第三章重力坝第二部分3.53.7

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1、3.5 3.5 温度应力、温度控制和裂缝防止温度应力、温度控制和裂缝防止 水化热水化热砼固化过程中产生的热量叫水化热。砼固化过程中产生的热量叫水化热。国产部分水泥的水化热：国产部分水泥的水化热： 7 7天（天（kJ/kgkJ/kg） 2828天天 硅酸盐水泥：硅酸盐水泥：325# 209 272325# 209 272 425# 251 314 425# 251 314 525# 293 355 525# 293 355 矿渣硅酸盐水泥：矿渣硅酸盐水泥：325# 188 230325# 188 230低热微膨胀水泥：低热微膨胀水泥： 425# 167 188425# 167 188 如如每每m

2、 m3 3混混凝凝土土中中有有200kg200kg水水泥泥，则则100100万万m m3 3 混混凝凝土土因因水水泥泥水化热所产生的热量相当于燃烧水化热所产生的热量相当于燃烧2000t2000t煤所释放的能量。煤所释放的能量。 一、坝体温度状况一、坝体温度状况1 1温度随时间的变化温度随时间的变化 (1)(1)温升阶段温升阶段 主要在主要在3 37 7天内天内 温差：温差： T Tr rT TmaxmaxT Tj j 称为水化热温升，一般称为水化热温升，一般15-2515-25，最，最高可达高可达3636。 T Tj j砼入仓温度；砼入仓温度； T Tmaxmax入仓后，使砼温度从入仓后，使砼

3、温度从T Tj j至最高值；至最高值； （2 2）温降阶段）温降阶段 温度达到了温度达到了TmaxTmax后，逐渐散热冷却，温度下降。后，逐渐散热冷却，温度下降。（3 3）稳定期）稳定期 靠靠近近坝坝体体表表面面的的温温度度随随外外界界温温度度变变化化而而波波动动，坝坝体体内内部部一般接近坝址的一般接近坝址的年平均气温年平均气温T Td d。 实实体体重重力力坝坝从从T TmaxmaxTTd d所所需需的的时时间间，视视散散热热条条件件，自自几几个个月至几年不等。月至几年不等。 温降：温降： T TT Tmaxmax一一T Td d 是温度控制的一个重要指标。是温度控制的一个重要指标。2 2温

4、度在空间的变化温度在空间的变化 靠靠近近坝坝体体表表面面由由于于水水化化热热散散逸逸较较快快，该该部部位位的的温温度度较较早早地达到稳定温度。地达到稳定温度。 坝坝体体内内部部由由于于水水化化热热不不易易散散发发，温温度度下下降降缓缓慢慢，需需要要较较长长时间才能到达稳定温度。时间才能到达稳定温度。3 3温度的周期性变化温度的周期性变化（1 1）年变化）年变化 365365天天（2 2）日变化）日变化 2424小时小时（3 3）寒潮）寒潮热潮热潮 7 71414天天二、施工期的温度应力二、施工期的温度应力1.1.约束应力约束应力 在在靠靠近近基基础础面面浇浇筑筑砼砼时时，在在温温升升过过程程中

5、中，浇浇筑筑块块底底部部受受基基岩岩约约束束不不能能自自由由膨膨胀胀，将将产产生生压压应应力力；在在温温降降过过程程中中，受受基基岩岩约约束将束将产生水平拉应力、剪应力和垂直正应力产生水平拉应力、剪应力和垂直正应力。 同同样样，新新浇浇筑筑砼砼受受老老砼砼（齢齢期期超超过过2828天天）约约束束也也会会产产生生温温度度应力。应力。 2.2.内外温差（自生）应力内外温差（自生）应力 砼砼块块在在浇浇筑筑初初期期，由由于于表表面面温温度度降降低低，在在块块体体内内外外形形成成的的温温差差将将使使外外部部收收缩缩受受拉拉而而内内部部受受压压，当当拉拉应应力力超超过过材材料料的的抗抗拉强度时，将产生表

6、面裂缝。拉强度时，将产生表面裂缝。 施施工工期期坝坝体体温温度度取取决决于于砼砼入入仓仓时时的的浇浇筑筑温温度度T Tj j和和水水化化热热温温升升，由由于于水水化化热热温温升升和和边边界界温温度度都都在在随随时时间间而而变变化化，因因而而求求解解施施工工期期的的坝坝体体温温度度场场是是很很复复杂杂的的，一一般般多多采采用用简简化化的的计计算算方方法法，参见参见砼重力坝设计规范砼重力坝设计规范（SDJ21SDJ217878）。）。贯穿性裂缝和表面裂缝。贯穿性裂缝和表面裂缝。危危害害：横横向向贯贯穿穿性性裂裂缝缝会会导导致致漏漏水水和和渗渗流流侵侵蚀蚀性性破破坏坏；纵纵向向贯贯穿穿性性裂裂缝缝会

7、会损损坏坏坝坝的的整整体体性性；水水平平向向贯贯穿穿性性裂裂缝缝会降低大坝的抗剪强度。会降低大坝的抗剪强度。三、重力坝的温度裂缝和温控措施三、重力坝的温度裂缝和温控措施 1.1.裂缝的分类裂缝的分类 图图342 342 重力坝裂缝型式重力坝裂缝型式 ll横向竖直贯穿性裂缝；横向竖直贯穿性裂缝；22纵向竖直贯穿性裂缝；纵向竖直贯穿性裂缝； 33水平贯穿性裂缝；水平贯穿性裂缝；44坝表面裂缝；坝表面裂缝；55仓面裂缝仓面裂缝2.2.温度控制的目的温度控制的目的 （1 1）防防止止砼砼温温升升过过高高、内内外外温温差差过过大大及及气气温温骤骤降降产生各种温度裂缝；产生各种温度裂缝； （2 2）为为做

