狭窄河谷泄洪建筑物的布置与消能方式简介

时间日期：2007-2-28 已被阅读次：[8308]

佛山市佛利建设工程有限公司伦汝锐

【摘　要】　狭窄河谷的地形条件往往比较复杂，受地形条件的影响，往往为水工建筑物
　　　　　　的布置造成许多难题，其中主要的是解决泄洪建筑物的布置与消能工所带来的
　　　　　　冲刷问题。我国自建国以来，积累了丰富的坝工建设经验，下面简要介绍我国
　　　　　　在狭窄河谷段进行坝工建设中在泄洪建筑物的布置和消能方面所采用的主要形
　　　　　　式。
【关键词】　狭窄河谷泄洪建筑物布置消能

　　我国水能蕴藏量具世界第一位，具有丰富的水能资源。其中，狭窄河谷水流落差大，流
量大，水能资源丰富，但是狭窄河谷的地形条件往往比较复杂，受地形条件的影响，往往为
水工建筑物的布置造成许多难题，其中主要的是解决泄洪建筑物的布置与消能工所带来的冲
刷问题。我国自建国以来，积累了丰富的坝工建设经验，下面结合工程经验，简要介绍我国
在狭窄河谷段进行坝工建设中在泄洪建筑物的布置和消能方面所采用的主要形式。
　　一、泄洪建筑物的布置
　　（一）、泄洪建筑物的主要布置形式
　　狭窄河谷段流速快，落差大，一般位于河流的中上游，主要适于修建拱坝。拱坝具有体
型小，工程量小，造价低，工期短等特点，但是对地质条件的要求比较严格，一般要求基岩
比较均匀、坚硬完整、有足够的强度、透水性小，抗风化，对设计和施工的要求也比较高。
修建拱坝通常遇到的首要问题是泄水建筑物的布置。拱坝上游一般是暴雨区，洪水来流量大
，由于河道狭窄，所形成的单宽流量也很大，而且地形条件比较复杂，因此泄水建筑物的布
置与其它建筑物的布置很容易发生矛盾。根据不同工程的特点以及当地的水文、地质和地形
等条件，拱坝的泄洪建筑物的布置常常采用以下方式。
　　1、自由跌流式
　　自由跌流包括坝顶自由跌流和坝面自由跌流，水流沿非真空标准堰的溢流头部泄下，适
用于基岩较好但单宽泄洪量较小的情况，这种泄洪方式有时设有溢洪道或者泄水底孔来协助
泄流。坝顶自由跌流适用于比较薄的双曲拱坝或者小型拱坝，如我国的布桑拱坝。坝面自由
跌流适用于重力拱坝，如我国贵州省的乌江渡重力拱坝。
　　2、坝体孔口泄流式
　　过去认为在坝体开孔泄流会影响坝体的受力条件，泄洪时会引起坝体的强烈震动，对坝
体的安全造成影响，所以一般不在坝体开孔，尤其是大型孔口。在我国，随着坝工建设水平
的提高，坝体孔口泄流，尤其是大孔口泄流越来越常见。由于受地形条件的限制，坝体孔口
泄流是现在拱坝泄流方式发展的潮流。云南漫湾拱坝和二滩拱坝均采用了坝体孔口泄流方式
。
　　3、岸边溢洪道泄流式
　　岸边溢洪道或者溢洪洞泄流的布置，也是拱泄洪的一种常见布置方式，例如湖南的东江
拱坝，但是其主要缺点是造价高，工程量大。
　　4 、厂房顶溢流式
　　厂房顶溢流是处理泄水建筑物和厂房建筑物布置之间矛盾的好方法之一，它将厂房布
置在坝后，利用厂房顶兼作溢洪道泄洪，具有工程布置紧凑，工程量小，便于管理等优点。
我国50年代在贵州省修文县乌江支流猫跳河下游修建的修文拱坝，水库泄洪采用拱坝与厂
房顶联合溢流的方式，溢流结构固结于坝顶并简支于厂房顶排架之上，是我国最早采用厂房
顶溢流的拱坝。20世纪90年代的云南漫湾拱坝，采用的也是这种布置方式，并经历了非正常
洪水的考验。
　　二、狭窄河谷拱坝的消能
