溢流重力坝坝基防渗处理讲义

1、第二章 重力坝 （3） 溢流重力坝第五节 溢流重力坝溢流重力坝挡水建筑物 & 泄水建筑物坝顶溢流泄水 坝身泄水孔泄水主要功能：泄洪 输水 排沙 放空水库 施工导流溢流重力坝设计要求：有足够的孔口尺寸，良好的孔口体型，泄水时较大的流量系数使水流平顺地通过坝体，不允许产生不利的负压和振动，避免发生空蚀现象保证下游河床不产生危及坝体安全的冲刷和冲坑溢流坝段在枢纽中的位置，应使下游水流平顺，不产生折冲水流，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行有灵活的控制水流下泄的设备，如闸门、启闭机等溢流重力坝设计在溢流坝段位置确定以后，应合理选择泄水方式，并根据洪水标准和运用要求确定孔口尺寸。 溢流重力坝既能挡水又能通

2、过坝顶溢流。因此，坝体设计除要满足稳定和强度要求外，还要满足泄水要求。孔口设计孔口设计涉及因素：洪水设计标准、下游防洪要求、库水位雍高有无限制、是否利用洪水预报、过水方式以及枢纽地形、地质条件等。设计步骤： 选定泄水方式，拟定若干种泄水布置方案。初步确定空口高程、尺寸，按工程等级相应的洪水设计标准进行洪水调节演算。求出各方案的防洪库容，设计和校核洪水位及相应的下泄洪量等。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。 孔口形式坝顶溢流式不设闸门设置闸门大孔口溢流式固定胸墙活动胸墙坝顶溢流式优点：闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大。闸门全开时，下泄流量与堰顶水头H03/2成正比，

3、超泄能力强。闸门在顶部，操作方便，易于维修，安全可靠。能排水及其他漂浮物。 堰头设闸门大中型调节库水位和下泄流量 堰头不设闸门小型结构简单，管理方便大孔口溢流式上部设胸墙，降低堰顶高程。 胸墙：固接胸墙活动胸墙优点：可根据洪水预报提前放水，提高了调洪能力。确定孔口尺寸时应考虑的因素满足泄洪要求孔口宽度越大,闸门尺寸越大,启门力越大,启门和启闭机的构造就较复杂.孔口高度越大,q大,溢流坝段越短;孔口宽度越小,孔数多、闸门多，溢流段总长也相应加大。q大，消能困难，为了对称均衡开启闸门，以控制下游河床流态，孔口数目最好采用奇数。单宽流量q的确定 通过调洪演算，可得出枢纽的总下泄流量Q总。 溢流孔口下

4、泄量为：Q溢=Q总-aQ0 Q0 电站和泄水孔下泄得流量 a 系数，正常取0.750.9 ， 校核取 1.0单宽流量q确定以后,溢流孔净宽B (不包括闸墩厚度)为:B= （m） 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为:B1=nb+（n-1）d （m） 开敞式溢流坝下泄流量当采用开敞式溢流坝泄流时, 下泄流量Q溢Q溢=mzmB 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； - 收缩系数,根据闸墩厚度及闸墩头部形状而定。初设时可取 =0.900.95； m- 淹没系数,视淹

5、没程度而定； g - 重力加速度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。孔口泄流下泄流量Q溢=Ak 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； - 孔口或管道的流量系数,初设时对有胸墙的堰顶孔口,当 =2.02.4时（D为孔口高,（m）,取=0.740.82；对深孔取=0.830.93；当为有压流时, 值必须通过计算沿程及局部水头损失来确定。溢流坝剖面设计设计要求有较高的流量系数，泄流能力大；水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；形体简单、造价低、便于施工等。 顶部曲

6、线段溢流堰面曲线常采用非真空剖面曲线。克-奥曲线 & 幂曲线(或称WES曲线)克-奥曲线与幂曲线在堰顶以下(2/51/2)Hs (Hs为定型设计水头)范围内基本重合克奥曲线定出的剖面较肥大，常超出稳定和强度的需要，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。幂曲线给定曲线方程，便于计算和放样。克-奥曲线流量系数约为0.480.49，幂曲线流量系数（最大可达0.502）。 中间直线段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。 底部反弧段通常采用圆弧曲线，R=（410）h，h为校核洪水闸门全开时反弧最低点的水深。反弧最低点的流速愈大，要求反弧半径愈大。当流速

7、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。挑流圆弧曲线结构简单，施工方便，但工程实践表明容易发生空蚀破坏，为此，许多人开展了可探求合理新型反弧曲线的研究，如球面，变宽度曲面，差动曲面等。 剖面设计溢流坝段的横缝 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； 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。溢流坝的消能防冲下泄水流主要消耗 水流内部的互相撞击和摩擦下泄水体与空气之间的掺气摩阻是下泄水流与固体边界（如坝面、护坦