8、做好好接接缝缝灌灌浆浆，满满足足结结构构受受力力要要求求，提提高高施工工效，简化施工程序提供依据。施工工效，简化施工程序提供依据。3.3.温度控制标准温度控制标准 （1 1）地基容许温差）地基容许温差 砼砼最最高高温温度度与与稳稳定定温温度度之之差差，按按表表3 39 9的的数数值值控控制制表表39 39 地基容许温差地基容许温差T T（0 0C C） 离建基面高度离建基面高度h h 浇筑块长边浇筑块长边L L（m m） 1616以下以下171720202121303031314040通仓长块通仓长块（0 00.20.2）L L262625252424222222221919191916161

9、6161414(0.2(0.20.4)L0.4)L282827 27 262625 25 252522 22 222219 19 191917 17 （2 2）上、下层容许温差）上、下层容许温差 系系指指其其接接触触面面（先先浇浇砼砼龄龄期期超超过过28d28d）上上、下下层层各各l/4l/4范范围围内内、先先浇浇砼砼上上层层最最高高平平均均温温度度与与新新浇浇砼砼开开始浇筑时下层平均温度之差，始浇筑时下层平均温度之差，建议不超过建议不超过15152020。（3 3）内外容许温差）内外容许温差 是是指指坝坝块块中中心心温温度度与与边边界界温温度度之之差差。内内外外容容许许温温差大致和地基容许温

10、差相当，差大致和地基容许温差相当，一般不宜大于一般不宜大于20202525。4.4.温度控制措施温度控制措施（1 1）降低入仓）降低入仓T Tj j预冷骨料和加冰屑拌等来降低砼的入仓温度；预冷骨料和加冰屑拌等来降低砼的入仓温度；加加入入掺掺合合料料（如如粉粉煤煤灰灰）和和外外加加剂剂（如如塑塑化化剂剂）来来尽尽 量减少水泥用量；量减少水泥用量；采用低热水泥；采用低热水泥；在运输中注意隔热保温。在运输中注意隔热保温。 （2 2）减少温升）减少温升TrTr冷却水管进行初期冷却；冷却水管进行初期冷却；减减小小浇浇筑筑层层厚厚度度，延延长长浇浇筑筑块块之之间间的的间间歇歇时时间间，利利用用仓仓面面天然

11、散热；天然散热；在砼中埋大块石。在砼中埋大块石。（3 3）加强养护和保护）加强养护和保护 在在砼砼浇浇筑筑后后初初期期需需要要对对坝坝块块表表面面加加覆覆盖盖、浇浇水水养养护护。冬冬季要抵御寒潮袭击，夏季防止热量回灌进入砼。季要抵御寒潮袭击，夏季防止热量回灌进入砼。3.6 3.6 重力坝的剖面设计重力坝的剖面设计 一、剖面设计原则一、剖面设计原则设计原则：设计原则： 满足稳定满足稳定不滑动，不滑动，KKKK； 满足强度满足强度不出现拉应力；不出现拉应力； 不超过允许的压应力：不超过允许的压应力：【】； 工程量小（工程量小（VminVmin），使剖面尺寸最小；），使剖面尺寸最小； 外部形状简单，

12、便于施工；外部形状简单，便于施工； 运用方便。运用方便。 二、基本剖面二、基本剖面（一）定义：（一）定义： 基基本本剖剖面面是是指指坝坝体体在在自自重重、库库水水压压力力和和扬扬压压力力三三个个主主要要荷荷载载作作用用下下，满满足足稳稳定定和和应应力力要要求求并并使使其其剖剖面面最最小小的的三三角角形形剖剖面面。见图见图3-443-44。 工程经验：工程经验： 上游上游n n0 00.20.2； 下游下游m m0.60.60.80.8； B/H=0.7B/H=0.70.90.9。二、实用剖面二、实用剖面1.1.坝顶宽度坝顶宽度 （1 1）满足设备布置、运行、交通及施工的要求：）满足设备布置、运

13、行、交通及施工的要求： b=H(8b=H(810)%10)%， 且且bbm m （2 2）若若作作交交通通要要道道或或有有移移动动式式启启闭闭机机设设施施时时，应应根根据据实实际际需需要要确确定定，当当有有较较大大的的冰冰压压力力或或漂漂浮浮物物撞撞击击力力时，坝顶最小宽度还应满足强度的要求。时，坝顶最小宽度还应满足强度的要求。2.2.坝顶高程坝顶高程 坝顶应高于坝顶应高于校校，防浪墙顶的高程应高于，防浪墙顶的高程应高于波浪波浪。 防浪墙顶至防浪墙顶至设设或或校校的高差的高差h h，可按下式计算，可按下式计算 h hh h1 1十十h hz z十十h hc c （m m） 式中式中 h h1

