水利工程设计要点说明.doc

水利工程设计要点第一章 坝轴线（坝址）选择及枢纽布置一、坝轴线（坝址）的意义及选择 1.1 坝轴线（坝址）的含义 在准备修建水利水电枢纽工程的一定河段长度的地形平面图上，通常总要在其上找几条横越河流的几何线，以作为建坝的轴线（坝址）。实际上水利水电枢纽的坝址所占的位置实际并不是一条线，而是具有一定的宽度的，除了布置坝体以外，还要布置其他的主要建筑物。各种建筑物类型、特点的差异，以及不同的地形、地质条件和不同的设计水头要求的坝址宽度不一样。(所以在地形图上所画的一条线实际上只是象征的、或者是最具有代表性的位置。工程地质勘测时也不是只在一条线上工作，而是在已有的初步工程布置方案的基础上，根据需要在其一定的范围内进行勘测，不过在所定的轴线上进行的勘测工作更多更细些，如进行钻孔勘测等，并有地质剖面图等较详细的资料。我们设计时就可在给定的几条坝轴线上，按设计要求来布置各种建筑物，以便进一步进行设计、计算和方案比较。这些坝轴线（坝址）的存在，意味着在这几条轴线上或轴线附近，工程地质人员已经做了不少艰苦而又细致的工作，掌握了不少的资料的积累，认为是可以布置以坝为主体的主要建筑物，这个轴线就是坝体的轴线。一般应有相应的几个坝轴线比较的方案。特殊情况也会有可能发现原来所定的坝轴线（坝址）是不适合的，甚至也有在开工以后被迫放弃原来所定的坝轴线（坝址）的情况。)坝轴线（坝址）的选择工作，随着设计阶段的不同而有不同的内容，它也与工程地质勘测工作的内容和深度密切相关。选择坝轴线（坝址）的过程一般需要经过以下几个阶段：第一阶段流域规划的技术经济报告阶段。该阶段以整个河流流域为主要研究对象，确定河流开发的第一期工程和坝址地区，并初步选择全河流上可能的和合理的坝轴线（坝址），定出梯级开发中的各个枢纽工程的相应坝轴线（坝址）。第二阶段初步设计阶段。根据流域规划设计成果，对准备要修建工程的地区，在原来选定的坝轴线（坝址）基础上，地质勘测及设计的工作面应由宽到窄，由全面到深入，通过技术经济比较，进一步选择确定几条具体的坝轴线。第三阶段技术设计阶段。在技术经济比较的基础上，根据设计的深入和坝及其他主要建筑物的轮廓尺寸及合理布置，从地质条件，河谷宽度，下游消能条件，施工场地布置，建筑材料的开采、运输等方面进行比较，并进行适当的结构稳定计算和工程量的计算，最后通过技术经济的比较确定一条坝轴线和选定设计方案。坝轴线的选定，并不是单纯的轴线本身和比较，而是与主要建筑物选型和枢纽平面布置紧密联系在一起的，因此坝轴线、坝型选择和水利水电枢纽工程的布置三者是相互联系的。1.2 选择坝轴线（坝址）所需要的基本资料 1.2.1 地形资料 地形资料包括该坝址地区的实测地形图和河流地段的纵横断面图。地图形的比例尺随设计阶段和工程的规模而有所不同，一般应有坝址处1/20001/1000的地形图，坝轴线处1/5001/200的地形图。1.2.2 工程地质资料 工程地质资料包括坝址地区的地质平面图和剖面图。一般需要有1/50000的库、坝区的路线地质测绘图、1/10000的坝址区工程地质测绘图。图上及有关文件要能说明当地的岩层、岩性、覆盖层性质和基岩中的断层、节理、裂隙、其他缺陷的分布情况，以及基岩的透水情况，地下水等有关的资料，以便从宏观上掌握库、坝区的工程地质特点。根据建筑物的规模和需要，应有按岩体不同类型选取有代表性的岩样进行物理力学试验和一定数量的野外原位测试（如抗剪、弹模、弹性抗力等试验）资料和岩体的渗水试验（压水、注水、抽水试验）资料。1.2.3 水文气象资料 水文气象资料包括（1）坝址地区附近的各种水文特性，如流域内水文测站分布、观测项目、观测年限、主要水文站的控制特性和高程系统。（2）水位、流速、泥砂等测验方法和测验精度。（3）主要测站资料整编情况。（4）水位及流量的资料、降雨量、径流、洪水（包括最大洪水）、枯水及河流泥砂的性质和数量等。气象资料包括河流、坝址及库区及邻近地区气象台分布与观测情况，如气候、温度、降雨、风等气象特性资料。1.2.4 建筑材料资料 坝址及其附近地区的各种建筑材料的类型、分布、储量、运输条件、质量及物理力学性质等方面的资料。