　　（一）、拱坝挑流消能的常见形式
　　拱坝泄洪消能多采用挑流鼻坎形式，但在狭窄河段两岸易受冲刷，所以应当根据当地具
体情况确定消能工的形式。以下是目前几种较常使用的消能工形式。
　　1、水垫消能
　　在坝顶泄洪方式中，由于水舌距坝脚较近，常在坝下游挖深或设二道坝，以形成水垫
消能。为下泄水流提供了足够的紊动扩散、碰撞和消能的空间，使入射水流通过主流水股在
水垫塘内发生强烈的紊动剪切、扩散和剧烈旋滚从而达到消能的效果。由于受水垫深度的限
制，河床底部总不可避免地受到射流不同程度的冲击，严重者会造成河床基岩的冲刷或者护
坦底板的失稳破坏.因此，应该注意重视研究水垫塘底板块在射流冲击下的受力情况。
　　2 、连续或差动鼻坎挑流消能
　　一般在坝顶或大孔口出口修建连续鼻坎或差动式鼻坎进行消能，大多数河床可以不必采
取保护措施。湖南省的欧阳海拱坝采用连续鼻坎挑流，群英拱坝采用差动式挑流。
　　3、扭曲或扩散鼻坎挑流消能
　　一些工程根据工程地形条件的不同，采用适应河床地形的扩散鼻坎或扭曲鼻坎，这些鼻
坎可使水流按设计意图，挑向下游河床，以减小下游河床的冲刷。我国的东江拱坝，部分鼻
坎采用了扭曲形斜鼻坎。
　　4、单圆弧斜切双扩散坎消能
　　在孔口设置单圆弧斜切双扩散坎新型消能结构（简称斜切坎）进行消能，可以较传统挑
流消能形式减少冲深以及下游冲刷量。福建省的芹山拦河坝就是采用了该消能形式，不过该
拦河坝是混凝土面板堆石坝，该形式能否运用于拱坝应当需要经过进一步验证。
　　5 、窄缝挑流消能
　　⑴窄缝式消能工的原理和流态标准
　　窄缝式挑坎通过边壁收缩使水流得到有效碰撞，促使水流变形并且形成纵向和竖向的扩
散，加剧了紊动和掺气，提高了消能效果。下面根据试验研究，提出了下列关于窄缝挑坎体
型的建议。边壁收缩要适宜，使两侧水流相互之间既得到充分碰撞，又使空中消能率和碰撞
消能率得到互相配合；使坎内水流冲击波交汇碰撞，应尽量不影响水舌外缘的挑距，尽可能
使冲击波的交汇点靠近窄缝出口；下缘水舌挑距要受坎底坡的控制，既要考虑其射程不威胁
到鼻坎，又要使其纵向拉开充分扩散，提高空中消能率；经碰撞交汇后的水舌不能出现连续
水股，而应完全破碎，分散成水滴状，水舌掺气充分，呈半透明状。
　　⑵窄缝式消能工的体型
　　①挑角
　　对于窄缝式挑坎来说，要考虑到窄缝消能的效果和水舌在空中的纵向扩散。挑角越小，
对冲消能力越大，水舌内缘越小，外缘挑距越大。挑角一般在－10°－10°之间。
　　②侧墙曲线形式收缩段侧墙形式的变化对于窄缝流态的影响很大。选择的原则是：由侧
墙的收缩而产生的冲击波交汇点应尽可能靠近挑坎出口；收缩断面的侧墙曲线形式应尽量使
碰撞消能率高。
　　常见的侧墙曲线形式有外弧、直线、折线、内弧和双内弧等五种，其中，以双内弧为好
。
　　③侧墙高度
　　由于侧墙高度并不需要高到使全部流量都从窄缝中通过，因此在保证窄缝水流正常的情
况下，应尽可能降低侧墙高度。
　　④收缩比和收缩长度
　　窄缝收缩比过大，形成不了良好的扩散流态；过小，则水舌外缘射距虽然可能更远，但
出口处水深也越高。收缩长度过长，不能保证窄缝扩散流态，且会降低对冲消能率；过短，
对冲消能率虽然会增大，但冲击波交汇位置提前，加剧了挑坎内水流的紊动，影响鼻坎稳定
和水舌挑距，减小空中消能效果。
　　⑤出口断面形式