8、、岸坡、河床）之间的摩擦和撞击。消能工消能通过局部水力现象,把一部分水流的动能转换成热能,随水流散逸。能量转换途径水流内部的紊动、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 消能工的设计原则 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; 不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷; 下泄水流平稳,不影响枢纽中其他建筑物的正常运行; 结构简单,工作可靠; 工程量小，造价低。 消能方式：底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等。 消能型式的选择：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

9、以及枢纽布置情况等,经技术经济比较后选定。底流消能 在坝趾下游设消力池，消力坎等。底流消能工作可靠，但是工程量大。下泄不同流量产生的跃后水深h”与下游实际水深t的关系，有以下五种情况： Qh”和Qt重合。表明任何情况下均产生临界水跃，无须修消力池，只须在水跃范围内修护坦即可。这是最理想情况，实际很少见。何情况他th”,均产生淹没水跃。淹没度大时，产生高速潜流，水跃长度加大。消能采用消力戽或斜坡式（逆坡式）护坦，（计算方法不成熟） 小Q时，QQk时tQk时，th”,下游水深大，产生淹没水跃。这时采用斜坡式护坦与消力池相结合得方式（并称消力护）。与相反。也用消力戽消能，消力池按最大流量设计。护坦结

10、构 护坦的作用：保护河床不受高速水流的冲刷。 长度：底流式消能延伸致水跃末端，其他型式，也需在坝趾下游设置护坦。 厚度：满足稳定要求。上游厚，下游薄（流速小，压力大）。为防止护坦受基岩约束产生温度裂缝、在护坦内设置温度伸缩缝，顺河向的缝与闸墩中心线对应，横向的缝间距1015m，护坦底下设排水系统（降低扬压力），护坦末端做成齿墙以防水流淘刷。 材料：采用抗蚀耐磨砼。挑流消能 消能特点：将下游高速水流抛向空中，使水流扩散、掺气，然后跌入下游河床水垫中，发生旋滚和摩擦，以消耗能量，本消能方式优点：简单、经济、工期短；缺点：尾水活动比较大，雾化大，影响电站工作。 设计内容：鼻坎型式、反弧半径、鼻坎高

11、程、挑射角度。鼻坎挑流消能设计 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。 常用的挑流鼻坎型式：连续式、差动式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。（最常用） （一）连续式鼻坎 主要优点是：构造简单，射程远，水流平顺，很少产生空蚀。 鼻坎挑射角一般=2025，深水河=1520。 (在45以内，角度愈大，挑射距离愈远，但入水角度也大，冲刷坑也愈深)，要求2.55.0 反弧半径R=（810）h，h鼻坎上水深。R大小，水流转向不平顺；过大时，鼻坎向下游延伸太长，增大工程量。 鼻坎高程：一般高出下游最高水位12m，现有低鼻坎

12、挑流低于下游最高水位，如浸窝。 挑距及冲坑计算公式）（二）差动式挑流鼻坎 优点：使挑射水舌扩散，分成两段，相互撞击、加大掺气量，加大空中耗能，减小入水的单位面积上的能量，减小冲刷，下游波动也小些。 型式：矩形和梯形齿坎； 缺点：矩形侧壁易产生较大负压；梯形施工复杂。面流式消能 适用于中小型工程，水头低，下游水深大且变幅小。 消能特点:利用鼻坎将主流挑至水面，在鼻坎附近表面主流与河床之间形成逆向旋滚。使高速水流与河床隔开，避免对坝趾附近河床的冲刷，主流在水面逐渐扩散消能，反向旋滚也可消除一部分能量。 优点:面流消能不需设护坦和其他加固措施。 缺点:高速水流在表面、伴有强烈的波浪、绵延数里，影响电

13、站运行及下游通航，易冲刷两岸。 消力戽消能 适用：尾水深、变幅小、无航运要求，下游河岸有一定抗冲能力。 特点：消力戽是以模型试验为基础研究成功的一种消能方式。它是利用一个较大的反弧半径和挑角形成的戽斗、在一定尾水深度的作用下，使从溢流坝下游的高速水流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，并使出戽的高速水股在底部及尾水中均产生旋滚，以达到较好的消能效果。30年首先在美国大重力坝中采用，我国安康采用。 优点：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：下游水面波动大，易冲刷岸坡，不利航运，戽面磨损率高，增大了维修费用。 溢流坝的上部结构 闸墩和工作桥 闸墩的断面形状：半圆形、椭圆形、流线型（