14、1累积频率为累积频率为1 1时波浪高度（时波浪高度（m m）；）； h hZ Z波浪中心线高于静水位的高度；波浪中心线高于静水位的高度； hchc安全加高，按表安全加高，按表3 31010选用。选用。表表310 310 安全加高安全加高h hC C（m m）防浪墙顶高程按下式计算：防浪墙顶高程按下式计算：3.3.常用的剖面形态常用的剖面形态 上游直坡，上游直坡，n=0,n=0,适用地质物理力学参数适用地质物理力学参数f f、c c值较大。值较大。 优点：优点：便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备。便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备。 缺缺点点：由由于于在在上上游游面面为为铅铅直直的的基基

15、本本三三角角形形剖剖面面上上增增加加坝坝顶顶重量，空库时下游坝面可能产生拉应力。重量，空库时下游坝面可能产生拉应力。 折坡，折坡，n n1 1=0,n=0,n2 200上部铅直，下部倾斜，常用；上部铅直，下部倾斜，常用； 特特点点：既既可可利利用用水水重重增增加加稳稳定定，又又可可便便于于管管道道进进口口布布置置设备和操作的优点。设备和操作的优点。 上上游游折折坡坡的的起起坡坡点点位位置置一一般般在在坝坝高高的的1/31/32/32/3的的范范围围内内。要验算起坡点高程水平截面的强度和稳定条件。要验算起坡点高程水平截面的强度和稳定条件。 斜坡，斜坡，n0n0。适用地质物理力学参数。适用地质物理

16、力学参数f f、c c值较低的情况。值较低的情况。 特特点点：倾倾斜斜的的上上游游坝坝面面可可以以增增加加坝坝体体自自重重和和利利用用一一部部分分水水重重，以以满满足足抗抗滑滑稳稳定定的的要要求求。修修建建在在地地震震区区的的重重力力坝坝，可可采用此种剖面。采用此种剖面。图图345 345 非溢流坝剖面形态非溢流坝剖面形态3.7 3.7 泄水重力坝泄水重力坝 一、溢流重力坝一、溢流重力坝（一）工作特点（一）工作特点 既是挡水建筑物又是泄水建筑物既是挡水建筑物又是泄水建筑物，应满足：，应满足： 1 1、稳定、强度要求；、稳定、强度要求； 2 2、泄水要求：、泄水要求：（1 1）泄的下（足够的孔口

17、尺寸、体形、有较高的流量系数）；）泄的下（足够的孔口尺寸、体形、有较高的流量系数）；（2 2）不破坏（不产生不利的负压、振动、空蚀等现象）；）不破坏（不产生不利的负压、振动、空蚀等现象）；（3 3）保证下游河床安全（不产生危及坝体安全的局部冲刷）；）保证下游河床安全（不产生危及坝体安全的局部冲刷）；（4 4）互不影响（下游流态平顺，不产生折冲水流）；）互不影响（下游流态平顺，不产生折冲水流）；（5 5）便于管理（有灵活控制的闸门、启闭机等）。）便于管理（有灵活控制的闸门、启闭机等）。（二）孔口设计（二）孔口设计 1.1.洪水标准洪水标准 根根据据水水利利水水电电枢枢纽纽工工程程等等级级划划分分

18、及及设设计计标标准准（SL252SL25220002000）选用。）选用。表表3 312 12 山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准洪水标准 重现期（年）重现期（年） 2.2.孔口形式孔口形式（1 1）开敞溢流式（表孔）开敞溢流式（表孔） QH 3/2QH 3/2成正比，超泄能力大，但不能预泄；成正比，超泄能力大，但不能预泄； 还能用于排冰和其他漂浮物；还能用于排冰和其他漂浮物； 闸门启闭操作方便，易于检修，工作安全可靠。闸门启闭操作方便，易于检修，工作安全可靠。（2 2）大孔口溢流（中孔）大孔口溢流（中孔） 上部设胸墙，堰顶高程较低，可满足

19、预泄要求；上部设胸墙，堰顶高程较低，可满足预泄要求； 低水位时低水位时开敞（自由）溢流；开敞（自由）溢流； 高高水水位位时时大大孔孔口口泄泄流流，QH QH 1/21/2成成正正比比，超超泄泄能能力力不如开敞溢流式。不如开敞溢流式。3.3.孔口尺寸孔口尺寸（1 1）单宽流量的确）单宽流量的确定定 （m m3 3/s/s）经过电站和泄水孔等下泄的流经过电站和泄水孔等下泄的流量；量；式中：式中：系数，系数， 正常运用正常运用 0.750.750.90.9， 校核运用校核运用 1.01.0。 m m3 3 / /（s sm m）设设L L为溢流段净宽，则单宽流量为：为溢流段净宽，则单宽流量为：单宽流

20、量的选取与地质条件有关，对单宽流量的选取与地质条件有关，对 一般软弱岩石：一般软弱岩石： q=30q=3050m50m3 3/ /（s sm m）；）； 较好岩石：较好岩石： q=50q=5070m70m3 3/ /（s sm m）；）； 坚固岩石：坚固岩石： q=70q=70130m130m3 3/ /（s sm m）；）； 近近年年来来，选选用用的的单单宽宽流流量量在在不不断断增增大大，例例：龚龚嘴嘴q=254.2 q=254.2 m m3 3/ /（s sm m），安安康康表表孔孔q=282.7 q=282.7 m m3 3/ /（s sm m）；委委内内瑞瑞拉拉的的古古里坝里坝q q3

