【正文】 167。 重力壩的抗震設計 ? 3）在重量、剛度、地形、地質條件沿壩軸線方向有突變的部位，均應設置橫縫，并選用能適應較大變形的止水型式和材料；有時橫縫可做鍵槽；對設計烈度為 9度的一級壩，可根據(jù)具體情況進行橫縫灌漿，將全壩或部分壩體連在一起； ? 4）適當增大壩頂部位的剛度，減輕重量，提高砼標號，必要時可在上、下游面布設鋼筋。在折坡處宜做成圓弧形，避免突變，以減少應力集中。對溢流壩應做好閘墩與橋面的連接； ? 5）在壩內孔口和廊道附近的拉應力區(qū)，要適當增配鋼筋，防止受震后裂縫發(fā)生和擴展； 167。 泄水重力壩 ? —— 定義：既擋水又泄水的建筑物，承擔泄洪、輸水、排沙、放空和施工導流等任務，通過壩頂溢流或壩身孔口泄水。 ? 一、泄水重力壩設計要點 ? —— 設計泄水重力壩，除應滿足穩(wěn)定、強度要求外，還需要根據(jù)洪水特性、水利樞紐布置、地形、地質、工程造價、水庫運用方式及下游河道安全泄量等問題，經技術經濟比較，研究確定 泄水重力壩的位置選擇 、 泄水方式的組合、下泄流量分配 、 堰頂和泄水孔口高程 、溢流壩和泄水 孔體形以及消能防沖設施等。 ? —— 上述三種主要設計要點的優(yōu)缺點： 167。 泄水重力壩 ? 泄水重力壩的位置選擇：應結合樞紐布置全面考慮，避免與其他水工建筑物相互干擾，其下泄水流不致淘刷壩基與其他建筑物的地基與岸坡； ? 泄水方式的組合與下泄流量分配：峰高量大，選擇好組成泄水系統(tǒng)的建筑物類別，確定各泄水建筑物的泄流量；泄水方式有表面式 +深水式； ? 溢流壩堰頂和泄水孔進口高程的確定：溢流壩堰頂高低與泄水孔進口高低對泄流量、孔口尺寸、閘門尺寸及其啟閉的影響。 167。 泄水重力壩 二、溢流重力壩 工作特點： 溢流重力壩是重力壩樞紐中重要的泄水建筑物 ， 用于將規(guī)劃庫容所不能容納的絕大部分洪水經由壩頂泄向下游 ，以保證大壩安全 。 并滿足泄洪的要求包括： 1） 有足夠的孔口尺寸 、 良好的孔口體型和泄水時具有較高的流量系數(shù)； 2） 使水流平順流過壩體 ， 不產生不利的負壓和振動 ，避免發(fā)生空蝕現(xiàn)象 。 3） 保證下游河床不產生危及壩體安全的局部沖刷 。 4） 溢流壩段在樞紐中的位置 ， 應使下游流態(tài)平順 ， 不產生折沖水流 ， 不影響樞紐中其他建筑物的正常運行 。 5）有靈活控制水流下泄的設備。如閘門、啟閉機等。 167。 泄水重力壩 孔口設計 1） 影響因素：洪水設計標準 、 下游防洪要求 、 庫水位壅高有無限制 、 是否利用洪水預報 、 泄水方式以及樞紐地形 、 地質條件等 。 2）設計步驟： —— 選定泄水方式，擬定若干種泄水布置方案； —— 初步確定孔口高程、尺寸，按工程等級相應的洪水設計標準進行洪水調節(jié)演算；求出各方案的防洪庫容，設計和校核洪水位及相應的下泄洪量等； —— 然后估算淹沒損失和樞紐造價，進行技術經濟比較，選出最優(yōu)方案 。 167。 泄水重力壩 3） 洪水標準 洪水標準 ， 包括洪峰流量和洪水總量 。 是確定孔口尺寸進行凋洪演算的重要依據(jù) 。 選用標準見 P85表 3— 12。 