1.2.5 其 他 当地的社会的自然经济情况、施工设备、技术力量以及地震等方面的有关资料等。1.3 坝轴线（坝址）选择应考虑的问题1.3.1 地质条件良好的地质条件是保证枢纽工程安全运行的基本条件。一般坝址区存在着地质缺陷也是不可避免的，如果能通过地基处理后，达到一定的稳定性和不透水性，仍属于好的地质条件。对坝基地质的要求，也应随坝型和坝高而有所不同。拱坝对两岸及坝基的地质条件要求最高，支墩坝，重力坝次之，而当地材料的土石坝则要求最低。设计者需要掌握各种坝型的关键性的特点，以便能因地制宜地选好坝轴线（坝址）。1.3.2 地形条件地形条件 一般在相同的地质条件下，坝轴线选在河谷的狭窄段是较为有利的。因为这样可以使坝顶轴线短，坝的工程量会少，造价会较低，但有时狭窄的河谷对泄水建筑物布置，施工场地和导流建筑物布置不利，所以选择坝轴线时，不但要考虑使工程量较小，还要考虑枢纽中各建筑物的布置和施工等条件。不同的坝型对地形的要求不相同，应该分别对待不能一概而论。例如拱坝要求河谷则越窄越好，而当地材料做的土石坝则要求河谷要有较宽的地方，而且要岸坡不太陡，附近有地势较低的马鞍形缺口，以便于布置溢洪道。坝轴线的选择还应考虑下泄水流应尽可能和原河道的主流方向一致，以免造成河道及两岸的冲刷。1.3.3 建筑材料建筑材料    应查明当地材料的分布和储量，及开采条件，作为混凝土骨料的砂石料，应尽可能就地取材，减少运输费用。1.3.4 施工条件   选择坝轴线（坝址）应考虑施工导流建筑物布置，坝址下游附近应有较开阔的场地，便于布置和安排施工场地和对外交通。 1.3.5 综合效益综合效益    应比较不同的坝轴线（坝址）位置对防洪、发电、灌溉、供水、航运等经济效益和社会效益的影响。1、4 坝轴线（坝址）选择案例1.4.1 溪落渡坝轴线选择1、4、1 溪落渡坝轴线选择位于金沙江上游的溪落渡水电工程是一座以发电为主，兼有拦砂、防洪和改善下游航道条件等的综合利用效益的水利水电枢纽工程。 坝址区河道顺直，岸坡陡峻，坝基岩体多为玄武岩，整体块状结构，强度高，风化卸荷浅，工程具有“笮河谷、高拱坝、大泄量、多机组”的特点。自1986年正式开始进行前期勘测设计工作，在该河段上选择了上、中、下三个坝址进行比较，1994年完成溪落渡坝址选择研究报告，1996年提交溪落渡水电站予可行性研究报告，并在选定的中坝址区进行了坝轴线比选阶段的勘测设计、工作，经过地形地质条件、枢纽布置、施工条件、总工程量、工程总投资等技术经济比较，确定了溪落渡水电工程的坝轴线。1-1溪落渡坝轴线比较示意图                     表1-1溪落渡坝轴线比较坝轴线I坝轴线X坝轴线地形地质条件位于溪落渡峡谷中段，河道顺直，地形完整、岸坡陡峻。抗力体部位河谷收敛，坝基岩体弱风化下限高程323.41327m，建基面高程325m。X坝轴线位于I坝轴线下游约175 m，河谷相对狭窄，其他地形地质条件与I坝轴线无明显差异。抗力体部位河谷相对敞开，坝基岩体弱风化下限高程332m341 m以上，有利于抬高建基面，减少边坡高度。建基面高程325m。枢纽布置建筑物由混凝土双曲拱坝，左右岸地下电站厂房，坝身泄水孔口为2表孔+6中孔+7深孔+左右岸泄洪隧洞。坝体混凝土方量较X坝轴线多23万m3、基础开挖工程量较X坝轴线多52万m3。坝轴线左岸距上游550m650m高程之间宜布置电站进水口的缓坡台地约300m。枢纽建筑物布置同I坝轴线。需要处理抗力体尾部的强风化夹层，基础处理工程量约有增加。X坝轴线下移，距上游550m650m高程之间宜布置电站进水口的缓坡台地距离增加，但可以在大坝和电站进水口之间增设泄洪隧洞，缩短了泄洪隧洞的长度。施工条件施工总进度与X坝轴差异不大。施工导流方面，X坝轴线约优于I坝轴线。总工程量坝体混凝土方量：717万m3基础开挖工程量：739万m3坝体混凝土方量：694万m3基础开挖工程量：687万m3工程总投资单位千瓦静态投资：2746.92元。单位千瓦静态投资：2728.79元综合比较，X坝轴线稍优于I坝轴线，选择X坝轴线1.4.2 刘家峡水电站坝址选择刘家峡水电站是黄河综合利用规划技术经济报告（1954年）中列入第一期开发的工程之一。