第六节　溢流重力坝

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。

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。溢流坝应满足以下泄洪的设计要求。

（1）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。

（2）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。

（3）保证下游河床不产生危及坝体安全的冲坑和冲刷。

（4）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。

（5）有灵活控制水流下泄的设备，如闸门、启闭机等。

溢流坝的设计，既有结构问题，也有水力学问题，如冲刷、空蚀、脉动、掺气、消能等。对这些问题的研究，近年来虽然在试验和计算方面都取得了很大的进展，但在很多方面仍有待深入研究。

二、溢流坝的泄水方式

溢流坝的泄水方式有堰顶溢流式和孔口溢流式两种，下面分别介绍。

1.堰顶溢流式

根据运用要求［图2－21（a）］，堰顶可以设闸门，也可以不设闸门。

不设闸门时，堰顶高程等于水库的正常蓄水位，泄水时，靠壅高库内水位增加下泄量，这种情况增加了库内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，还可以用于排泄其他漂浮物。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，堰顶高程较低，可利用闸门不同开启度调节库内水位和下泄流量，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［图2－21（b）］，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［图2－21（c）］。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

溢流坝的基本剖面也呈三角形。上游坝面可以做成铅直面，也可以做成折坡面。溢流面由顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分组成，如图2－22所示。设计要求：①有较高的流量系数，泄流能力大；②水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；③形体简单、造价低、便于施工等。

（一）溢流坝的堰面曲线

1.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—奥曲线和幂曲线（或称WES曲线）两种。克—奥曲线与幂曲线在堰顶以下（2/5～1/2）Hs（Hs为定型设计水头）范围内基本重合，在此范围以外，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2－23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（2－45），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。

（1）开敞式溢流堰面曲线。如图2－23所示，采用幂曲线时按下式和表2－13计算：

式中　Hs——定型设计水头，按堰顶最大作用水头Hzmax的75%～95%计算，m；

n、K——与上游坝面坡度有关的指数和系数，见表2－13；

x、y——溢流面曲线的坐标，其原点设在堰面曲线的最高点。

原点上游宜用椭圆曲线，其方程式为

式中　aHs、bHs——椭圆曲线的长轴和短轴，若上游面铅直，a、b可按下式选取：

当采用倒悬堰顶时（图2－24）应满足

仍可采用式（2－46）计算。

选择不同定型设计水头时，堰顶可能出现最大负压值见表2－14。

其他作用水头Hz下的流量系数ms和定型设计水头Hs情况下的流量系数m的比值见表2－15。

（2）设有胸墙的堰面曲线。如图2－25所示，当堰顶最大作用水头Hzmax（孔口中心线以上）与孔口高度（D）的比值Hzmax/D＞1.5时，或闸门全开仍属孔口泄流时，可按下式设计堰面曲线：

式中　Hs——定型设计水头，一般取孔口中心线至水库校核洪水位的水头的75%～95%；

φ——孔口收缩断面上的流速系数，一般取φ＝0.96，若孔前设有检修闸门取φ＝0.95；

x、y——曲线坐标，其原点设在堰顶最高点，如图2－25所示；

其余符号意义同前。

坐标原点的上游段可采用单圆曲线、复合圆曲线或椭圆曲线与上游坝面连接，胸墙底缘也可采用圆弧或椭圆曲线外形，原点上游曲线与胸墙底缘曲线应通盘考虑，若1.2＜Hzmax/D＜1.5时，堰面曲线应通过试验确定。

按定型设计水头确定的溢流面顶部曲线，当通过校核洪水时将出现负压，一般要求负压值不超过3～6m水柱高。

2.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。

3.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。反弧最低点的流速越大，要求反弧半径越大。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。

（二）溢流坝剖面设计

溢流坝的实用剖面，是在三角形基本剖面基础上结合堰面曲线修改而成的，在剖面设计时往往会出现以下两种情况。

1.溢流坝堰面曲线超出基本三角形剖面

如图2－26（a）所示，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。

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ABC，将基本三角形的下游边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）。

2.溢流堰面曲线落在三角形基本剖面以内

如图2－26（b）所示，当溢流重力坝剖面小于基本三角形剖面时，可适当调整堰顶曲线。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。

