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狹窄河谷泄洪建筑物的布置與消能方式簡(jiǎn)介

時(shí)間日期：2007-2-28 已被閱讀次：[9551]

佛山市佛利建設(shè)工程有限公司倫汝銳

【摘　要】　狹窄河谷的地形條件往往比較復(fù)雜，受地形條件的影響，往往為水工建筑物
　　　　　　的布置造成許多難題，其中主要的是解決泄洪建筑物的布置與消能工所帶來的
　　　　　　沖刷問題。我國(guó)自建國(guó)以來，積累了豐富的壩工建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，下面簡(jiǎn)要介紹我國(guó)
　　　　　　在狹窄河谷段進(jìn)行壩工建設(shè)中在泄洪建筑物的布置和消能方面所采用的主要形
　　　　　　式。
【關(guān)鍵詞】　狹窄河谷泄洪建筑物布置消能

　　我國(guó)水能蘊(yùn)藏量具世界第一位，具有豐富的水能資源。其中，狹窄河谷水流落差大，流
量大，水能資源豐富，但是狹窄河谷的地形條件往往比較復(fù)雜，受地形條件的影響，往往為
水工建筑物的布置造成許多難題，其中主要的是解決泄洪建筑物的布置與消能工所帶來的沖
刷問題。我國(guó)自建國(guó)以來，積累了豐富的壩工建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，下面結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)要介紹我國(guó)
在狹窄河谷段進(jìn)行壩工建設(shè)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
　�。ㄒ唬�、泄洪建筑物的主要布置形式
　　狹窄河谷段流速快，落差大，一般位于河流的中上游，主要適于修建拱壩。拱壩具有體
型小，工程量小，造價(jià)低，工期短等特點(diǎn)，但是對(duì)地質(zhì)條件的要求比較嚴(yán)格，一般要求基巖
比較均勻、堅(jiān)硬完整、有足夠的強(qiáng)度、透水性小，抗風(fēng)化，對(duì)設(shè)計(jì)和施工的要求也比較高。
修建拱壩通常遇到的首要問題是泄水建筑物的布置。拱壩上游一般是暴雨區(qū)，洪水來流量大
，由于河道狹窄，所形成的單寬流量也很大，而且地形條件比較復(fù)雜，因此泄水建筑物的布
置與其它建筑物的布置很容易發(fā)生矛盾。根據(jù)不同工程的特點(diǎn)以及當(dāng)?shù)氐乃�、地質(zhì)和地形
等條件，拱壩的泄洪建筑物的布置常常采用以下方式。
　　1、自由跌流式
　　自由跌流包括壩頂自由跌流和壩面自由跌流，水流沿非真空標(biāo)準(zhǔn)堰的溢流頭部泄下，適
用于基巖較好但單寬泄洪量較小的情況，這種泄洪方式有時(shí)設(shè)有溢洪道或者泄水底孔來協(xié)助
泄流。壩頂自由跌流適用于比較薄的雙曲拱壩或者小型拱壩，如我國(guó)的布桑拱壩。壩面自由
跌流適用于重力拱壩，如我國(guó)貴州省的烏江渡重力拱壩。
　　2、壩體孔口泄流式
　　過去認(rèn)為在壩體開孔泄流會(huì)影響壩體的受力條件，泄洪時(shí)會(huì)引起壩體的強(qiáng)烈震動(dòng)，對(duì)壩
體的安全造成影響，所以一般不在壩體開孔，尤其是大型孔口。在我國(guó)，隨著壩工建設(shè)水平
的提高，壩體孔口泄流，尤其是大孔口泄流越來越常見。由于受地形條件的限制，壩體孔口
泄流是現(xiàn)在拱壩泄流方式發(fā)展的潮流。云南漫灣拱壩和二灘拱壩均采用了壩體孔口泄流方式
。
　　3、岸邊溢洪道泄流式
　　岸邊溢洪道或者溢洪洞泄流的布置，也是拱泄洪的一種常見布置方式，例如湖南的東江
拱壩，但是其主要缺點(diǎn)是造價(jià)高，工程量大。
　　4 、廠房頂溢流式
　　廠房頂溢流是處理泄水建筑物和廠房建筑物布置之間矛盾的好方法之一，它將廠房布
置在壩后，利用廠房頂兼作溢洪道泄洪，具有工程布置緊湊，工程量小，便于管理等優(yōu)點(diǎn)。
我國(guó)50年代在貴州省修文縣烏江支流貓?zhí)酉掠涡藿ǖ男尬墓皦�，水�?kù)泄洪采用拱壩與廠
房頂聯(lián)合溢流的方式，溢流結(jié)構(gòu)固結(jié)于壩頂并簡(jiǎn)支于廠房頂排架之上，是我國(guó)最早采用廠房
頂溢流的拱壩。20世紀(jì)90年代的云南漫灣拱壩，采用的也是這種布置方式，并經(jīng)歷了非正常
洪水的考驗(yàn)。
　　二、狹窄河谷拱壩的消能
　�。ㄒ唬�、拱壩挑流消能的常見形式
　　拱壩泄洪消能多采用挑流鼻坎形式，但在狹窄河段兩岸易受沖刷，所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)鼐?