1952年1956年完成了初步设计的第一期坝址选择阶段的工作。在全长11.9km的刘家峡中选择了马六沟、姚河口、苏州崖、红柳沟四个坝址进行了工程地质勘察工作。图1-2刘家峡水电站坝址比较示意图                  表1-2 刘家峡水电站坝址选择比较项目坝址名称马六沟姚河口苏州崖红柳沟河面宽度（m）42.5495749河水深度（m）6105847213覆盖层深度（m）2.137.092.9955.23213基础岩石变质结晶片岩，坚硬变质结晶片岩，坚硬变质结晶片岩，坚硬变质结晶片岩，坚硬坝区岩体风化深度（m）两岸16，河床15两岸218，河床38两岸216，河床49两岸18，河床15构造断裂情况断层少，多横切河床断层多，斜切河床，岸坡切割深断层多，斜切及平行河床有三条断层斜切河床，上下游有横河断层裂隙发育情况层面裂隙较多，左岸有顺坡裂隙岸坡剪切裂隙及构造裂隙较多裂隙发育岸坡岩石受切割，较差裂隙发育较发育，以层面裂隙较多水文地质情况两岸基岩内有裂隙承压水，岩石透水性小河床基岩内有裂隙承压水，岩层透水性小河床基岩内有裂隙承压水，岩层透水性大河床基岩内有裂隙承压水，岩层透水性小地震基本烈度80808080天然材料运距、交通及施工场地条件最差较差差优越 评价：姚河口坝址地质构造复杂，岩体完整性较差，岸边有顺河构造裂隙，卸荷的岸边剪切裂隙，对两岸坝肩稳定不利。苏州崖坝址河面较宽，两岸岩体受构造断裂切割比姚河口差，岩体透水性大，上游有坍塌体，下游有苏州崖滑坡体，枢纽建筑物布置受影响，交通及施工场地条件也较差，故这两坝址不宜选用。马六沟坝址河面窄，河床覆盖层薄，坝址岩石坚硬完整，构造裂隙简单、岩石弱风化深度浅，岩体透水性小，这些方面都优于红柳沟坝址，但交通及施工场地条件也较差，在同一正常蓄水时，发电水头比红柳沟坝址减少9m，库容少9亿m3，发电效益差。红柳沟坝址河面较宽，河床覆盖层薄，岩石风化深度浅，岩体较坚硬，透水性小，有F69断层顺河向斜切河床，该断层错断了第三纪红层，但未见切过上覆的距今约15万年的晚更新世黄土，说明近数万年未活动，已趋于相对稳定，其破碎带在工程上是可以处理的。红柳沟坝址天然材料运距、交通及施工场地条件优越，比马六沟坝址增加发电水头9m，增加装机容量20万KW，发电效益好。图1-3刘家峡水电站红柳沟坝址剖面图经多次讨论、综合比较，选择红柳沟坝址为刘家峡水电站，1958年完成初步设计工作。2、水利水电枢纽工程的布置 水利水电枢纽工程的布置就是要合理地安排各个建筑物的相互位置。 坝址、坝型和枢纽布置是相互关联的，不同的坝轴线适于不同的坝型和枢纽布置方案，同一坝轴线也可以有不同的坝型和枢纽布置方案。 坝址、坝型和枢纽布置是一项综合性极强的复杂工作，需要在详尽研究坝址处的自然条件、枢纽及各建筑物的施工条件、运用条件、综合效益和发展远景及总投资造价等后，经过全面论证、综合比较后确定。 2.1 枢纽的布置时一般的布置原则2、1枢纽的布置时一般的布置原则 （1）首先要选择好泄洪和导流建筑物的布置方式，它往往是确定枢纽布置的重要影响因素。应保证泄洪建筑物进出口尽可能与河道主流方向一致，使其有足够的泄水能力，进口的水头损失最小。上游水流的是否平直顺地流入进口，对表孔的流量系数影响较大，而侧面进水时流量系数要小35%，甚至更多，也影响进口后的流态，尽量避免侧面引水。出口需要设置合适的、可靠的和经济的消能设备，以使其对下游的淘刷作用不会影响枢纽建筑物的安全。（2）枢纽的布置既要满足枢纽的各项任务和功能的要求，又要适应枢纽工程所在区域的自然条件，便于施工布置，保证各个建筑物在任何工作条件下都能正常工作。狭窄河谷中泄洪建筑物和电站建筑物布置之间的矛盾较为突出，因为泄洪的流速高、单宽流量较大、会加速对下游河床的冲刷和淤积，不仅对枢纽建筑物的安全会造成大的威胁，而且对电站尾水的干扰会影响发电的效益。泄洪建筑物的布置应和枢纽中的其他建筑物，如坝、取（引）水道、电站厂房等统一起来考虑，以使之成为管理运行、施工、交通都方便的综合体。（3）在满足建筑物稳定和强度的前提下，降低枢纽总造价和年运行费用。（4）枢纽中各个建筑物布置紧凑、美观、协调。2.2 混凝土坝枢纽 混凝土坝枢纽坝身可布置泄水、发电进水口、冲沙孔等建筑物。