三峡大学泄水建筑物课件

三峡大学泄水建筑物课件第一页，共37页。§3.10泄水重力坝1、泄水重力坝的位置选择：应结合枢纽布置全面考虑，避免与其他水工建筑物相互干扰，其下泄水流不致淘刷坝基与其他建筑物的地基与岸坡；2、泄水方式的组合与下泄流量分配：峰高量大，选择好组成泄水系统的建筑物类别，确定各泄水建筑物的泄流量；泄水方式有表面式+深水式；3、溢流坝堰顶和泄水孔进口高程的确定：溢流坝堰顶高低与泄水孔进口高低对泄流量、孔口尺寸、闸门尺寸及其启闭的影响。2第二页，共37页。§3.10泄水重力坝二、溢流重力坝1、工作特点：溢流重力坝是重力坝枢纽中重要的泄水建筑物，用于将规划库容所不能容纳的绝大部分洪水经由坝顶泄向下游，以保证大坝安全。并满足泄洪的要求包括：1）有足够的孔口尺寸、良好的孔口体型和泄水时具有较高的流量系数；2）使水流平顺流过坝体，不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局部冲刷。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。3第三页，共37页。§3.10泄水重力坝2、孔口设计1）影响因素：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、泄水方式以及枢纽地形、地质条件等。2）设计步骤：

——选定泄水方式，拟定若干种泄水布置方案；

——初步确定孔口高程、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。4第四页，共37页。§3.10泄水重力坝3）洪水标准洪水标准，包括洪峰流量和洪水总量。是确定孔口尺寸进行凋洪演算的重要依据。选用标准见P85表3—12。4）孔口型式⑴坝顶溢流式优点：①不仅能宣泄洪水，还能排除冰凌及其他漂浮物；②闸门在顶部，操作方便，易于维修，安全可靠；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；5第五页，共37页。§3.10泄水重力坝③闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大；④闸门全开时，下泄流量与堰顶水头H03/2成正比，超泄能力强。⑵大孔口溢流式：上部设胸墙，降低堰顶高程胸墙类型：固接胸墙，活动胸墙；优点：可根据洪水预报提前放水，加大蓄洪库容，提高了调洪能力；泄流能力：当库水位低于胸墙时，下泄水流与开敞式相同；当库水位高于孔口一定高度后，为大孔口泄流，超泄能力不如开敞式。6第六页，共37页。5）孔口尺寸⑴单宽流量确定：通过调洪演算，可得Q溢=Q总-αQ0，并q=Q溢/L，以大体确定溢流坝段的净宽和堰顶高程，单宽流量越大，下泄水流动能越大，消能问题越突出，下游局部冲刷越严重，但溢流前沿短，利于枢纽布置，必须结合地质条件、下游河道水深、枢纽布置和消能工设计，通过技术经济比较选定。⑵孔口尺寸：L0=nb+(n-1)d，由调洪演算推出设计洪水位及相应的下泄流量Q溢，当用开敞式溢流时，Q溢=nbm(2g)1/2H03/2；当采用胸墙大孔口时，Q溢=nbam[2g(H0-αa)1/2；§3.10泄水重力坝第七页，共37页。§3.10泄水重力坝——确定孔口尺寸时应考虑的因素:①满足泄洪要求；②枢纽布置：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；通常选用宽扁形孔口；狭窄河道上，溢流前沿宽度受限，从枢纽布置考虑，闸门孔口宽高比小于1较经济合理；③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；为方便闸门制造，尽量采用规范推荐的孔口尺寸；④下游水流条件：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;当校核洪水和设计洪水相差较大时，应考虑非常泄洪设施；⑤如适当加长溢流前沿长度；当地形、地质条件适宜时，还可象土坝枢纽一样设置岸边非常溢洪道。8第八页，共37页。§3.10泄水重力坝6）闸门和启闭机

