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同学们好

本节课我们开始学习泄水重力坝

在重力坝水利枢纽中

重力坝不但可以承担挡水任务

部分坝段还可以用来泄水

承担泄洪、输水、排沙、放空水库和施工期导流等任务

泄水重力坝既是挡水建筑物

又是泄水建筑物

为满足泄洪要求

泄水重力坝需具备足够的孔口尺寸

良好的孔口体形和较高的流量系数

保证足够的过流能力

能使得水流平顺地通过坝体

不产生不利的负压、振动或空蚀破坏

需保证泄至下游的水流流态平顺

不产生危及坝体安全的冲刷破坏

以及不影响枢纽中其他建筑物的正常运行

还需具有灵活控制水流下泄的闸门、启闭机等设备

泄水重力坝的设计需重视以上多个方面

重力坝的泄水方式可分为坝顶溢流

和坝身泄水孔泄水两大类

如图所示的三峡重力坝溢流坝段

设置在河床中部

从溢流坝段断面图可以看出

采用了坝顶开敞式溢流+坝身深孔

+导流底孔的泄水方式

第一类

坝顶溢流式

也称为溢流重力坝

是重力坝枢纽中最重要的泄水建筑物

用于将多余洪水由坝顶泄向下游

以保证大坝安全

坝顶溢流式又可以分为开敞溢流式

和带胸墙的大孔口溢流式

如图所示为开敞溢流式

堰顶可以设置闸门

由闸门挡水

其闸门顶略高于正常蓄水位

堰顶高程可以做的较低

通过闸门的启闭可以调节水库水位和下泄流量

也可以不设闸门

堰顶高程与正常蓄水位齐平

结构简单

管理方便

但不便于调节水位和下泄流量

适用于洪水量较小的中小工程

通常大、中型工程的溢流坝均设有闸门

图示的开敞溢流式重力坝

在堰顶以上布置了平面闸门作为工作闸门

其上游侧设置检修闸门

在坝顶设置了用以起吊闸门的门机

下游溢流坝面坡比为1:0.75

开敞溢流式泄水时

其泄量计算公式如图所示

可以看出

其泄量与孔口数、单孔宽度、侧收缩系数

流量系数、堰顶水头等因素相关

而且是与堰顶水头H0的3/2次方成正比

也就是随着水位的升高

堰顶水头增加

其泄量的增速更快

因此

开敞溢流式泄流能力大

而且具有较强的超泄能力

宜优先考虑作为主要的泄水通道

图示照片中也采用了开敞溢流式

由边墩和中墩隔开分为3孔

采用弧形闸门挡水

坝顶设置启闭设备

泄水方式灵活

可以按照泄量的需要开启不同孔数的闸门

且闸墩、闸门及溢流面的维护检修较为方便

另外一种

带胸墙的大孔口溢流式

如图所示

在闸门上部前端设有胸墙

胸墙一般为与闸墩连接的钢筋混凝土结构

当闸门关闭时

由胸墙和闸门共同挡水

可以降低闸门高度及起吊高度

减小闸门启闭力

降低堰顶高程

而且可以根据洪水预报提前泄水

加大蓄洪库容

提高调洪能力

当库水位低于胸墙时

其泄流为开敞自由溢流式

当库水位高于孔口时

为孔口泄流

其泄量计算公式如图所示

泄量大致与堰顶水头H0的1/2次方成正比

随着堰顶水头的增加

其泄流能力增速变慢

超泄能力降低

重力坝的泄水除以上通过坝顶溢流外

还可以通过坝身泄水孔泄水

如图所示

即在坝身中部、下部设置泄水孔洞

通过闸门的启闭来控制泄水

坝身泄水孔的进口全部淹没在水下

随时可以泄水

由于进口位于水下

其作用除了宣泄部分泄水外

更适于预泄库水以加大调洪库容

放空检修、排放泥沙减少淤积、向下游供水

以及施工导流等

但由于坝身泄水孔承受的水头较高

孔内水流流速较高

易产生负压、振动和空蚀

闸门在水下承受的水压力较高

需要的启闭力较大

而且闸门和泄水孔内的检修困难

另外

坝身泄水孔泄水均属于孔口泄流

超泄能力较弱

因此

一般不用泄水孔作为主要的泄洪建筑物

可在洪水期可作为辅助泄洪之用

将以上所述的坝顶溢流

和坝身泄水孔泄洪两类方式进行比较

可以看出

坝顶溢流的超泄能力较强

但只有在水位超过堰顶后才能泄洪

不能预先泄水

运行不够灵活

其工作水头低

运行可靠

而坝身泄洪孔可预泄洪水

调节水位的能力较强

运行灵活

但超泄能力弱

工作水头较高

对其运行可靠性的要求较高

那么

两类泄水方式的设计思路是什么呢

首先是孔口尺寸的确定

需要根据洪水标准计算宣泄洪水的总规模

结合枢纽布置格局进行

各泄水建筑物泄量的分配

然后结合地形、地质和水流条件

确定各泄水建筑物的单宽流量

最终确定泄水建筑物的尺寸

重力坝的洪水标准如图所示

即重力坝级别越高

对应的设计洪水和校核洪水标准越高

通过洪水重现期标准

结合洪水分析成果

可确定设计及校核流量

泄洪单宽流量是一个重要的参数

将影响泄水孔的尺寸和枢纽布置

单宽流量的选择

与基岩承受水流冲刷的能力有关

一般来说

对于软弱岩基

其承受水流冲刷的能力较弱

单宽流量不能太大

一般可选为30~50m3/(s∙m)

对于较好的基岩

单宽流量可增加至50~90m3/(s∙m)

对于坚硬的基岩

其承受水流冲刷的能力较强

单宽流量可选为60~120m3/(s∙m)

实际工程中

也可以采用消力池

钢筋混凝土护底

护岸等加强防护措施

使得下游可承受单宽流量高达

200~300 m3/(s∙m)的冲刷强度

例如图示的龙滩重力坝

采用了合理的防护和消能措施

中间泄水坝段最大单宽流量

高达258m3/(s∙m)

单宽流量大致选定后

需根据泄流能力计算公式反推

及试算出孔口尺寸

再结合枢纽布置及下游水流条件等因素

确定孔口数目和单孔尺寸

为便于闸门的设计与制造

应尽量采用规范推荐的孔口尺寸

且为了控制下游河床的水流流态

闸门需要对称均匀开启

所以孔口数目最好采用奇数

孔口尺寸确定后

需进行后续的细部设计

对于溢流重力坝

包括溢流面的体形设计、闸墩

与坝顶布置、闸门和启闭机等

对于坝身泄水孔

还需进行进口、孔身、渐变段、出口段的设计

另外

对于二者

都还需要考虑下泄水流的消能防冲设计

这些将在下面几节课中详细介绍