4） 孔口型式 ⑴ 壩頂溢流式 優(yōu)點： ① 不僅能宣泄洪水 ， 還能排除冰凌及其他漂浮物； ② 閘門在頂部 ， 操作方便 ， 易于維修 ， 安全可靠； 堰頭設閘門 —— 大中型 —— 調節(jié)庫水位和下泄流量； 堰頭不設閘門 —— 小型 —— 結構簡單 ， 管理方便； 167。 泄水重力壩 ③ 閘門承受的水頭較小 ， 孔口尺寸可以較大； ④閘門全開時，下泄流量與堰頂水頭 H03/2成正比，超泄能力強。 ⑵ 大孔口溢流式：上部設胸墻 ， 降低堰頂高程 胸墻類型：固接胸墻 ， 活動胸墻； 優(yōu)點：可根據(jù)洪水預報提前放水，加大蓄洪庫容，提高了調洪能力； 泄流能力：當庫水位低于胸墻時，下泄水流與開敞式相同；當庫水位高于孔口一定高度后，為大孔口泄流，超泄能力不如開敞式。 5） 孔口尺寸 ⑴ 單寬流量確定：通過調洪演算 ， 可得 Q溢 =Q總 αQ0， 并 q=Q溢 /L， 以大體確定溢流壩段的凈寬和堰頂高程 ， 單寬流量越大 ， 下泄水流動能越大 ，消能問題越突出 ， 下游局部沖刷越嚴重 ， 但溢流前沿短 ， 利于樞紐布置 ， 必須結合地質條件 、 下游河道水深 、 樞紐布置和消能工設計 ， 通過技術經濟比較選定 。 ⑵ 孔口尺寸： L0=nb+(n1)d， 由調洪演算推出設計洪水位及相應的下泄流量 Q溢 ， 當用開敞式溢流時 ， Q溢 =nbm(2g)1/2H03/2； 當采用胸墻大孔口時 ，Q溢 =nbam[2g(H0αa)1/2； 167。 泄水重力壩 167。 泄水重力壩 —— 確定孔口尺寸時應考慮的因素 : ①滿足泄洪要求； ②樞紐布置：孔口高度越大 ,q大 ,溢流壩段越短 ?？卓趯挾仍叫?,孔數(shù)多、閘門多，溢流段總長也相應加大；通常選用寬扁形孔口；狹窄河道上，溢流前沿寬度受限，從樞紐布置考慮，閘門孔口寬高比小于 1較經濟合理； ③孔口寬度越大 ,閘門尺寸越大 ,啟門力越大 ,啟門和啟閉機的構造就較復雜；為方便閘門制造，盡量采用規(guī)范推薦的孔口尺寸； ④下游水流條件： q大，消能困難，為了對稱均衡開啟閘門，以控制下游河床流態(tài)，孔口數(shù)目最好采用奇數(shù) 。 當校核洪水和設計洪水相差較大時，應考慮非常泄洪設施； ⑤ 如適當加長溢流前沿長度；當?shù)匦?、地質條件適宜時，還可象土壩樞紐一樣設置岸邊非常溢洪道。 167。 泄水重力壩 6）閘門和啟閉機 閘門分為：工作、檢修。 工作門：平面門和弧形門。 檢修門：平面門、疊梁門。 平面門優(yōu)點：結構簡單、閘門受力條件較好，閘門較短，多孔口共用一臺活動門機。缺點：啟閉力較大，閘墩較厚。 弧門優(yōu)點：啟閉力小、閘墩薄、無門槽水流平順 缺點：閘墩較長，受力條件差。 弧形門用固定式啟閉機。 平面門：活動門機（工作、檢修平門共用） 7） 閘門和工作橋 閘門的斷面形狀應使水流平順； 上游端常采用：橢圓形 ， 半圓形或流線型； 上游端：采用：收縮成流線形 現(xiàn)有：方形 寬尾墩 8） 橫縫的布置 ① 墩中分縫：墩厚 、 工作可靠 、 不均勻沉降不影響啟閉； ②孔中分縫：墩薄，受地基不均勻沉降影響啟閉，水流過橫縫，局部不平順。 