　　窄缝出口断面一般有五种型式，即矩形，梯形，曲边梯形，V型和Y型。应根据水力条件
和施工条件来综合考虑和选用。对于流量变幅较小的窄缝，一般采用矩形型式。
　　窄缝式挑坎最早用于1955年葡萄牙的卡勃利尔枢纽的泄洪洞出口，后来也多用于泄洪洞
。在我国，窄缝式消能工用于坝体的工程实例有东江双曲拱坝两侧对称潜孔滑雪道。该滑雪
道采用了左右位置错开的窄缝挑坎，单宽流量为160m2/s，运行后发现，冲深较常规挑坎减
小80％。其它工程实践也表明，窄缝式挑坎消能工，不仅工程量小，而且由于挑出去的水舌
窄而高，纵向扩散与空气接触面大，空中扩散消能效果比较好。射流跌入河床时，顺水流方
向扩散，增大了水舌内外缘的差距。
　　6、对冲消能
　　根据河床狭窄和流量向心的特点，很容易利用水流在空中对冲消能的方法。通过对冲，
加剧了水流的掺气，使水股破碎，向河岸两侧的分速度抵消，能量减小，减轻了对两岸的冲
刷。一些工程采用高低坎大差动，形成水股上下对冲，或利用拱坝曲率，使同层出泄水流对
冲。
　　1936年法国修建马海许拱坝，最早将两侧对冲消能的方法用于隧洞泄洪消能防冲。我国
于1970年修建的陈村拱坝和1972年修建的泉水拱坝都采用了两侧挑流对冲式消能工，取得了
良好的消能效果。
　　白山拱坝位于吉林省第二松花江上游，坝址处的多年平均流量为239m3/s，实测最大洪
峰流量为11800 m3/s，坝区河谷为V型，谷坡为1/1.6～1/2。坝区基岩主要是混合岩，坝基
多次受构造变动影响，断裂构造较发育。采用了高低坎对冲的消能方法。4个高孔和3个低孔
相互间隔，对称布置于河道，当高孔和低孔同时泄洪时，经充分扩散后的高孔和低孔水舌，
在空中相遇，上下碰撞，在一次加剧了水流的分散，进一步增强了消能效果。观测表明，冲
坑比不分层时的冲坑深度减小了80％。
　　湖南凤滩拱坝13孔堰顶溢流分成两层间隔。高低对冲大差动坎，出口6个高坎成舌状，
以利于横向扩散，7个低坎水流至坎末扩散，布满13个坎孔宽，经空间碰撞和掺气纵向拉开
，大大降低了射流水舌的单位面积流量，冲坑深度大大减低。经观测，实际冲坑深度仅为连
续式鼻坎挑流的40.4％。
　　三、结束语
　　随着拱坝建设的不断发展，拱坝的地形、地质条件越来越复杂。应当搞清各种地形、地
质条件对拱坝应力、稳定及变形的影响以及相应的处理措施，结合具体的水文条件，对泄洪
建筑物进行合理的布置和采用适当的消能工形式，不断吸取国内外在这方面已经积累了丰富
的经验，在实践中不断学习，不断进步。参考文献
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　　2. 刘沛清，冬俊瑞，李玉柱，两股射流在空中碰撞消能的水利计算。水利学报，1995
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　　4. 肖兴斌，袁玲玲，高坝挑流消能工的新发展。中南水力发电，1997年第2期。
　　5. 王治祥，窄缝式挑坎强化消能体型问题研究。红水河，1994年第2期。
　　6. 刘仁山，高树华，张恩惠，白山水电站泄洪消能试验研究。
　　7. 王宏硕，翁情达，水工建筑物。水利电力出版社，北京，1981年。

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