但由于地形和地质等条件的区别，枢纽中泄水建筑物和发电厂房的位置和型式有各种不同的组合。 2.2.1 泄洪建筑物与电站厂房分开布置方式 （1）位于较宽河谷中的水利水电枢纽工程，广泛地采用泄洪与电站厂房分开布置的方式，这种布置形式结构比较简单，清晰明了，进口水流条件较好，出口情况也容易控制，可采用导水墙和合适的消能型式减少泄洪时冲淤下游河床及抬高尾水位的问题，电站厂房应尽可能靠近坝体，以减少管道工程量和水头损失以及开挖工程量。如黄河的万家寨水电站（图1-4），最大坝高105.0m，装机容量6*180MW，电站厂房和泄水建筑物各占峡谷河床的1/2，表孔、中孔、深孔组合泄洪，消力戽护坦挑流组合消能。图1-4 黄河万家寨水电站平面布置图（2）四川白龙江上的宝珠寺水电站（图1-5），水库总库容25.5亿，装机容量70万KW，最大坝高132.0m，坝顶全长524.48m。最大坝高132.0m，枢纽工程采用混凝土实体重力坝，河床中间为坝后式厂房的布置方案，采用厂坝联合作用型式。两岸河床泄洪，右岸为基岩出露的河滩地形，布置导流明渠和表孔溢流坝，明渠底流消能，左岸为较缓的岩质边坡，布置泄洪中孔，泄槽挑流消能。拦河坝坝体从右向左共分为27个坝段，分别为右岸挡水坝段、河床坝段、左岸挡水坝段。根据地质条件，坝轴线平面布置为由河床向两岸延伸后向上游偏转呈折线型。图1-5 四川白龙江宝珠寺水电站平面布置图（3）澜呛江上的大朝山水电站（图1-6，图1-7），最大坝高111.0m，河床全部布置表孔溢流坝和排砂孔，分别采用宽尾墩戽式消力池底流和挑流消能，6台225MW机组的厂房布置在右岸地下，机组进水口沿右岸坝肩缓坡地形布置 ，与大坝轴线构成紧凑的引水泄洪前沿。图1-6 云南大朝山水电站平面布置图图1-7 云南大朝山水电站上游立视图（4）三峡水利枢纽（图1-8）采用泄洪坝段位于河床中部，即原主河槽部位，两侧为电站坝段和非溢流坝段。水电站厂房位于两侧电站坝段坝后，另在右岸留有后期扩机的地下厂房位置。永久通航建筑物均布置于左岸。图1-8 三峡水利枢纽布置图（5）由于拱坝形状的特点及更好地利用水头，电站厂房一般多布置于坝后的河床中部，泄洪建筑物则分别布置于厂房的两侧。当河床较狭窄，但岸坡较平缓，河谷较宽时，可采用厂房布置在坝后河床中，溢流坝则布置在一岸或两岸，以使水流通过较长的陡槽将洪水泄入下游河床中。我国的陈村拱坝在厂房的左右边都设溢洪道。最好能利用两个泄水建筑物的下泄水流在空中相撞以消杀能量。尽量避免两岸5泄水建筑物下泄水流相互影响而加深冲坑的情况。当坝基地质不好、下游的尾水又浅时，要设置短护坦以保护坝址，或设二道坝以壅高尾水形成较好的消力池。  湖南东江双曲拱坝（图1-9），最大坝高157.0m，采用两岸潜孔滑雪道式大孔口泄洪，挑流消能，河床坝后式水电站，装机容量4*150MW。我国广东省乳源县南水支流汤盆水河上的泉水拱坝枢纽, 最大坝高80.0m，采用两岸滑雪道式溢洪道，两岸的溢洪道在平面上对称地布置以造成对撞式的消能。图1-9 湖南东江双曲拱坝平面布置图图1-10 广东泉水拱坝枢纽2.3 土石坝枢纽土石坝枢纽地址的选择应考虑地形和地质条件有利于建坝和布置其他建筑物，特别是应重视泄洪建筑物的布置。泄洪建筑物的布置和形式，应根据枢纽要求和条件进行综合比较后选定，宜以开敞式河岸溢洪道为主要泄洪建筑物，以提高土石坝枢纽的超泄能力和运行的可靠性。当下泄流量的功率很大时，河岸上又无其他合适的缺口时，就可在土坝的坝旁做陡槽式溢洪道。当坝址位于较宽阔的滩地时，也可做一段混凝土的溢流坝，把泄洪建筑物布置在河床。   土石坝枢纽按照所处河段位置分为顺直河段上的枢纽和弯曲河段上的枢纽。布置在顺直河段上的土石坝枢纽，泄水建筑物和发电厂房等沿岸顺河布置，一般导流、泄水、引水系统等建筑物线路较长，枢纽建筑物布置比较拥挤，在地质条件允许时多采用地下厂房。鲁布革水电站（图1-21），最大坝高103.8m，枢纽由心墙堆石坝、长9387 m的引水隧洞、左岸地下厂房、河岸溢洪道、泄布置在弯曲河段上的土石坝枢纽，可以利用河弯形成的河间地块布置引水发电或泄水、导流建筑物。引水式水电站一般布置在河道转弯处，以便利用天然河道的落差，增加发电水头。