21、00 m300 m3 3/ /（s sm m）。）。(2)(2)孔口尺寸孔口尺寸 溢流前沿总长溢流前沿总长L L0 0 若孔口宽度为若孔口宽度为b b，孔口数，孔口数n=L/bn=L/b，n n一般取单数。令一般取单数。令闸墩厚度为闸墩厚度为d d，则则L L0 0为：为： 开敞溢流开敞溢流时时a a、孔口高、孔口高H Hb b、堰顶高程、堰顶高程 堰堰正常正常H H设设 设闸门；设闸门； 堰堰正常正常 不设闸门。不设闸门。c c、孔口宽、孔口宽 一般情况：一般情况：b b（8 81616）m m； 当有排浮要求时，可加大到（当有排浮要求时，可加大到（18182020）m m。 在在枢枢纽纽布

22、布置置允允许许的的前前提提下下，闸闸门门宜宜选选用用宽宽而而扁扁，宽宽高比常采用高比常采用 b/H1.0b/H1.02.02.0；d d、校核水位下校核过流量、校核水位下校核过流量 大孔口泄流大孔口泄流（m m3 3/s/s）式式中中闸门开启高度，闸门开启高度，m m；孔口垂直收缩系数，与比值孔口垂直收缩系数，与比值a/Ha/H有关，见表有关，见表3 31313。 4 4闸门和启闭机闸门和启闭机（1 1）闸门）闸门 按结构分按结构分 平平面面闸闸门门结结构构简简单单，闸闸墩墩受受力力条条件件好好，共共用用一一个个活活动启门机；动启门机； 缺点：启门力大，闸墩较厚。缺点：启门力大，闸墩较厚。 弧

23、弧形形闸闸门门启启门门力力较较小小，闸闸墩墩较较薄薄，无无门门槽槽、水水流流平平顺；顺； 缺点：闸墩较长，受力条件较差。缺点：闸墩较长，受力条件较差。按工作性质分按工作性质分 工作闸门工作闸门调节下泄流量，在动水中启闭，启门力较大。调节下泄流量，在动水中启闭，启门力较大。 常用平面闸门和弧形闸门；常用平面闸门和弧形闸门； 检检修修闸闸门门用用于于短短期期挡挡水水，以以便便进进行行检检修修，静静水水中中启启闭闭，启门力较小。启门力较小。 一般采用一般采用平面闸门平面闸门，也可浮箱闸门，采用叠梁；，也可浮箱闸门，采用叠梁； 事故闸门事故闸门是在建筑物或设备出现事故时紧急应用，要求是在建筑物或设备出

24、现事故时紧急应用，要求 能在动水中关闭；能在动水中关闭； 事故检修闸门事故检修闸门 检检修修闸闸门门和和工工作作闸闸门门之之间间应应留留有有1 13m3m的的净净距距，以以便便进进行行检检修。修。 全部溢流孔通常备有全部溢流孔通常备有1 12 2个检修闸门，交替使用。个检修闸门，交替使用。（2 2）启闭机）启闭机 活活动动式式多多用用于于平平面面闸闸门门，可可以以兼兼用用于于启启吊吊工工作作闸闸门门和检修闸门。和检修闸门。 固定式固定式固定在工作桥上，多用于弧形闸门。固定在工作桥上，多用于弧形闸门。5 5闸墩和工作桥闸墩和工作桥(1) (1) 墩形墩形 1 1半圆曲线；半圆曲线； 2 2椭圆曲

25、线；椭圆曲线； 3 3抛物曲线；抛物曲线； 4 4三圆弧曲线；三圆弧曲线； 5 5圆弧曲线；圆弧曲线； 6 6方形方形图图349 349 常见的闸墩形状常见的闸墩形状（2 2）墩厚）墩厚 平平面面闸闸门门，工工作作闸闸门门槽槽深深0.50.52m2m，宽宽1 14m4m，门门槽处的闸墩厚度槽处的闸墩厚度1 11.5m1.5m； 弧形闸门闸墩的最小厚度为弧形闸门闸墩的最小厚度为1.51.52m2m； 缝墩，墩厚要增加缝墩，墩厚要增加0.50.51m1m。（3 3）长度和高度）长度和高度 应应满满足足布布置置闸闸门门、工工作作桥桥、交交通通桥桥和和启启闭闭机机械械的的要求要求。（4 4）边墩（边墙

26、）边墩（边墙） 边墩顶一般高出水面边墩顶一般高出水面1 11.5m1.5m； 底流消能时，需延长到消力池末端形成导墙；底流消能时，需延长到消力池末端形成导墙； 挑流消能时，需延长到挑坎末端；挑流消能时，需延长到挑坎末端； 当当溢溢流流坝坝与与水水电电站站并并列列时时，导导墙墙长长度度要要延延伸伸到到厂厂房房后后一定的范围。一定的范围。 6 6横缝横缝（1 1）缝在闸墩中间）缝在闸墩中间 优优点点：各各坝坝段段间间产产生生不不均均匀匀沉沉降降时时，不不影影响响闸闸门门启启闭，工作可靠；闭，工作可靠； 缺点：缺点：闸墩厚度较大。闸墩厚度较大。（2 2）缝在溢流孔跨中）缝在溢流孔跨中 优点：优点：闸

