构形式及尺寸。

图3-46   正槽式溢洪道的上下游视图

5.1  正槽式溢洪道的位置选择

5 、1  正槽式溢洪道的位置选择

图3-47 西北口水库正槽式溢洪道

5.1.1 地形条件 

 尽可能选择原地面高程与正常蓄水位高程相近垭口作为布置正槽式溢洪道的位置，使工程的开挖量小。

 尽可能使上游引渠短，以减小水头损失。

 要有利于下泄洪水归入原河道。

5、1、2  地质条件 

 布置正槽式溢洪道轴线的两岸山坡应有一定的整体稳定性，良好的基岩可节省溢洪道泄水槽混凝土衬砌的工程量。

5、1、3  管理运行 

正槽式溢洪道位置选择应使整个水利枢纽管理运行方便。

5、2  溢洪道的过水流量校核对调洪演算拟定的溢洪道孔口进行分孔，确定了闸墩的形式和厚度后，应准确地确定流量系数和收缩系数，再根据式（3-）校核其过水流量。

5、3  正槽式溢洪道各组成部分的设计  

正槽式溢洪道由引水渠、溢流堰（控制堰）、泄水槽、消能设施、尾水渠组成（图3-49 ）。

5.3.1 引水渠 

5、3、1  引水渠   

 引水渠作用是将库水平顺引至溢流堰前。

 引水渠（图3-50）在平面布置上应尽可能短，以减小水头损失，避免平面布置上的转弯。

图3-50 引水渠示意图

 引水渠横断面一般为梯形断面，断面要足够大，使得过水流速 之内。

 引水渠纵断面的底坡为平底，或不大的逆坡。

5、3、2  溢流堰（控制堰）    

 溢流堰（图3-51）的作用是控制溢洪道的泄水能力。

图3-51 溢流堰的上下游视图

________________________________________

 溢流堰形成控制的条件是：溢流堰前的引水渠断面要足够大，溢流堰后的泄水槽底坡要足够陡，两者的过水能力均超过溢流堰时，溢流堰才能起到控制整个溢洪道的泄水能力的作用。

 溢流堰的堰型(图3-52)有宽顶堰、低实用堰、驼峰堰（复合园弧构成的低堰）。

图3- 52    溢流堰的堰型

5、3、3  泄水槽（陡坡段）    

 泄水槽的作用是将下泄洪水由水库的上游水位高程降至下游水位高程。

 泄水槽设计的主要任务是确定泄水槽底坡和泄水槽的横断面尺寸。

过大的泄水槽底坡会使得泄水槽段的土石方可挖量增大。因此在确定泄水槽底坡时，应首先根据布置泄水槽段的原地面线的坡度和覆盖层的厚度初步拟定泄水槽的底坡，再判断其是否满足大于水流的临界底坡的要求，并作适当调整。

 (2) 泄水槽的布置(图3-54)

 泄水槽在平面布置上宜直线布置，不宜转弯；若必须转弯，转弯半径大于10倍的泄水槽底宽。

 泄水槽在平面布置上采取收缩段，可减少开挖量，但收缩角要求小，以使得冲击波小。

 泄水槽在平面布置上采取扩散段，可以减小出口单宽流量，但扩散角应小于高速水流的自然扩散角，以免水流脱离边壁生产竖轴旋涡，初步设计时，可按式（3-）确定。

 泄水槽在纵断面上宜采用单一的底坡；坡度由陡变缓，边坡处由反弧段连接；坡度由缓变陡，边坡处由抛物线连接。  

图3-54 泄水槽的收缩段和扩散段布置图及泄水槽纵向变坡

（3）泄水槽的水面线计算及横断面设计

     泄水槽横断面上的侧墙高度应在泄水水面线上加上一定的超高确定。

（4）泄水槽的结构计算 

   泄水槽横断面一般采用矩形断面(图3-56)， 断面尺寸根据明渠流（ ）公式确定，由泄水水面线上加超高确定边墙高度。 

图3-56  泄水槽横断面示意图 

   作用于泄水槽衬砌的荷载有自重、时均动水压力、脉动压力、水流拖曳力和扬压力等，不易确切计算取值。因此泄槽底板一般需要衬砌，目的是防止冲刷，保护岩石免受风化，防止高速水流钻入基岩裂隙后导致岩石掀起，维持溢洪道泄水的稳定正常运行。 

   底板的衬砌厚度，在岩基一般为30~60cm ；在土基一般为70~100cm 。

   侧墙结构计算同挡土墙（参见《水工建筑物》课件，第八章水闸，两岸连接建筑物）。

5、3、4  消能防冲段  

 消能防冲段的作用是消除泄水槽下来的高速水流的能量。

 消能工程的形式可以采用底流消能和挑流消能的工程形式。

 底流消能工程需要计算消力池池深和池长。

 挑流消能工程需要确定挑流鼻坎的挑射角、挑流鼻坎末端的高程、计算挑流射程和冲坑深，一般挑射角取 。

5、3、5  尾水渠    

 尾水渠的作用是将溢洪道下泄的洪水平顺引至下游河道。

 断面尺寸由明渠流（ ）公式确定。

5、4  溢洪道的细部构造  

 溢流堰需要设置纵向的收缩缝，泄水槽的底板衬砌需用纵横向的收缩缝分开，纵横缝的间距一般为10~15 m。 

 泄水槽的底板的纵横缝一般可采用平缝。当地基不均匀性明显时，横缝宜采用半搭接缝、全搭接缝或键槽缝（图3-57 ）。衬砌的纵缝和横缝下面都必须设置排水设备，并应纵横连通，渗水集中到纵向排水内排入下游。

 泄槽的两侧边墙（见5、3、3  泄水槽，图3-56），如岩石良好，也可采用衬砌的形式。衬砌厚度一般不小于0.3m，需用钢筋锚固。边墙本身不设纵缝，与底板之间用纵缝隔离。当岩石比较软弱时，需将边墙做成重力式的挡土墙。边墙背面同样应做好排水，并与底板下的横向排水管连通。 

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