如四川白龙江上的苗家坝水电站（图1-22 ），引水式水电站布置左岸紧邻坝趾，采用河岸溢洪道、泄洪洞泄洪方式。洪洞组成。图1-21  鲁布革水电站图1-22  白龙江苗家坝水电站平面图3、 水利水电枢纽工程枢纽布置方案选择实例 枢纽布置方案比较与选择实例：3.1 瀑布沟水电站 瀑布沟水电站，大坝为土石坝，河床覆盖层以上最大坝高186.0m，枢纽位于L形河湾的凹岸，初步拟定了三个枢纽布置方案：方案（1）右岸地面厂房方案方案（2）左岸地下厂房短尾水方案方案（3）左岸地下厂房长尾水方案。枢纽布置方案比较：                    表1-3瀑布沟水电站枢纽布置方案比较枢纽布置方案地质条件枢纽布置泄洪消能施工条件动能经济指标工程量（1）右岸地面厂房方案避免了地下洞室群的开挖，但进水口处高边坡开挖工程量大，存在高边坡稳定问题。引水发电系统位于右岸，缓解左岸其他建筑物布置紧张的状况，可以缩短左岸泄洪隧洞和过木隧洞的长度。引水发电系统尾水不受泄洪隧洞影响。枢纽建筑物布置相对较分散，施工干扰小。引水发电系统总水头损失5.380m。工程投资大于地下厂房方案。（2）左岸地下厂房短尾水方案能充分利用河湾的地形条件，左岸岩石完整、稳定。引水发电系统、泄洪隧洞和过木隧洞均集中布置在左岸，左岸上下游隧洞进出口较多，地下建筑物长度增加。引水发电系统尾水受泄洪隧洞影响。下游消能防冲、雾化处理等任务重。枢纽建筑物布置相对较集中，施工难度大，干扰大。引水发电系统总水头损失4.74m，短尾水方案利用河湾形成的落差小于长尾水方案。工程投资小于地下厂房长尾水方案。（3）左岸地下厂房长尾水方案同上同上同上同上利用河湾形成的落差较大。工程投资大于地下厂房短尾水方案。但年电量增加2亿KW.H，长期经济效益高。通过技术经济比较，最后选择左岸地下厂房长尾水方案，见图1-22。图1-22 瀑布沟水电站左岸地下厂房长尾水方案图1-23  瀑布沟水电站左岸地下厂房长尾水方案3.2 向家坝水电站3.2、 向家坝水电站 金沙江上游的向家坝水电站采用混凝土重力坝坝型，枢纽布置比较了四个方案：方案（1）左岸坝后厂房右岸地下厂房方案方案（2）两岸坝后厂房方案方案（3）右岸坝后厂房方案右岸地下厂房方案方案（4）右岸坝后厂房方案方案（2）和方案（4）均为坝后厂房方案，两方案在技术经济上没有大的差别，不能提前发电，考虑到两岸坝后厂房方案可以兼顾云南和四川两省的利益，在方案（2）和方案（4）中选择方案（2）。同样方案（1）和方案（3）都有地下厂房方案，能提前发电，其他技术经济条件也相当，为兼顾云南和四川两省的利益，在方案（1）和方案（3）中选择同样方案（1）。                 表1-4 向家坝水电站枢纽布置方案比较枢纽布置方案地形条件地质条件枢纽布置及运行条件施工条件工程投资及动能经济指标方案（1）左岸坝后厂房右岸地下厂房方案右岸山体雄厚，有利于布置地下厂房。边坡岩组完整性好，岩层倾向山里，对边坡稳定有利。坝基位于须家河组岩性最好的 亚组上，技术处理相对简单。泄水建筑物布置在河床中间，泄水方向与主河道一致。管理运行条件与方案（2）相同。右岸地下厂房方案不受施工导流工期的影响，初期发电时间由大坝初期蓄水时间确定。引水系统水头损失较方案（2）多0.21m，年发电量少1%。工程投资472.85亿元。方案（2）两岸坝后厂房方案所需要坝体前缘宽度大，建筑物布置较紧张。坝轴线需要向下游移动，地基完整性较差，技术处理相对复杂。同方案（1）两岸坝后厂房位于二期基坑内，工期受施工导流工期的影响制约，施工干扰大。工程投资490.95亿元。通过技术经济比较，最后选择左岸坝后厂房，右岸地下厂房方案，枢纽工程由拦河大坝、泄洪建筑物、左岸坝后厂房、右岸地下厂房、两岸灌溉取水口和升船机等建筑物组成，大坝为混凝土重力坝，最大坝高162米。见图1-24。图1-24 左岸坝后厂房右岸地下厂房方案第三章 泄水建筑物设计 1.  泄水建筑物的类型和布置 在水利水电枢纽工程中，一般都需要设置有永久性的泄水建筑物。泄水建筑物的主要任务是宣泄水库供发电、灌溉等使用后多余的洪水，快速放水（包括汛前的放空水库和由于一些特殊情况需要降低水库的水位），调节水库的蓄水，排放泥砂或漂浮物等。