27、墩薄，受力条件好；闸墩薄，受力条件好； 缺点：缺点：易受地基不均匀沉降的影响。易受地基不均匀沉降的影响。（三）高速水流的几个问题（三）高速水流的几个问题 1 1空化和空蚀空化和空蚀 空空化化水水体体中中含含有有许许多多气气核核，当当过过坝坝水水流流中中某某点点的的压压力力降降至至饱饱和和蒸蒸汽汽压压强强时时，气气核核迅迅速速膨膨胀胀为为小小空空泡泡，这这种种现现象象称称为空化。为空化。 空空蚀蚀当当低低压压区区的的空空化化水水流流流流经经下下游游高高压压区区时时，空空泡泡遭遭受受压压缩缩而而溃溃灭灭，由由于于溃溃灭灭时时间间极极为为短短暂暂（一一般般只只有有千千分分之之几几秒秒），会会产产生生

28、一一个个很很高高的的局局部部冲冲击击力力（可可达达几几千千个个大大气气压压）。若若空空泡泡溃溃灭灭发发生生在在靠靠近近过过水水坝坝面面，局局部部冲冲击击力力大大于于材材料料的的内内聚聚力时，可使坝面遭到破坏，这种现象称为力时，可使坝面遭到破坏，这种现象称为空蚀空蚀。 国国内内外外的的工工程程运运行行经经验验和和试试验验表表明明，当当v15m/sv15m/s时时，就就有有可可能能发发生生空空蚀蚀破破坏坏，且且空空蚀蚀强强度与水流流速的度与水流流速的5 57 7次方成正比。次方成正比。 图图352352为泄水建筑物常见的空蚀部位。为泄水建筑物常见的空蚀部位。 2 2掺气掺气 掺气现象：由溢流重力坝

29、下泄的水流，当流速超过掺气现象：由溢流重力坝下泄的水流，当流速超过7 78m/s8m/s时，时，空气从自由表面进入水体，产生掺气现象。空气从自由表面进入水体，产生掺气现象。 溢洪道设计规范溢洪道设计规范（SL253SL25320002000）规定：）规定： 掺气水深掺气水深 式中式中 未计入波动及掺气的水深，未计入波动及掺气的水深，m m； 未计入波动及掺气计算断面上的平均流速，未计入波动及掺气计算断面上的平均流速，m/sm/s； 修正系数，一般修正系数，一般1.01.01.41.4，当，当v20m/sv20m/s时，采用较大值时，采用较大值。 3 3水流脉动水流脉动 （1 1）增大作用在建筑

30、物上的瞬时荷载。）增大作用在建筑物上的瞬时荷载。 （2 2）脉动压力变化有一定的周期性。）脉动压力变化有一定的周期性。 （3 3）增加空蚀破坏的可能性。）增加空蚀破坏的可能性。4 4冲击波冲击波 在在高高速速水水流流边边界界条条件件发发生生变变化化处处，如如：断断面面扩扩大大、收收缩缩、转转弯弯处处，闸闸门门槽槽、墩墩尾尾等等处处均均是是引引起起冲冲击击波波的的部部位。位。 （四）溢流面体形设计（四）溢流面体形设计要求：要求： 泄流能力大；泄流能力大； 水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏； 体形简单、便于施工等。体形简单、便于施工等。 1 1顶部曲线段（

31、顶部曲线段（a ab bc c）（1 1）开敞式）开敞式 克克奥曲线奥曲线苏联推荐，我国早期采用。苏联推荐，我国早期采用。 缺点：下部断面较大，因而不经济；缺点：下部断面较大，因而不经济； m m0.480.480.490.49，比，比WESWES曲线曲线m m0.5020.502要小；要小； 无公式控制坐标，施工放样不便。无公式控制坐标，施工放样不便。WESWES曲曲线线流流量量系系数数较较大大且且剖剖面面较较瘦瘦，工工程程量量较较省省，坝坝面面曲曲线线用用方方程程控控制制，施施工工较较方方便便，近近年年来来我我国国采采用用较较多。多。上游段：上游段：双圆弧、椭圆。近年来，提出了三圆弧及下双

32、圆弧、椭圆。近年来，提出了三圆弧及下 列型式的曲线列型式的曲线式中：式中：Hd定型设计水头，一般为校核洪水位时堰顶水定型设计水头，一般为校核洪水位时堰顶水 头的头的75%75%95%95%。 下游段：下游段：当坝体上游面为铅直时：当坝体上游面为铅直时： 若上游面不是铅直的，下游段曲线需做修正。若上游面不是铅直的，下游段曲线需做修正。（2 2）设有胸墙的大孔口）设有胸墙的大孔口 当当H Hmaxmax/D1.5/D1.5或或闸闸门门全全开开时时仍仍属属孔孔口口泄泄流流，按按孔孔口口射射流流曲线设计溢流面时，曲线设计溢流面时，式中：式中：H Hd d定型设计水头，取孔口中心线至校核洪水定型设计水头

33、，取孔口中心线至校核洪水位时堰顶水头的位时堰顶水头的75%75%95%95%；流速系数，一般取流速系数，一般取0.960.96，设有检修闸设有检修闸 门槽时取门槽时取0.950.95当当1.2Hmax/D1.51.2Hmax/D1.5时时，应通过模型试验确定。，应通过模型试验确定。 D孔口开度孔口开度2 2中间直线段（中间直线段（c cd d） 坡度与非溢流坝段的下游坡相同。坡度与非溢流坝段的下游坡相同。3 3反弧段（反弧段（d de e） 挑流消能：挑流消能：R=R=（4 41010）h h h h为为校校核核洪洪水水时时反反弧弧最最低低点点处处的的水水深深。当当16m/s2.5 5.0。（