體情況確定消能工的形式。以下是目前幾種較常使用的消能工形式。
　　1、水墊消能
　　在壩頂泄洪方式中，由于水舌距壩腳較近，常在壩下游挖深或設(shè)二道壩，以形成水墊
消能。為下泄水流提供了足夠的紊動(dòng)擴(kuò)散、碰撞和消能的空間，使入射水流通過主流水股在
水墊塘內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)剪切、擴(kuò)散和劇烈旋滾從而達(dá)到消能的效果。由于受水墊深度的限
制，河床底部總不可避免地受到射流不同程度的沖擊，嚴(yán)重者會(huì)造成河床基巖的沖刷或者護(hù)
坦底板的失穩(wěn)破壞.因此，應(yīng)該注意重視研究水墊塘底板塊在射流沖擊下的受力情況。
　　2 、連續(xù)或差動(dòng)鼻坎挑流消能
　　一般在壩頂或大孔口出口修建連續(xù)鼻坎或差動(dòng)式鼻坎進(jìn)行消能，大多數(shù)河床可以不必采
取保護(hù)措施。湖南省的歐陽(yáng)海拱壩采用連續(xù)鼻坎挑流，群英拱壩采用差動(dòng)式挑流。
　　3、扭曲或擴(kuò)散鼻坎挑流消能
　　一些工程根據(jù)工程地形條件的不同，采用適應(yīng)河床地形的擴(kuò)散鼻坎或扭曲鼻坎，這些鼻
坎可使水流按設(shè)計(jì)意圖，挑向下游河床，以減小下游河床的沖刷。我國(guó)的東江拱壩，部分鼻
坎采用了扭曲形斜鼻坎。
　　4、單圓弧斜切雙擴(kuò)散坎消能
　　在孔口設(shè)置單圓弧斜切雙擴(kuò)散坎新型消能結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱斜切坎）進(jìn)行消能，可以較傳統(tǒng)挑
流消能形式減少?zèng)_深以及下游沖刷量。福建省的芹山攔河壩就是采用了該消能形式，不過該
攔河壩是混凝土面板堆石壩，該形式能否運(yùn)用于拱壩應(yīng)當(dāng)需要經(jīng)過進(jìn)一步驗(yàn)證。
　　5 、窄縫挑流消能
　�、耪p式消能工的原理和流態(tài)標(biāo)準(zhǔn)
　　窄縫式挑坎通過邊壁收縮使水流得到有效碰撞，促使水流變形并且形成縱向和豎向的擴(kuò)
散，加劇了紊動(dòng)和摻氣，提高了消能效果。下面根據(jù)試驗(yàn)研究，提出了下列關(guān)于窄縫挑坎體
型的建議。邊壁收縮要適宜，使兩側(cè)水流相互之間既得到充分碰撞，又使空中消能率和碰撞
消能率得到互相配合；使坎內(nèi)水流沖擊波交匯碰撞，應(yīng)盡量不影響水舌外緣的挑距，盡可能
使沖擊波的交匯點(diǎn)靠近窄縫出口；下緣水舌挑距要受坎底坡的控制，既要考慮其射程不威脅
到鼻坎，又要使其縱向拉開充分?jǐn)U散，提高空中消能率；經(jīng)碰撞交匯后的水舌不能出現(xiàn)連續(xù)
水股，而應(yīng)完全破碎，分散成水滴狀，水舌摻氣充分，呈半透明狀。
　�、普p式消能工的體型
　�、偬艚�
　　對(duì)于窄縫式挑坎來說，要考慮到窄縫消能的效果和水舌在空中的縱向擴(kuò)散。挑角越小，
對(duì)沖消能力越大，水舌內(nèi)緣越小，外緣挑距越大。挑角一般在－10°－10°之間。
　　②側(cè)墻曲線形式收縮段側(cè)墻形式的變化對(duì)于窄縫流態(tài)的影響很大。選擇的原則是：由側(cè)
墻的收縮而產(chǎn)生的沖擊波交匯點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近挑坎出口；收縮斷面的側(cè)墻曲線形式應(yīng)盡量使
碰撞消能率高。
　　常見的側(cè)墻曲線形式有外弧、直線、折線、內(nèi)弧和雙內(nèi)弧等五種，其中，以雙內(nèi)弧為好
。
　　③側(cè)墻高度
　　由于側(cè)墻高度并不需要高到使全部流量都從窄縫中通過，因此在保證窄縫水流正常的情
況下，應(yīng)盡可能降低側(cè)墻高度。
　　④收縮比和收縮長(zhǎng)度
　　窄縫收縮比過大，形成不了良好的擴(kuò)散流態(tài)；過小，則水舌外緣射距雖然可能更遠(yuǎn)，但