其中泄洪建筑物是保障大坝的安全可靠和充分发挥水库综合效益的关键，是水利水电枢纽工程中的非常重要的组成部分。泄洪建筑物安全泄洪的主要体现在两个方面：泄洪建筑物在泄放高速水流和消能过程中的自身安全；消能后使水流能妥善地与下游河道联接，不会引起坝后下游地区严重的冲刷。 泄水建筑物型式主要有河床溢洪道，岸边溢洪道，泄水遂洞等。河床溢洪道一般是指在坝身设置的泄水建筑物，其型式又有从坝顶溢流，即表孔溢流，或在坝身开设大孔口溢流和在坝身设置的泄水孔泄水等。岸边溢洪道包括正向进水的正槽式溢洪道和侧向进水的侧槽式溢洪道等。1.1 表孔溢流 （1）重力坝枢纽中的表孔溢流结构型式（图3-1）图3-1 重力坝枢纽中的表孔溢流结构型式优点：除渲泄洪水外，也能用于排除冰凌和漂浮物，孔口不易堵塞。闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大，当闸门全开时，下泄流量与成正比（为水头），随着库水位的升高，下泄量也迅速增大，故超泄能力大。泄水水流平顺。闸门启闭操作方便，检查维修方便，工作安全可靠。缺点当坝型为拱坝时，由于坝身单薄，需设置实体泄槽或滑雪道结构，实体的泄槽工程量较大，不经济，而轻型的滑雪道易引起振动，稳定性不好；不能提前预泄洪水，不能满足排砂，放空水库等要求，所以常和其它型式的泄水建筑物结合使用。（2）拱坝枢纽中的表孔溢流的结构型式拱坝枢纽中的表孔溢流的结构型式又可分为三种：自由跌流式（图3-2）     对于薄的双曲拱坝或小型拱坝，常采用坝顶自由跌流型式溢洪，溢流头部一般为非真实标准堰。图3-2 自由跌流式泄水建筑物（这种溢流型式适用于基岩良好、泄水单宽流量不大、坝高较小、尾水较深的情况。一般要在水流跌入处设置短护坦，避免下游形成较大较深的冲坑，影响拱坝安全。）鼻坎挑流式（图3-3）    为了使溢流跌落点离坝脚稍远些，在溢流堰顶曲线的末端用反弧连接而形成挑流鼻坎。图3-3 鼻坎挑流式泄水建筑物（挑流鼻坎多采用连续式结构。为了不增加过多的工程量，鼻坎末端与堰顶之间的高差常不大于68m，大约为设计水头的1.5倍左右。鼻坎挑角在1025º之间，反弧半径约等于设计水头。这种坝顶溢流型式可采用挑流消能，单宽流量可稍大于自由跌流式采用的单宽流量。广东省流溪河拱坝枢纽，溢流坝段全长90.86m，布置7孔宽11.5m的表孔，不设闸门，采用差动式高低鼻坎（三孔高坎，坎顶高程230m，四孔低坎，坎面高程129m），促使下泄水流在空中对撞消能，在千年一遇洪水位时下泄流量为635m3/s，最大流速18.4m/s。对于重力拱坝，坝体较厚，通过表孔下泄的水流可贴着下游坝面宣泄，并经高程较低的鼻坎挑射消能或底流消能，因此允许采用的单宽流量同重力坝。湖南省凤滩拱坝枢纽，总泄洪流量为26600m3/s·m,是目前世界上拱坝坝身泄洪量最大的表孔溢流形式，设置13个溢流表孔，安装宽14m高12m宽的弧钢型闸门，最大单宽流量为170 m3/s·m,采用高低坎挑流（6孔高坎、7孔低坎），促使水流在空中对撞消能，高低坎水流交角为5555º，有效地解决了水流径向集中问题，消能效果良好。）滑雪道式（图3-4）  滑雪道是拱坝特有的一种溢洪建筑物，滑雪道泄槽既可与表孔连接，也可与中孔连接。（滑雪道是由与溢（泄）洪坝体相连接的泄槽组成，泄槽常为坝体轮廓以外的结构，用缝与坝体分开。水流过坝后，流经滑雪道的泄槽，由泄槽尾端的挑流鼻坎挑出，使水流在空中扩散掺气。挑流鼻坎一般比堰顶低很多，因而挑距较大，可采用较大的单宽流量。）图3-4 滑雪道泄水建（1）重力坝枢纽中的表孔溢流结构型式（图3-1）图3-1 重力坝枢纽中的表孔溢流结构型式优点：除渲泄洪水外，也能用于排除冰凌和漂浮物，孔口不易堵塞。闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大，当闸门全开时，下泄流量与成正比（为水头），随着库水位的升高，下泄量也迅速增大，故超泄能力大。泄水水流平顺。闸门启闭操作方便，检查维修方便，工作安全可靠。