34、2 2）水舌挑射距离）水舌挑射距离 1坎顶水面流速，坎顶水面流速，m/sm/s，约为，约为 鼻坎处平均流速的鼻坎处平均流速的1.11.1倍；倍； h1坎顶平均水深坎顶平均水深h h在铅直向的投影在铅直向的投影 h1 hcos h2坎顶至河床面的高差，坎顶至河床面的高差，m m（3 3）冲坑深）冲坑深式中式中：t tk k水垫厚度，自水面算至坑底水垫厚度，自水面算至坑底，m m； q q为单宽流量，为单宽流量，m m3 3/ /（s.ms.m）；）； H H上、下游水位差，上、下游水位差，m m； 冲坑系数，为冲坑系数，为0.90.92 2。（4 4）挑坎体形）挑坎体形 主要有：扩散坎、连续坎、

35、差动坎、斜挑坎、扭曲坎、主要有：扩散坎、连续坎、差动坎、斜挑坎、扭曲坎、高低坎、窄缝坎和分流墩等，如图高低坎、窄缝坎和分流墩等，如图362362所示。所示。图图362 362 挑坎体形示意图挑坎体形示意图4 4面流消能与消力戽面流消能与消力戽（1 1）面流消流）面流消流 利利用用鼻鼻坎坎将将主主流流挑挑至至水水面面，在在主主流流下下面面形形成成反反向向旋旋滚滚，使使主流与河床隔开。主流与河床隔开。 主流在水面逐渐扩散而消能，反向旋滚也消除一部分能量。主流在水面逐渐扩散而消能，反向旋滚也消除一部分能量。反向旋滚流速较低且沿河床流向坝趾，河床一般无需加固。反向旋滚流速较低且沿河床流向坝趾，河床一般

36、无需加固。 图图364 364 面流消能面流消能 适适用用于于尾尾水水较较深深，流流量量变变化化较较小小，水水位位变变幅幅不不大大，或或有有排排冰、漂木要求的情况。冰、漂木要求的情况。 我国富春江、西津、龚嘴等工程都采用这种消能型式。我国富春江、西津、龚嘴等工程都采用这种消能型式。 面面流流消消能能虽虽不不需需要要作作护护坦坦，但但因因为为高高速速水水流流在在表表面面，并并伴伴随随着着强强烈烈的的波波动动，使使下下游游在在很很长长的的距距离离内内（有有的的可可绵绵延延数数里里）水水流流不不够够平平稳稳，可可能能影影响响电电站站的的运运行行和和下下游游航航运运，且且易易冲冲刷刷两两岸岸，因此也须

37、采取一定的防护措施。因此也须采取一定的防护措施。（2 2）消力戽）消力戽 消消力力戽戽的的挑挑流流鼻鼻坎坎潜潜没没在在水水下下，形形不不成成自自由由水水舌舌，水水流流在在戽戽内内产产生生旋旋滚滚，经经鼻鼻坎坎将将高高速速的的主主流流挑挑至至表表面面，其其流流态态如如图图3 36565所所示示（三三滚滚一一浪浪），戽戽内内的的旋旋滚滚可可以以消消耗耗大大量量能能量量，因因高高速速水水股股在在表表面面，也也减减轻轻了了对对河河床床的的冲冲刷刷。19421942年年，大大苦苦力溢流坝应用力溢流坝应用。图图365 365 消力戽消能消力戽消能11戽内旋滚；戽内旋滚；22戽后底部旋滚；戽后底部旋滚；33

38、下游表面旋滚；下游表面旋滚；44戽后涌浪戽后涌浪 消消力力戽戽适适用用于于尾尾水水较较深深（大大于于跃跃后后水水深深）且且变变幅幅较较小小，无无航航运运要要求求且且下下游游河河床床和和两两岸岸抗抗冲冲能能力较强的情况。力较强的情况。 高高速速水水流流在在表表面面，不不需需做做护护坦坦，但但水水面面波波动动较大，其缺点与面流消能工相同。较大，其缺点与面流消能工相同。5 5其他新型消能工其他新型消能工（1 1）宽尾墩）宽尾墩 将闸墩尾部逐渐拓宽的闸墩称为宽尾墩，如图将闸墩尾部逐渐拓宽的闸墩称为宽尾墩，如图367367所示。所示。 闸孔收缩比约为闸孔收缩比约为0.30.30.50.5，墩体收缩角约，

39、墩体收缩角约2020左右。左右。图图367 367 宽尾墩体形示意图宽尾墩体形示意图（2 2）台阶式溢流坝面）台阶式溢流坝面 如如图图3 36868所所示示，在在溢溢流流堰堰面面曲曲线线下下游游的的坝坝面面，设设置置一一系系列列的的台台阶阶，以以消消除除下下泄泄水水流流的的多多余余能能量量，简简化化下下游游消消能能设设施施。水水流流沿沿坝坝面面台台阶阶逐逐级级掺掺气气、减减速速和和消消能能，其其消消能能率率比比常常规规光光滑滑坝坝面高面高40%40%80%80%。一般台阶高度取。一般台阶高度取1.0m1.0m左右，宽度略小于高度。左右，宽度略小于高度。 目前国外采用的单宽流量控制在目前国外采用