167。 泄水重力壩 泄水重力壩設計中有關高速水流的幾個問題空化和空蝕。 1）基本概念： —— 空化（空穴化）：由于邊界突變造成水流和壁面分離等各種原因，在邊界處產生負壓使水流中某一點的壓力降低到水的蒸汽壓力時，水流內部開始出現(xiàn)蒸汽空泡，稱為 “ 空穴 ”即 “ 空化 ” 。 —— 空蝕：當空化水流運動到壓力較高處，由于汽泡的潰破，伴隨著聲響和巨大的沖擊作用，當這種作用力超過結構表面材料顆粒的內聚力時，便產生剝離狀的破壞，這種現(xiàn)象稱為“ 空蝕 ” 。 167。 泄水重力壩 167。 泄水重力壩 —— 防蝕、抗腐的措施： ①控制過水表面的不平整度。 ②摻氣減蝕 ,:當流速超過 36m/s時 ,即使采取表面平整度處理 ,仍可能產生空蝕 ,故應考慮其它安全措施。 ③采用抗蝕抗磨性強的材料。 2）摻氣 水自由表面產生摻氣現(xiàn)象使水深增大。在確定溢流壩邊墻高度時，應予考慮。 3） 脈動 —— 泄水建筑物中的水流屬于高度紊動水流 ， 其基本特征是流速和壓力隨時間在不斷變化 ， 即所謂脈動； —— 在設計中 ， 表征脈動壓力的主要參數(shù)是頻率和振幅； —— 紊動水流均產生摻氣邊界條急劇變化處尤為嚴重 ， 脈動對建筑物的影響： ① 增大作用在建筑物上的瞬時荷載 。 其雙倍振幅為 2%~10%的流速水頭； ② 脈動壓力變化有一定的周期性 。 引起結構振動甚至共振 ③ 增加空蝕破壞的可能性 。 4） 沖擊波 在高速水流邊界發(fā)生變化處：斷面擴大 、 收縮 、 轉彎等 ， 將產生沖擊波 。 167。 泄水重力壩 167。 泄水重力壩 溢流面曲線及剖面設計 —— 溢流面組成：頂部曲線段、中間直線段和反弧段； —— 設計要求：①有較高的流量系數(shù)，泄流能力大；②水流平順，不產生負壓和空蝕； ③ 體型簡單、造價低，便于施工。 1）頂部曲線： —— 開敞式堰頂常用曲線：① WES曲線；②克 —— 奧曲線； ③ 三段圓??； —— 胸墻堰頂曲線： y=x2/4φ 2Hd。 2） 反弧段：圓弧 ， 其半徑結合下游消能設施確定：挑流消能 R=(4~10)h， 流速 16m/s時 ， 取下限 ， 流速大時取較大值；底流消能 ， 反弧與護坦相連 ， 取上限 。 3） 中間直線段：與壩頂曲線和下部反弧相切 ， 坡度與非溢流壩段的下游坡度相同 。 167。 泄水重力壩 4） 剖面設計 —— 溢流重力壩剖面與非溢流重力壩的基本剖面相適應； —— 上游壩面一般鉛直，或上部鉛直、下部傾向下游，并盡量與非溢流重力壩的上游面相一致； —— 溢流重力壩剖面小于基本三角形剖面時，可適當調整堰頂曲線，使其與三角形的斜邊相切； —— 對有鼻坎的溢流壩，鼻坎超出基本三角形以外，當 l/h， 經核算 BB’ 截面的拉應力較大時，可設縫將鼻坎與壩體分開。 167。 泄水重力壩 消能工的設計原則及型式 1）消能工消能：通過局部水力現(xiàn)象，把水流中的一部分動能轉換成熱能，隨水流散逸； 2）消能工程能量轉換途徑：水流內部紊動、摻混、剪切及漩滾；水股的擴散及水股之間的碰撞；水流與固體邊界的劇烈摩擦和撞擊；水流與周圍氣體的摩擦和摻混； 3）設計原則：根據(jù)樞紐布置、地形、地質、水文、施工和運用等條件確定。 ①盡量使下泄水流的動能消耗于水流內部的紊動中，以及水流與空氣的摩擦上； ②不產生危及壩體安全的河床或岸坡的局部沖刷； 167。 泄水重力壩 ③ 下泄水流平穩(wěn) ， 不影響其他建筑物的運行 。 ④結構簡單，工作可靠。 ⑤工程量小，經濟。 4）消能工的型式：底流式、挑流式、面流式、消力戽等。 5）選擇消能工的依據(jù)：地形、地質、樞紐布置、水頭、流量、下游水深及其變幅等進行技術經濟比較。重要工程應作模型試驗。 6）泄洪消能技術新進展： ① 常見的底流和挑流方式有了很大改進與發(fā)展，增強了適應性和消能，出現(xiàn)了一些新型高效的消能工 —— 寬尾墩、臺階式溢流壩面和 T形墩等； ② 因地制宜，采用多種消能工聯(lián)合消能； ③ 常見底流和挑流能、增強了適應性和消能效果。 167。 泄水重力壩 7） 多種聯(lián)合消能工消能： ① 多種泄水建筑物的聯(lián)合 ， 包括壩體的表孔 、 中孔 、 底孔 ， 岸邊溢洪道及泄洪隧洞等 ， 主要是溢流壩和岸邊溢洪道； ② 不同型式消能工的聯(lián)合 ， 如寬尾墩與挑流聯(lián)合 ， 寬尾墩與消力池聯(lián)合 ， 寬尾墩 、 臺階式溢流壩面與消力戽聯(lián)合等 。 —— 烏江渡水電站大壩：中部 4個溢流表孔 ， 左右側各設 1條滑雪式溢洪道 ， 并設 2個中孔和 2條泄洪洞進行聯(lián)合泄洪； —— 潘家口水電站大壩：寬尾敦與挑流聯(lián)合消能；因重力和離心力的影響 、 相鄰孔之間水流擴散彼此交匯并碰撞 ， 激起很高的水冠向下游挑射 ， 增強了空中擴散與摻氣 ， 提高了效果； —— 五強溪水電站采用寬尾墩 — 底孔 — 消力池新型聯(lián)合消能 ，較原設計的消力池縮短了 50m， 利用寬尾墩形成的壩面無水區(qū) ， 沿閘墩軸線在壩內設置 7個泄洪底孔 ， 取消了 1個溢流表孔 ， 獲得了很好的經濟效益 。 167。 泄水重力壩 8） 底流消能 —— ⑴ 水流條件及消能措施 。 在壩趾下游設消力池 ， 消力坎等 。 底流消能工作可靠 ， 但是工程量大 。 下泄不同流量產生的躍后水深 h” 與下游實際水深 t的關系 ， 有以下五種情況： Q—— h” 和 Q—— t重合 。 ① 表明任何情況下均產生臨界水躍 ， 無須修消力池 ， 只須在水躍范圍內修護坦即可 。 這是最理想情況 ， 實際很少見 。 167。 泄水重力壩 hchth tQhQtQ① ②tQh th③tQh th④tQh thkkkhQk⑤h tt167。 泄水重力壩 ② 何情況他 th” , 產生遠驅式水躍 。 需要消力池 、 消力坎及綜合消力池 ， 以促使在坎趾處產生淹沒水躍 。 ③ 表明在各種流量下 th” ,均產生淹沒水躍 。淹沒度大時 ， 產生高速潛流 ， 水躍長度加大 。消能采用消力戽或斜坡式 （ 逆坡式 ） 護坦 ，（ 計算方法不成熟 ） ④ 小 Q時 ， k時 th” ， 下游水深不足 ， 產生遠驅水躍 。 k時 ， th” ,下游水深大 ， 產生淹沒水躍 。 這時采用斜坡式護坦與消力池相結合得方式 （ 并稱消力護 ） 。