缺点当坝型为拱坝时，由于坝身单薄，需设置实体泄槽或滑雪道结构，实体的泄槽工程量较大，不经济，而轻型的滑雪道易引起振动，稳定性不好；不能提前预泄洪水，不能满足排砂，放空水库等要求，所以常和其它型式的泄水建筑物结合使用。（2）拱坝枢纽中的表孔溢流的结构型式拱坝枢纽中的表孔溢流的结构型式又可分为三种：自由跌流式（图3-2）     对于薄的双曲拱坝或小型拱坝，常采用坝顶自由跌流型式溢洪，溢流头部一般为非真实标准堰。图3-2 自由跌流式泄水建筑物（这种溢流型式适用于基岩良好、泄水单宽流量不大、坝高较小、尾水较深的情况。一般要在水流跌入处设置短护坦，避免下游形成较大较深的冲坑，影响拱坝安全。）鼻坎挑流式（图3-3）    为了使溢流跌落点离坝脚稍远些，在溢流堰顶曲线的末端用反弧连接而形成挑流鼻坎。图3-3 鼻坎挑流式泄水建筑物（挑流鼻坎多采用连续式结构。为了不增加过多的工程量，鼻坎末端与堰顶之间的高差常不大于68m，大约为设计水头的1.5倍左右。鼻坎挑角在1025º之间，反弧半径约等于设计水头。这种坝顶溢流型式可采用挑流消能，单宽流量可稍大于自由跌流式采用的单宽流量。广东省流溪河拱坝枢纽，溢流坝段全长90.86m，布置7孔宽11.5m的表孔，不设闸门，采用差动式高低鼻坎（三孔高坎，坎顶高程230m，四孔低坎，坎面高程129m），促使下泄水流在空中对撞消能，在千年一遇洪水位时下泄流量为635m3/s，最大流速18.4m/s。对于重力拱坝，坝体较厚，通过表孔下泄的水流可贴着下游坝面宣泄，并经高程较低的鼻坎挑射消能或底流消能，因此允许采用的单宽流量同重力坝。湖南省凤滩拱坝枢纽，总泄洪流量为26600m3/s·m,是目前世界上拱坝坝身泄洪量最大的表孔溢流形式，设置13个溢流表孔，安装宽14m高12m宽的弧钢型闸门，最大单宽流量为170 m3/s·m,采用高低坎挑流（6孔高坎、7孔低坎），促使水流在空中对撞消能，高低坎水流交角为5555º，有效地解决了水流径向集中问题，消能效果良好。）滑雪道式（图3-4）  滑雪道是拱坝特有的一种溢洪建筑物，滑雪道泄槽既可与表孔连接，也可与中孔连接。（滑雪道是由与溢（泄）洪坝体相连接的泄槽组成，泄槽常为坝体轮廓以外的结构，用缝与坝体分开。水流过坝后，流经滑雪道的泄槽，由泄槽尾端的挑流鼻坎挑出，使水流在空中扩散掺气。挑流鼻坎一般比堰顶低很多，因而挑距较大，可采用较大的单宽流量。）图3-4 滑雪道泄水建1、2  大孔口溢流 大孔口溢流的特点：在洪水到来之前可以将库水位迅速放到防洪水位的下限，预留较多的防洪库容，降低上游洪水位，从而降低坝高，减少工程量；有胸墙挡水，可减小闸门高度；胸墙多做成固定的，但也有做成活动的，在遇到特大洪水时，将胸墙吊起，变成坝顶溢流，可加大超泄能力，确保枢纽安全。但大孔口溢流下泄流量与成正比（为水头），超泄能力差；当库水位较高时，由于胸墙的阻拦，不能排泄漂浮物和冰凌。图3-5 大孔口溢流1、2  大孔口溢流 大孔口溢流的特点：在洪水到来之前可以将库水位迅速放到防洪水位的下限，预留较多的防洪库容，降低上游洪水位，从而降低坝高，减少工程量；有胸墙挡水，可减小闸门高度；胸墙多做成固定的，但也有做成活动的，在遇到特大洪水时，将胸墙吊起，变成坝顶溢流，可加大超泄能力，确保枢纽安全。但大孔口溢流下泄流量与成正比（为水头），超泄能力差；当库水位较高时，由于胸墙的阻拦，不能排泄漂浮物和冰凌。图3-5 大孔口溢流图3-6 丹江口大坝坝身泄水孔1、3  坝身泄水孔 坝身泄水孔（图3-6）按进水口的高程又分为中孔（进水口淹没深度小于全水深的40%）和深孔（进水口淹没深度大于全水深的40%）。当适当尺寸的孔口对坝体应力并无大的影响，利用坝身开孔泄洪可节省另建溢洪道的投资。(对于拱坝，泄洪中孔一般布置在河床中部的坝段，以便于消能和防冲，工作闸门常设在出口，这样不仅便于布置闸门的提升设备，而且还因为在坝的下游面孔口末端设置闸墩和挑流坎后，局部加厚了孔口附近的坝体，从而显著地改善了孔口周边的应力状态，对孔底的拱应力亦有所改善。以往认为拱坝的孔口可能破坏拱坝的整体性，但工程实践和试验研究证明了孔口对坝体应力场的影响仅限于孔口附近的局部区域，应力集中区的拉应力可能使孔口边缘混凝土开裂，可在孔口周围布置受力钢筋，不致危及坝的整体安全性。