14、上游墩头），流线型、宽尾墩（下游断面） 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 闸墩的长度和高度 溢流坝两侧设边墩, 闸门和启闭机 重力坝深式泄水孔重力坝泄水孔的进口淹没在水位以下较深处，故又称深式泄水孔。泄水孔可用来放空水库；排放泥沙；向下游放水，预泄库水，加大调洪库容；同时可兼做施工导流。在不影响深孔正常运用条件下，应考虑一孔多用，如灌溉与发电结合；放空与排沙、导流结合等。一、作用及工作条件 进口高程常接近死水位或靠近河床。 作用：预泄库水，增大水库的调蓄能能力； 放空水库，以便检修； 排放淤泥，减少淤积； 随时放水，以满足航运和灌溉的要求；

15、施工导流。工作条件：孔内水流流速高，易产生负压，空蚀和振动； 闸门在水下，承受的压力大，检修困难。二、型式及布置按水流条件分：有压的、无压的；按高程分：中孔、底孔；按布置层数分：单层、多层。 1、有压泄水孔工作闸门布置在出口，可以部分开启，出口低，利用的水头大，断面尺寸较小。缺点：闸门关闭时，孔内承受较大的内水压力对坝体应力和防渗都不利，常需钢板衬砌。为此进口处设置事故检修闸门、平常用来挡水。2、无压泄水孔工作闸门布置在进口，为形成无压水流，需在闸门后将断面顶部升高。（工作闸门前仍为有压段）优点：闸门可以部分开启，明流段不用钢板衬砌，施工简便，干扰少，有利于加快速度进度。缺点：断面尺寸较大，削

16、弱坝体。国内重力坝多采用无压泄水孔。3、双层泄水孔受闸门结构及启闭机的限制，深式泄水孔的断面面积不能太大，为了增大泄流量，可将泄水孔做成双层的（或将泄水孔布置在溢流坝段）。注意的问题：双层泄水时对下层泄水孔泄流能力的影响；在尾部上、下层水流交汇处可能产生空蚀。深式泄水孔：水流流速高，边界条件复杂，应十分重视体形设计，如进口曲线，闸门槽的型式，渐变段、竖向连接等，并注意施工质量。 三、进口曲线应满足：减少局部损失，提高泄水能力 控制负压，防止空蚀。进口曲线：顶部、两侧常用四分之一椭圆，底部常用园弧。椭圆方程：X2/A2+Y2/(aA)2=1 断面：矩形：顶面曲线，A为孔高，为1/31/4 两侧曲

17、线，A为孔高，=1/4 园孔： A为直径，=0.30 进口段的孔口中心线，一般布置成水平的。 四、闸门和闸门槽深孔常用的闸门也是平面和弧形闸门。平面闸门槽是最易产生负压和空蚀的地方。为减免门槽空蚀，试验结果表明，矩形收缩型门槽较好。矩形闸门槽适用于流速小于10m/s的情况 ，其尺寸布置时，闸门槽宽度和深度d应根据闸门尺寸和轨道布置要求确定，其门槽宽深比d1.61.8，错距，下游收缩边墙斜率为1:8 1:12，圆角半径r0.1d。 五、管身有压泄水孔一 般采用圆形断面，圆形过水能力较大，管周应力条件也好，为防渗和满足应力要求：管周需布设钢筋，有时采用钢板衬砌。无压泄水孔的明流段,通常采用矩形泄槽

18、,洞顶应留有足够的空间,以满足掺气和通气的要求,以保证形成稳定的无压流。为了减小出口的单宽流量，有利于下游消能，在管道转入明流段后，两侧在平面上可以适当扩散。 六、渐变段 泄水孔进口一般都做成矩形，以便布置进口曲线和闸门，而重力坝有压泄水孔断面常采用圆形，所以在进口闸门后需设渐变段，以便水流平顺过渡。 当主要闸门（由园变方）布置在出口时，出口断面必须做成矩形，七、竖向连接 有压：园弧连接，R5倍孔径。 无压：采用抛物线连接。 八、平压管、通气孔 当工作闸门发生故障或检修泄水孔时，要关闭事故检修闸门，这时泄水孔逐渐断流，孔内需要补气；当检修工作完毕后，先关闭工作闸门，用平压管（与水库相通）向工作

19、闸门与事故检修闸门之间充水。 设平面管位置: 在检修门和工作门之间（与水库连通）； 目 的: 可使检修门在静力中启门,减小启 门力；通气孔位置: 检修门与工作门之间,作用:排气,补气； 工作门后,作用:补气。工作门后通气孔尺寸的设计重力坝的材料及构造一混凝土水工混凝土除要求有足够的强度以外，还有有一定的 抗渗性、抗侵蚀性、抗冻性、抗磨性和低热性等。（一）混凝土的强度指标按抗压强度，水工混凝土分为C5 C7.5 C10 C15 C20 C25 C30标号， C5混凝土只能用在某些不重要的、应力很小的部位，仅作回填及压重用。坝体混凝土抗压设计强度的龄期一般用90d，最多不超过180d。同时还规定2