闸门分为：工作、检修。

工作门：平面门和弧形门。

检修门：平面门、叠梁门。

平面门优点：结构简单、闸门受力条件较好，闸门较短，多孔口共用一台活动门机。缺点：启闭力较大，闸墩较厚。

弧门优点：启闭力小、闸墩薄、无门槽水流平顺

缺点：闸墩较长，受力条件差。

弧形门用固定式启闭机。

平面门：活动门机（工作、检修平门共用）9第九页，共37页。7）闸门和工作桥闸门的断面形状应使水流平顺；上游端常采用：椭圆形，半圆形或流线型；上游端：采用：收缩成流线形现有：方形宽尾墩8）横缝的布置①墩中分缝：墩厚、工作可靠、不均匀沉降不影响启闭；②孔中分缝：墩薄，受地基不均匀沉降影响启闭，水流过横缝，局部不平顺。§3.10泄水重力坝10第十页，共37页。3、泄水重力坝设计中有关高速水流的几个问题空化和空蚀。1）基本概念：——空化（空穴化）：由于边界突变造成水流和壁面分离等各种原因，在边界处产生负压使水流中某一点的压力降低到水的蒸汽压力时，水流内部开始出现蒸汽空泡，称为“空穴”即“空化”。——空蚀：当空化水流运动到压力较高处，由于汽泡的溃破，伴随着声响和巨大的冲击作用，当这种作用力超过结构表面材料颗粒的内聚力时，便产生剥离状的破坏，这种现象称为“空蚀”。§3.10泄水重力坝11第十一页，共37页。§3.10泄水重力坝——防蚀、抗腐的措施：①控制过水表面的不平整度。②掺气减蚀,:当流速超过36m/s时,即使采取表面平整度处理,仍可能产生空蚀,故应考虑其它安全措施。③采用抗蚀抗磨性强的材料。2）掺气水自由表面产生掺气现象使水深增大。在确定溢流坝边墙高度时，应予考虑。12第十二页，共37页。3）脉动——泄水建筑物中的水流属于高度紊动水流，其基本特征是流速和压力随时间在不断变化，即所谓脉动；——在设计中，表征脉动压力的主要参数是频率和振幅；——紊动水流均产生掺气边界条急剧变化处尤为严重，脉动对建筑物的影响：①增大作用在建筑物上的瞬时荷载。其双倍振幅为2%~10%的流速水头；②脉动压力变化有一定的周期性。引起结构振动甚至共振③增加空蚀破坏的可能性。4）冲击波在高速水流边界发生变化处：断面扩大、收缩、转弯等，将产生冲击波。§3.10泄水重力坝13第十三页，共37页。§3.10泄水重力坝4、溢流面曲线及剖面设计——溢流面组成：顶部曲线段、中间直线段和反弧段；——设计要求：①有较高的流量系数，泄流能力大；②水流平顺，不产生负压和空蚀；③体型简单、造价低，便于施工。1）顶部曲线：——开敞式堰顶常用曲线：①WES曲线；②克——奥曲线；③三段圆弧；——胸墙堰顶曲线：y=x2/4φ2Hd。2）反弧段：圆弧，其半径结合下游消能设施确定：挑流消能R=(4~10)h，流速<16m/s时，取下限，流速大时取较大值；底流消能，反弧与护坦相连，取上限。3）中间直线段：与坝顶曲线和下部反弧相切，坡度与非溢流坝段的下游坡度相同。14第十四页，共37页。§3.10泄水重力坝4）剖面设计——溢流重力坝剖面与非溢流重力坝的基本剖面相适应；——上游坝面一般铅直，或上部铅直、下部倾向下游，并尽量与非溢流重力坝的上游面相一致；——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，使其与三角形的斜边相切；——对有鼻坎的溢流坝，鼻坎超出基本三角形以外，当l/h>0.5，经核算B-B’截面的拉应力较大时，可设缝将鼻坎与坝体分开。15第十五页，共37页。§3.10泄水重力坝5、消能工的设计原则及型式1）消能工消能：通过局部水力现象，把水流中的一部分动能转换成热能，随水流散逸；2）消能工程能量转换途径：水流内部紊动、掺混、剪切及漩滚；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；水流与周围气体的摩擦和掺混；3）设计原则：根据枢纽布置、地形、地质、水文、施工和运用等条件确定。①尽量使下泄水流的动能消耗于水流内部的紊动中，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；16第十六页，共37页。§3.10泄水重力坝③下泄水流平稳，不影响其他建筑物的运行。④结构简单，工作可靠。⑤工程量小，经济。4）消能工的型式：底流式、挑流式、面流式、消力戽等。5）选择消能工的依据：地形、地质、枢纽布置、水头、流量、下游水深及其变幅等进行技术经济比较。重要工程应作模型试验。6）泄洪消能技术新进展：①常见的底流和挑流方式有了很大改进与发展，增强了适应性和消能，出现了一些新型高效的消能工——宽尾墩、台阶式溢流坝面和T形墩等；②因地制宜，采用多种消能工联合消能；③常见底流和挑流能、增强了适应性和消能效果。17第十七页，共37页。§3.10泄水重力坝7）多种联合消能工消能：①多种泄水建筑物的联合，包括坝体的表孔、中孔、底孔，岸边溢洪道及泄洪隧洞等，主要是溢流坝和岸边溢洪道；②不同型式消能工的联合，如宽尾墩与挑流联合，宽尾墩与消力池联合，宽尾墩、台阶式溢流坝面与消力戽联合等。——乌江渡水电站大坝：中部4个溢流表孔，左右侧各设1条滑雪式溢洪道，并设2个中孔和2条泄洪洞进行联合泄洪；——潘家口水电站大坝：宽尾敦与挑流联合消能；因重力和离心力的影响、相邻孔之间水流扩散彼此交汇并碰撞，激起很高的水冠向下游挑射，增强了空中扩散与掺气，提高了效果；——五强溪水电站采用宽尾墩—底孔—消力池新型联合消能，较原设计的消力池缩短了50m，利用宽尾墩形成的坝面无水区，沿闸墩轴线在坝内设置7个泄洪底孔，取消了1个溢流表孔，获得了很好的经济效益。18第十八页，共37页。§3.10泄水重力坝8）底流消能——⑴水流条件及消能措施。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：