考虑到孔口较大时对坝体剖面有较大的削弱及应力重分布的影响，孔口附近的坝体宜适当加厚。由于拱坝坝体薄，中孔断面一般采用矩形断面，不需要在孔口内设置矩形断面向圆形断面过渡, 圆形断面再向矩形断面过渡的渐变段。)图3-7 拱坝泄洪中孔拱坝坝身中孔当水流过坝后需要进行合理选型和布置，如设置滑雪道泄槽等。深式泄水孔可以根据孔内流态分为有压和无压两类。有压泄水孔泄水时，整个泄水孔都处于满流承压状态，无压泄水孔泄水时，除进口有一段压力短管外，其余部分处于明流状态。深式泄水孔可用于多种用途，如向下游供水、预泄洪水腾空防洪库容、放空水库、排除淤沙以及解决施工中的后期导流问题。深式泄水孔的缺点是下泄流量与成正比（为水头）超泄能力较小；由于闸门承受的水头较高，操作、检修都比较复杂。 图3-8 深式泄水孔示意图1、4  岸边溢洪道 多用于土石坝枢纽和在狭谷中建造的混凝土坝枢纽，特别是支墩坝和轻型坝，当泄水量大而坝身泄水设施难以满足时，也可以建造河岸溢洪道。 岸边溢洪道（图3-9 ）的结构特点：图3-9 岸边溢洪道一般采用地面开敞式溢洪道，它具有较大的超泄能力，即泄水能力会随水库水位的升高而迅速增加，从而可减小洪水翻坝漫顶的可能性。开敞式溢洪道检查维护方便，运用安全可靠。可充分利用地形地质条件，减少开挖的土石方量和混凝土衬砌工程量。 为了减少开挖工程量，采用岸边溢洪道的型式，一般需要有建筑溢洪道的垭口地形条件。 图3-10 泄水隧洞进水口1、5  泄水隧洞 按洞内水流流态分为有压隧洞和无压隧洞两种类型。泄水隧洞的优点：可以把流量送到下游较远的部位。可以利用导流隧洞改建（但导流隧洞高程过低时，改建有困难，而容易在反弧段发生气蚀破坏）。可以较方便地采用窄缝式鼻坎等各种挑流消能措施。泄水隧洞缺点：下泄流量与成正比（为水头）超泄能力较小。开挖隧洞后改变了围岩原来的应力平衡状态，会在孔洞附近引起应力重分布，产生变形，常需设置临时性支护和永久性衬砌以保安全其进口高程都在水下较低处，承受较大的内水压力和外水压力，洞身和衬砌必须有足够的强度，体型也必须尽量与流态相适应，以免产生局部负压，引起振动、空蚀等破坏现象与地面建筑物相比，隧洞的施工场地狭窄，物料运输困难，作业干扰较大地下施工，发生事故的可能性较大，改建和加固困难，施工工序较多。泄洪建筑物安全泄洪的主要内容，概括起来可包括两个方面：泄洪建筑物在泄放高速水流和消能过程中的自身安全；消能后使水流能妥善地与下游河道联接，不会引起坝后下游地区严重的冲刷。2.  泄水建筑物的孔口尺寸拟定 泄水建筑物的孔口尺寸是通过对设计（校核）洪水标准相对应的洪水过程进行调洪演算后确定。通过调洪演算可以确定水利水电枢纽工程的主要工程特性：（1）泄水建筑物的孔口尺寸。（即溢流坝（溢洪道）的堰顶高程和溢流坝（溢洪道）的宽度。）（2）最高洪水位。（最高洪水位包括设计洪水位和校核洪水位。最高洪水位决定着大坝的高度、总工程量及上游的淹没状况。）（3）最大下泄流量。（最大下泄流量涉及到下游的消能防洪问题。）2.1 调洪演算的基本原理及计算方法水库调洪演算的基本公式是建立在水库水量平衡基础上的。水库在某一时段内入库流量、出库流量和水库蓄水量的变化列出水量平衡方程式（3-1）表示。     （3-1）   式中，计算时段长度，；         t时段初、末的入库流量，；         t时段初、末的出库流量，；         t时段初、末水库蓄水量，。求解水量平衡方程的方法有试算法和单辅助线法。 将（3-1）移项可得：             （3-2）   式中，为t时段初、末的入库平均流量，当已知水库入库洪水过程线时，为已知，则是计算时段t开始的初始条件，式中仅为t时段末的未知值，由上式可以看出是的函数，故可将与之间的对应关系绘制成调洪辅助曲线，因上式两端都有，只需绘制一条辅助线就能求解，故称单辅助线法。2、2  水库的调洪演算及需要考虑的问题   水库的调洪演算一般需要有以下步骤：（1）收集计算基本资料调洪演算计算基本资料包括设计和校核洪水过程线、水库水位容积曲线、河道水位流量曲线、上游最高限制淹没水位、下游河道最大的允许下泄流量、起调水位等。（2）初步拟定几组的泄水建筑物的孔口尺寸水库在某一时段内的