40、的单宽流量控制在30m30m3 3/ /（s sm m）以内。）以内。图图368 368 大朝山工程宽尾墩台阶式溢流坝面泄流状况图大朝山工程宽尾墩台阶式溢流坝面泄流状况图（3 3）T T形墩形墩 墩头平面为矩形，其后以一矩形直墙支撑与消力池墩头平面为矩形，其后以一矩形直墙支撑与消力池尾坎相连，整体在平面上呈尾坎相连，整体在平面上呈T T形，故称形，故称T T形墩，见图形墩，见图336969。 优点：优点：结构稳定。消能效果好，抗空蚀性能好，工结构稳定。消能效果好，抗空蚀性能好，工程量省（消力池短）。程量省（消力池短）。首先用于印度的布哈伐尼坝；首先用于印度的布哈伐尼坝；我国湖南澧水三江口水电站

41、溢流坝消力池也采用了我国湖南澧水三江口水电站溢流坝消力池也采用了这种型式，消力池长度由平底消力池的这种型式，消力池长度由平底消力池的50m50m降到降到15m15m。图图369 369 三江口水电站溢流坝三江口水电站溢流坝T T形墩消力池（单位：形墩消力池（单位：m m）6 6多种消能工联合消能多种消能工联合消能 联合消能可以是：联合消能可以是： 多多种种泄泄水水建建筑筑物物的的联联合合，包包括括：坝坝体体的的表表孔孔、中中孔孔、底底孔孔，岸岸边边溢溢洪洪道道及及泄泄洪洪隧隧洞洞等等，而而以以溢溢流流坝坝和岸边溢洪道为主；和岸边溢洪道为主； 不不同同型型式式消消能能工工的的联联合合，如如：宽宽

42、尾尾墩墩与与挑挑流流联联合合，宽宽尾尾墩墩与与消消力力池池联联合合，宽宽尾尾墩墩、台台阶阶式式溢溢流流坝坝面面与消力戽联合等。与消力戽联合等。乌江渡水电站工程布置图乌江渡水电站工程布置图 龙羊峡水电站龙羊峡水电站龙羊峡水电站龙羊峡水电站7 7下游折冲水流及防止措施下游折冲水流及防止措施 为改善下游流态，可采取以下措施：为改善下游流态，可采取以下措施： 在在枢枢纽纽布布置置上上，尽尽量量使使溢溢流流坝坝的的下下泄泄水水流流与与原原河河床主流的位置和方向一致；床主流的位置和方向一致； 规规定定闸闸门门操操作作程程序序，使使各各孔孔闸闸门门同同时时均均匀匀开开启启，或对称开启；或对称开启； 布置导流

43、墙，使主流充分扩散；布置导流墙，使主流充分扩散； 进行水工模型试验，研究下游流态及改善措施。进行水工模型试验，研究下游流态及改善措施。 二、坝身泄水孔二、坝身泄水孔 （一）作用和工作条件（一）作用和工作条件 1.1.作用作用 宣泄部分洪水宣泄部分洪水( (泄洪泄洪) )； 预泄库水，增大水库的调蓄能力（预泄）；预泄库水，增大水库的调蓄能力（预泄）； 放空水库以便检修（放空）；放空水库以便检修（放空）； 排放泥沙，减少水库淤积（排沙）；排放泥沙，减少水库淤积（排沙）； 随时向下游放水，满足航运或灌溉、生态等要求（放水）；随时向下游放水，满足航运或灌溉、生态等要求（放水）； 施工导流。施工导流。

44、2.2.工作条件工作条件 流速高，易产生负压、空蚀、振动；流速高，易产生负压、空蚀、振动； 水水头头高高，压压力力大大，有有的的可可达达200002000040000kN40000kN，启门力也相应加大；，启门力也相应加大； 闸门在水下，检修较困难；闸门在水下，检修较困难； 门门体体结结构构、止止水水、启启闭闭、复复杂杂，造造价价也也相相应应增高。增高。（二）型式及布置二）型式及布置 1 1有压泄水孔（图有压泄水孔（图3 37171） 工工作作闸闸门门布布置置在在出出口口，门门后后为为大大气气，可可以以部部分分开开启启；出出口口高高程较低，作用水头较大，断面尺寸较小。程较低，作用水头较大，断面

45、尺寸较小。 缺缺点点：闸闸门门关关闭闭时时，孔孔内内承承受受较较大大的的内内水水压压力力，对对坝坝体体应应力力和防渗都不利，常需钢板衬砌。和防渗都不利，常需钢板衬砌。 常在进口处设置事故检修闸门，平时兼用来挡水。如安砂。常在进口处设置事故检修闸门，平时兼用来挡水。如安砂。2 2无压泄水孔（图无压泄水孔（图3 37272） 工作闸门布置在进口。为了形成无压水流，需在闸工作闸门布置在进口。为了形成无压水流，需在闸 门后将断面顶部升高。门后将断面顶部升高。 闸门可以部分开启，闸门关闭后孔道内无水。明流段闸门可以部分开启，闸门关闭后孔道内无水。明流段 可不用钢钣衬砌，施工简便、干扰少、有利于加快施可不

46、用钢钣衬砌，施工简便、干扰少、有利于加快施 工进度；工进度； 与有压泄水孔相比，对坝体削弱较大。与有压泄水孔相比，对坝体削弱较大。 国内重力坝多采用无压泄水孔，如：三门峡、丹江口、国内重力坝多采用无压泄水孔，如：三门峡、丹江口、 刘家峡等。刘家峡等。 图图372 372 无压泄水孔（单位：无压泄水孔（单位：m m）11启闭机廊道；启闭机廊道；22通气孔通气孔3 3双层泄水孔（图双层泄水孔（图3 37373） 因因受受闸闸门门结结构构及及启启闭闭机机的的限限制制，坝坝身身泄泄水水孔孔的的断断面面面面积积不不能能太太大大。为为了了增增大大经经过过坝坝体体的的泄泄流流量量，可可将将泄泄水水孔孔做做成