3.具有挑流鼻坎的溢流坝

鼻坎超出基本三角形剖面以外时，（图2－27），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。

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。

1.洪水标准

永久性建筑物的洪水标准见第一章。

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。单宽流量越大，下泄水流的动能越集中，消能问题就越突出，下游局部冲刷会越严重，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。工程实践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＝100～150m3/（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，龚嘴水电站的单宽流量达254.2m3/（s·m），目前正在建设中的安康水电站的单宽流量达282.7m3/（s· m）。而委内瑞拉的古里坝，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，再减去泄水孔和其他建筑物下泄流量之和Q0，即得Q溢（m3/s）。

式中　Q0——经由电站、船闸及其他泄水孔下泄的流量；

α——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（m，不包括闸墩厚度）为

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（m）为

经调洪演算求得设计洪水位及相应的下泄流量后，可利用下式计算堰顶水头Hz（m），此时堰顶水头包括流速水头在内。当采用开敞式溢流坝泄流时，得

式中　B——溢流孔净宽，m；

mz——流量系数，可从有关水力计算手册中查得；

ε——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；

σm——淹没系数，视淹没程度而定；

g——重力加速度，取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，得

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；

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

（1）泄洪要求。对于大型工程，应通过水工模型试验检验泄流能力。

（2）闸门和启闭机械。孔口宽度越大，启门力也越大，工作桥的跨度也相应加长。此外，闸门应有合理的宽高比，常采用的b/H≈1.5～2.0。为了便于闸门的设计和制造，应尽量采用规范推荐的孔口尺寸标准。

（3）枢纽布置。孔口高度越大，单宽流量越大，溢流坝段越短；孔口宽度越小，孔数越多，闸墩数也越多，溢流坝段总长度也相应加大。

（4）下游水流条件。单宽流量越大，下游消能问题就越突出。为了对称均衡开启闸门，以控制下游河床水流流态，孔口数目最好采用奇数。

当校核洪水与设计洪水相差较大时，应考虑非常泄洪措施，如适当加长溢流前缘长度；当地形、地质条件适宜时，还可以像土坝一样设置岸边非常溢洪道。

溢流坝段的横缝有以下两种布置方式（图2－28）：①缝设在闸墩中间，当各坝段间产生不均匀沉降时，不致影响闸门启闭，工作可靠，缺点是闸墩厚度较大；②缝设在溢流孔跨中，闸墩厚度较薄，但易受地基不均匀沉降的影响，且高速水流在横缝上通过，易造成局部冲刷、气蚀和水流不畅。

五、溢流坝的消能防冲

因为溢流坝下泄的水流具有很大的动能，常高达几百万甚至几千万千瓦，潘家口和丹江口坝的最大泄洪功率均接近3000万kW，如此巨大的能量，若不妥善进行处理，势必导致下游河床被严重冲刷，甚至造成岸坡坍塌和大坝失事。所以，消能措施的合理选择和设计，对枢纽布置、大坝安全及工程造价都有重要意义。

通过溢流坝下泄的水流具有巨大的能量，它主要消耗在三个方面：一是水流内部的互相撞击和摩擦；二是下泄水体与空气之间的掺气摩阻；三是下泄水流与固体边界（如坝面、护坦、岸坡、河床）之间的摩擦和撞击。

消能工消能是通过局部水力现象，把一部分水流的动能转换成热能，随水流散逸。实现这种能量转换的途径有水流内部的紊动、掺混、剪切及旋滚，水股的扩散及水股之间的碰撞，水流与固体边界的剧烈摩擦和撞击，水流与周围空气的摩擦和掺混等。消能形式的选择，要根据枢纽布置、地形、地质、水文、施工和运用等条件确定。消能工的设计原则：①尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上；②不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；③下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行；④结构简单，工作可靠；⑤工程量小，造价低。

常用的消能方式有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等。消能方式的选择主要取决于水利枢纽的具体条件，根据水头及单宽流量的大小，下游水深及其变幅，坝基地质、地形条件以及枢纽布置情况等，经技术经济比较后选定。