20、8d龄期的抗压强度不得低于7.5Mpa。设计抗拉强度的龄期采用28d，一般不采用后期强度。 （二）混凝土的耐久性包括抗渗、抗冻、抗磨和抗侵蚀等。1）抗渗性 是指混凝土抵抗压力水渗透作用而不被破坏的能力 2)抗冻性 抗冻性指混凝土在饱和状态下，经多次冻融循环作用而不严重降低强度的性能 3)抗磨性 是指抗高速水流或挟沙水流的冲刷、磨损作用的性能 4)抗侵蚀性 是指混凝土抵抗环境水侵蚀的性能 5)抗裂性 防止混凝土结构产生温度裂缝二、坝体混凝土分区原因：坝体各部分工作条件不同，为了节约和合理使用水泥，通常将坝体按不同部位和不同工作条件分区，采用不同标号。为了便于施工，应尽量减少标号的类别，相邻区的强

21、度标号不宜超过两极，免引起应力集中或产生温度裂缝。分区的厚度一般不得小于2-3米，以便浇筑。坝体对各区混凝土性能的要求：二、重力坝的构造坝体排水为减小渗水对坝体的不利影响，在靠近上游面处布设排水管。距上游面要求小于坝前水深的1/101/12，使渗透坡降在允许范围内。管距23m。管径1525cm，太小易堵塞。 排水管与廊道连接多采用直通式，且多在上游侧廊道系统为满足施工和适用要求（如灌浆、排水、观测、检查、交通的需要），须在坝体内设置各种廊道。这些廊道相互连通，构成廊道系统。坝体分缝横缝垂直坝轴线，将坝体分成若干坝段。重力坝横缝作用：1）减小温度应力，2）适应地基不均匀变形，3）满足施工要求（如

22、混凝土浇筑能力及温度控制）间距：12-20米，也有达20米 永久性横缝 常做成平面，不设键槽，不进行灌浆，各坝段独立工作。现在常是温度缝、沉降缝合二为一，故留成1-2cm宽的缝。横缝内需设止水。止水材料：紫铜片，橡胶、塑料及沥青等。对于高坝应采两道止水，中间设沥青井，中低坝适当简化。止水片及沥青井需伸入岩基一定深度，约30-50cm，井内填满沥青沙，止水井延伸到最高水位以上，沥青井需延伸到坝顶。沿溢流面，坝体下游最高水位以下和穿越横缝的廊道和孔洞周边均需设止水井。 临时性横缝（1）河谷狭窄，做成整体重力坝可适当发挥两岸的支撑作用，有利于坝体的强度和稳定。（2）岸坡较陡的各坝段连成整体可以改善岸

23、坡的稳定性。（3）在软弱破碎带上的各坝体，连成整体增加坝体刚度。（4）强地震区，如坝段连成整体，可提高坝体的抗震性能。纵 缝平行于坝轴线方向设的缝。 目的：适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度应力。 纵缝是临时缝，待坝体降到稳定温度后 进行接缝灌浆。 纵缝布置形式：铅直、错缝、斜缝。 不设纵缝通仓浇注施工缝（水平工作缝） 浇注块厚度一般为1.54.0m。在基岩表面用0.751.0m的薄层浇注，以利散热、防止开裂。上下浇注块之间常间歇37天。新混凝土浇注前，须清除缝面渣、灰尘和水泥乳膜，用风水枪或压力水冲洗，使表面成为干净麻面。再均匀铺一层23cm的水泥沙浆，然后浇注。地基处理天然基岩都有风化

24、层、节理、裂隙、断层破碎带及软弱夹层等方面的缺陷，因此必须进行处理重力坝失事有40%是因为地基问题造成的。地基处理主要包含两个方面的工作：一是防渗，二是提高基岩强度。一坝基的开挖与清理 目的：使坝体坐落在稳定坚固的地基上。 规范规定：100m的高坝，必须建在新鲜、微风化或弱风化的岩石上。 50100m的中坝，必须建在微风化或弱风化的岩石上。同一工程中，两岸较高部位的坝段，可比河床段适当放宽。坝基的固结灌浆目的提高基岩的强度和整体性，降低地基的透水性。固结灌浆设计内容： 决定灌浆范围：高坝或岩基裂隙发育，全坝基灌浆；一般情况下在坝踵坝趾处灌浆（为什么？）。灌浆孔的深度：一般58m；帷幕上游区815m灌浆孔的间距：孔距、排距 36m灌浆孔的排列形式：平面上作梅花形或方格形。 灌浆孔的钻孔方向：与主要裂隙面正交。 灌浆的压力：在不扰动基岩的前提下尽量大。无混凝土盖重时为0.20.4MPa有混凝土盖重时为0.40.7MPa帷幕灌浆坝基防渗处理目的： 减少坝基及绕坝渗漏；防止