47、成双双层层的的，或或将泄水孔布置在溢流坝段。将泄水孔布置在溢流坝段。采用这种布置时需要注意两个问题：采用这种布置时需要注意两个问题： 双层泄水时，对下层泄水孔泄流能力的影响；双层泄水时，对下层泄水孔泄流能力的影响； 在在尾尾部部上上、下下层层水水流流交交汇汇处处容容易易发发生生空空蚀蚀。模模型型试试验验和和原原型型观观测测都都表表明明，双双层层泄泄水水孔孔在在技技术术上上是是可可行行的的，但但应应开开展展水水工工模模型试验研究，以便对可能出现的问题进行妥善处理。型试验研究，以便对可能出现的问题进行妥善处理。图图373 373 双层泄水孔（高程：双层泄水孔（高程：m m）（三）进口曲线（三）进口

48、曲线 应满足：应满足： 减小局部水头损失，提高泄水能力；减小局部水头损失，提高泄水能力； 控制负压，防止空蚀。控制负压，防止空蚀。 常采用常采用1/41/4椭圆：对圆形断面，式中的椭圆：对圆形断面，式中的A A为圆孔直径，为圆孔直径，0.30.3 对矩形断：顶面曲线，对矩形断：顶面曲线，A A为孔高，为孔高，1/31/31/41/4 两侧曲线，两侧曲线，A A为孔宽，为孔宽， 1/41/4 底部边界线可以采用圆弧。底部边界线可以采用圆弧。 椭椭圆圆长长轴轴（x x轴轴）多多与与孔孔轴轴平平行行。有有些些试试验验资资料料表表明明，长长轴轴稍稍向向上上倾倾斜斜约约1212左左右右，不不但但可可以以

49、保保证证良良好好的的压压力力分分布布，且且有有较较大的泄水能力。大的泄水能力。 （四）闸门和闸门槽（四）闸门和闸门槽1. 1. 闸门闸门 弧弧形形闸闸门门不不设设门门槽槽，虽虽流流速速较较高高，但但因因边边界界平平顺顺，水水流流流流态态好好，抗抗空空蚀蚀性性能能强强，启启门门力力较较平平面面闸闸门门小小，运运用用方方便便。缺缺点点是是，闸闸门门结结构构复复杂杂，整整体体刚刚度度差差，闸闸门门支支铰铰座座受受力力集集中中，启闭室所占的空间较大。启闭室所占的空间较大。 平平面面闸闸门门具具有有结结构构简简单单、布布置置紧紧凑凑、启启闭闭机机可可布布设设在在坝坝顶顶等等优优点点。缺缺点点是是，启启门

50、门力力较较大大，门门槽槽处处边边界界突突变变，易易产产生生负压引起空蚀。负压引起空蚀。 对于尺寸较小的泄水孔，亦可以采用阀门。对于尺寸较小的泄水孔，亦可以采用阀门。2. 2. 门槽门槽 矩形门槽，适用于矩形门槽，适用于v10m/sv5D(R5D(孔径孔径) )； 无压孔，采用抛物线连接。无压孔，采用抛物线连接。一般应通过水工模型试验确定曲线型式。一般应通过水工模型试验确定曲线型式。（八）平压管和通气孔（八）平压管和通气孔 平压管作用：开启检修闸门前先在平压管作用：开启检修闸门前先在两道闸门中间充水，使检修闸门可以两道闸门中间充水，使检修闸门可以在静水中启吊。在静水中启吊。 当充水量不大时，也可

51、将平压管设当充水量不大时，也可将平压管设在闸门上，充水时先提起门上的充在闸门上，充水时先提起门上的充水阀，待充满后再提升闸门。水阀，待充满后再提升闸门。 通气孔作用：补气通气孔作用：补气泄流、泄流、 放空时通气；放空时通气； 排气排气冲水时排气。冲水时排气。 11通气孔；通气孔；22平压管；平压管；33检修门槽；检修门槽；44渐变段；渐变段；55工作闸门工作闸门通气孔直径通气孔直径d d的确定：的确定：通气量：通气量：通气孔面积：通气孔面积：通气孔直径：通气孔直径：式中：式中： Vw水流流速，水流流速，m/sm/s； AA闸门后泄水孔断面面积闸门后泄水孔断面面积，m m2 2 【Va】通气孔允许风速，一般不超过通气孔允许风速，一般不超过404045m/s45m/s。（九）泄水孔的应力分析（九）泄水孔的应力分析 泄泄水水孔孔附附近近的的应应力力状状态态比比较较复复杂杂，属属于于三三维维应应力力状状态，可采用三维有限元法或结构模型试验进行分析。态，可采用三维有限元法或结构模型试验进行分析。 在在泄泄水水孔孔断断面面与与坝坝段段断断面面之之比比相相对对较较小小，坝坝段段独独立立工工作作、横横缝缝不不传传力力的的情情况况下下，可可近近似似按按弹弹性性理理论论无无限限域域中的平板计算孔口应力。计算图形如图中的平板计算孔口应力。计算图形如图3 37777所示，所示，