1.底流消能

底流消能（图2－29）是在坝下设置消力池、消力坎或综合式消力池和其他辅助消能设施，促使下泄水流在限定的范围内产生水跃。主要通过水流内部的漩滚、摩擦、掺气和撞击达到消能的目的，以减轻对下游河床的冲刷。底流消能工作可靠，但工程量较大，多用于低水头、大流量的溢流重力坝。有关底流式水跃消能防冲设计，可参考本书第五章有关部分。

2.挑流消能

挑流消能是利用溢流坝下游反弧段的鼻坎，将下泄的高速水流挑射抛向空中，抛射水流在掺入大量空气时消耗部分能量，而后落到距坝较远的下游河床水垫中产生强烈的漩滚，并冲刷河床形成冲坑，随着冲坑的逐渐加深，大量能量消耗在水流漩滚的摩擦之中，冲坑也逐渐趋于稳定。鼻坎挑流消能一般适用于基岩比较坚固的中、高溢流重力坝。

鼻坎挑流消能设计主要包括：选择合适的鼻坎型式、鼻坎高程、挑射角度、反弧半径、鼻坎构造和尺寸；计算挑射距离和最大冲坑深度。挑流形成的冲坑应保证不影响坝体及其他建筑物的安全。

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，如图2－30所示。连续式挑流鼻坎构造简单、射程较远，鼻坎上水流平顺、不易产生空蚀。

鼻坎挑射角度，一般情况下取θ＝20°～25°。对于深水河槽以选用θ＝15°～20°为宜。加大挑射角，虽然可以增加挑射距离，但由于水舌入水角（水舌与下游水面的交角）加大，使冲坑加深。

鼻坎反弧半径R一般采用（8～10）h，h为反弧最低点处的水深。R太小时鼻坎水流转向不顺畅；R过大时将迫使鼻坎向下延伸太长，增加了鼻坎工程量。鼻坎反弧也可采用抛物线，曲率半径由大到小，这样，既可以获得较大的挑射角θ，又不致于增加鼻坎工程量，但鼻坎施工复杂，在实际运用中受到限制。

鼻坎高程应高于鼻坎附近下游最高水位1～2m。

由于冲坑最深点大致落在水舌外缘的延长线上，故挑射距离按以下公式估算：

式中　L——水舌挑射距离，m，挑流鼻坎下垂直面至冲坑最深点的水平距离；

v1——坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍计；

H0——库水位至坎顶的落差；

φ——堰面流速系数；

θ——鼻坎的挑角；

h1——坎顶平均水深h在铅直方向的投影，m；

h2——坎顶至下游河床面高差，m，如冲坑已经形成，在计算冲坑进一步发展时，可算至坑底。

最大冲坑水垫厚度tk的数值与很多因素有关，特别是河床的地质条件，目前估算的公式很多。据统计，在比较接近的几个估算公式中，计算结果相差也高达30%～50%，工程上常按下式估算：

式中　tk——水垫厚度，自水面算至坑底，m；

q——单宽流量，m3/（s·m）；

H——上下游水位差，m；

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

最大冲坑水垫厚度tk求出后，根据河床水深即可求得最大冲坑深度

射流形成的冲坑是否会延伸到鼻坎处以致危及坝体安全，主要取决于最大冲坑深度与挑射距离L的比值，即值。由于L和均为近似估算值，故仅供判断时参考。一般认为，基岩倾角较陡时要求，基岩倾角较缓时要求

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。挑流消能水舌在空中扩散，使附近地区雾化，对于高水头溢流坝，雾化区可延伸数百米或更远，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。连续式挑流鼻坎构造简单、射程远、水流平顺，一般不易产生空蚀。

（2）差动式挑流鼻坎，如图2－31所示，它与连续式挑流鼻坎不同之处在于鼻坎末端设有齿坎，挑流时射流分别经齿台和凹槽挑出，形成两股具有不同挑射角的水流，两股水流除在垂直面上有较大扩散外，在侧向也有一定的扩散，加上高低水流在空中相互撞击，使掺气现象加剧，增加了空中的消能效果；同时也增加了水舌的入水范围，减小了河床的冲刷深度。据试验和原型观测，设计良好的差动式挑流鼻坎下游的冲刷深度比在连续式挑流情况下要减小35%～50%。常用的差动式挑流鼻坎有矩形差动式鼻坎和梯形差动式鼻坎两种。