Q——h”和Q——t重合。①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。19第十九页，共37页。§3.10泄水重力坝20第二十页，共37页。§3.10泄水重力坝

②何情况他t<h”,产生远驱式水跃。需要消力池、消力坎及综合消力池，以促使在坎趾处产生淹没水跃。③表明在各种流量下t>h”,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）④小Q时，Q<Qk时t<h”，下游水深不足，产生远驱水跃。Q>Qk时，t>h”,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）。21第二十一页，共37页。§3.10泄水重力坝

⑤与④相反。也用消力戽消能，消力池按最大流量设计。——⑵护坦结构护坦的作用：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10~15m，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。22第二十二页，共37页。§3.10泄水重力坝9）挑流消能（适用于基岩比较坚固的高、中坝）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、鼻坎高程、挑射角度。23第二十三页，共37页。§3.10泄水重力坝——⑴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θ=20~25°，深水河槽θ=15~20°。(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>2.5~5.0反弧半径R=（8~10）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1~2m，现有低鼻坎挑流低于下游最高水位，如浸窝。挑距及冲坑计算公式见教材。

24第二十四页，共37页。§3.10泄水重力坝⑵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。25第二十五页，共37页。§3.10泄水重力坝10）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，影响电站运行及下游通航，易冲刷两岸。26第二十六页，共37页。§3.10泄水重力坝11）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年首先在美国大苦力坝中采用，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。27第二十七页，共37页。§3.10泄水重力坝12）下游折冲水流及其防止发生原因：开启部分泄水孔，下游水流不能迅速在平面上扩散，在主流两侧容易形成回流，主流受到压缩，使水流单宽流量增加，流速在长距离内不能降低，引起河床冲刷。如两侧回流强度不同，水位不同，还可将主流压向一侧，形成折冲水流。——危害：⑴冲刷河床和河岸；⑵影响航运；28第二十八页，共37页。§3.10泄水重力坝⑶电站尾水形成回流，抬高尾水，损失电能（落差减小）；——下游折冲水流及防止措施：①在枢纽布置上，尽量使下泄水流与原河床主流位置和方向一致；②规定闸门操作程序，使各孔闸门同时使各孔闸门同时均匀，或程序对称开启；③布置导流墙，使主流充分扩散；④进行水工模型试验，研究下游流态及改善措施。29第二十九页，共37页。§3.10泄水重力坝三、坝身泄水孔1、坝身泄水孔的作用——作用：①宣泄部分洪水；②预泄库水，增大水库的调蓄能力；③放空水库以便检修；④排放泥沙，减少水库淤积；⑤随时向下游放水，满足航运或灌溉等要求；⑥施工导流；——缺点：孔内流速较高，容易产生负压、空蚀和振动；闸门在水下检修较困难；闸门承受的水压力大，启门力加大；门体结构、止水和启闭设备都较复杂，造价增高；水头愈高，孔口面积愈大，技术问题愈复杂；——一般不用坝身泄水孔作为主要泄洪建筑物，其过水能力主要根据预泄库容、放空水库、排沙或下游用水要求来确定；在洪水期可作为辅助泄洪；——在枢纽中设置坝身泄水孔、泄洪隧洞或泄水管道，用以放空水库；我国早期工程未设，后来运用和检修都很困难。30第三十页，共37页。§3.10泄水重力坝2、坝身泄水孔的型式及布置——型式：按水流条件，分有压和无压；按孔口所处高程分中孔和底孔；按布置的层数分为单层和多层。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）31第三十一页，共37页。§3.10泄水重力坝

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：①双层泄水时对下层泄水孔泄流能力的影响；②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。32第三十二页，共37页。§3.10泄水重力坝3、进口曲线应满足：①减少局部损失，提高泄水能力②控制负压，防