3.面流消能

面流消能（图2－32）利用鼻坎将高速水流挑至尾水表面，在主流表面与河床之间形成反向漩滚，使高速水流与河床隔开，避免了对临近坝趾处河床的冲刷。由于表面主流沿水面逐渐扩散以及反向漩滚的作用，故产生消能效果。

面流消能适用于下游尾水较深（大于跃后水深），水位变幅不大，下泄流量变化范围不大，以及河床和两岸有较高的抗冲能力的情况。它的缺点是对下游水位和下泄流量变幅有严格的限制，下游水流波动较大，在较长距离内不够平稳，影响发电和航运。

4.消力戽消能

消力戽的构造类似于挑流消能设施，但其鼻坎潜没在水下，下泄水流在被鼻坎挑到水面（形成涌浪）的同时，还在消力戽内、消力戽下游的水流底部以及消力戽下游的水流表面形成三个漩滚，即所谓“一浪三滚”。消力戽的作用主要在于使戽内的漩滚消耗大量能量，并将高速水流挑至水面，以减轻对河床的冲刷。消力戽下游的两个漩滚也有一定的消能作用。由于高速主流在水流表面，故不需做护坦。

消力戽消能也像面流消能那样，要求下游尾水较深（大于跃后水深），而且下游水位和下泄流量的变幅较小，其缺点也和面流消能大体相同。

消力戽设计既要避免因下游水位过低出现自由挑流，造成严重冲刷，也需避免因下游水位过高，淹没太大，急流潜入河底淘刷坝脚。设计时可参考有关文献，针对不同流量进行水力计算，以确定反弧半径、鼻坎高度和挑射角度，如图2－33所示。

六、溢流坝的上部结构

溢流坝的上部结构主要包含闸墩、工作桥、检修桥、交通桥、启闭机等。

闸墩用来分孔，承受闸门传来的水压力，支撑工作桥和交通桥，如图2－34所示。

闸墩的断面形状应使水流平顺，减小孔口的侧收缩，其上游墩头断面常采用半圆形、椭圆形或流线形，下游断面则多采用逐渐收缩的流线形，有时也采用宽尾墩。

闸墩上游墩头可与坝体上游面齐平，也可外悬于坝顶，以满足上部结构布置的要求。

闸墩厚度与闸门型式有关。采用平面闸门时需设闸门槽，工作闸门槽深0.5～2.0m，宽1～4m，门槽处的闸墩厚度不得小于1～1.5m，以保证有足够的强度。弧形闸门闸墩的最小厚度为1.5～2.0m。如果是缝墩，墩厚要增加0.5～1.0m。由于闸墩较薄，需要配置受力钢筋和温度钢筋。

闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求。平面闸门多用活动式启闭机，轨距一般在10m左右。当交通要求不高时，工作桥可兼做交通桥使用，否则需另设交通桥。门机高度应能将闸门吊出门槽。在正常运用中，闸门提起后可用锁定装置挂在闸墩上。弧形闸门一般采用固定式启门机，要求闸门吊至溢流水面以上，工作桥应有相应的高度。交通桥则要求与非溢流坝坝顶齐平。为了改善水流条件，闸墩需向上游伸出一定长度，并将这部分做到溢流坝顶以下约一半堰顶水深处。

溢流坝两侧设边墩，起闸墩的作用，同时也起分隔溢流段和非溢流段的作用，见图2－35。边墩从坝顶延伸到坝址，边墩高度由溢流水深决定，导墙应考虑溢流面上由水流冲击波和掺气所引起的水深增高，一般高出水面1～1.5m。当采用底流式消能时，导墙需延长到消力池末端。当溢流坝与水电站并列时，导墙长度要延伸到厂房后一定的范围，以减少尾水对电站运行的影响。为防止温度裂缝，在导墙上每隔15m左右做一道伸缩缝。导墙顶厚为0.5～2.0m，下部厚度由结构计算确定。