出口處水深也越高。收縮長(zhǎng)度過長(zhǎng)，不能保證窄縫擴(kuò)散流態(tài)，且會(huì)降低對(duì)沖消能率；過短，
對(duì)沖消能率雖然會(huì)增大，但沖擊波交匯位置提前，加劇了挑坎內(nèi)水流的紊動(dòng)，影響鼻坎穩(wěn)定
和水舌挑距，減小空中消能效果。
　　⑤出口斷面形式
　　窄縫出口斷面一般有五種型式，即矩形，梯形，曲邊梯形，V型和Y型。應(yīng)根據(jù)水力條件
和施工條件來綜合考慮和選用。對(duì)于流量變幅較小的窄縫，一般采用矩形型式。
　　窄縫式挑坎最早用于1955年葡萄牙的卡勃利爾樞紐的泄洪洞出口，后來也多用于泄洪洞
。在我國(guó)，窄縫式消能工用于壩體的工程實(shí)例有東江雙曲拱壩兩側(cè)對(duì)稱潛孔滑雪道。該滑雪
道采用了左右位置錯(cuò)開的窄縫挑坎，單寬流量為160m2/s，運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，沖深較常規(guī)挑坎減
小80％。其它工程實(shí)踐也表明，窄縫式挑坎消能工，不僅工程量小，而且由于挑出去的水舌
窄而高，縱向擴(kuò)散與空氣接觸面大，空中擴(kuò)散消能效果比較好。射流跌入河床時(shí)，順?biāo)鞣?
向擴(kuò)散，增大了水舌內(nèi)外緣的差距。
　　6、對(duì)沖消能
　　根據(jù)河床狹窄和流量向心的特點(diǎn)，很容易利用水流在空中對(duì)沖消能的方法。通過對(duì)沖，
加劇了水流的摻氣，使水股破碎，向河岸兩側(cè)的分速度抵消，能量減小，減輕了對(duì)兩岸的沖
刷。一些工程采用高低坎大差動(dòng)，形成水股上下對(duì)沖，或利用拱壩曲率，使同層出泄水流對(duì)
沖。
　　1936年法國(guó)修建馬海許拱壩，最早將兩側(cè)對(duì)沖消能的方法用于隧洞泄洪消能防沖。我國(guó)
于1970年修建的陳村拱壩和1972年修建的泉水拱壩都采用了兩側(cè)挑流對(duì)沖式消能工，取得了
良好的消能效果。
　　白山拱壩位于吉林省第二松花江上游，壩址處的多年平均流量為239m3/s，實(shí)測(cè)最大洪
峰流量為11800 m3/s，壩區(qū)河谷為V型，谷坡為1/1.6～1/2。壩區(qū)基巖主要是混合巖，壩基
多次受構(gòu)造變動(dòng)影響，斷裂構(gòu)造較發(fā)育。采用了高低坎對(duì)沖的消能方法。4個(gè)高孔和3個(gè)低孔
相互間隔，對(duì)稱布置于河道，當(dāng)高孔和低孔同時(shí)泄洪時(shí)，經(jīng)充分?jǐn)U散后的高孔和低孔水舌，
在空中相遇，上下碰撞，在一次加劇了水流的分散，進(jìn)一步增強(qiáng)了消能效果。觀測(cè)表明，沖
坑比不分層時(shí)的沖坑深度減小了80％。
　　湖南鳳灘拱壩13孔堰頂溢流分成兩層間隔。高低對(duì)沖大差動(dòng)坎，出口6個(gè)高坎成舌狀，
以利于橫向擴(kuò)散，7個(gè)低坎水流至坎末擴(kuò)散，布滿13個(gè)坎孔寬，經(jīng)空間碰撞和摻氣縱向拉開
，大大降低了射流水舌的單位面積流量，沖坑深度大大減低。經(jīng)觀測(cè)，實(shí)際沖坑深度僅為連
續(xù)式鼻坎挑流的40.4％。
　　三、結(jié)束語(yǔ)
　　隨著拱壩建設(shè)的不斷發(fā)展，拱壩的地形、地質(zhì)條件越來越復(fù)雜。應(yīng)當(dāng)搞清各種地形、地
質(zhì)條件對(duì)拱壩應(yīng)力、穩(wěn)定及變形的影響以及相應(yīng)的處理措施，結(jié)合具體的水文條件，對(duì)泄洪
建筑物進(jìn)行合理的布置和采用適當(dāng)?shù)南芄ば问�，不斷吸取�?guó)內(nèi)外在這方面已經(jīng)積累了豐富
的經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)踐中不斷學(xué)習(xí)，不斷進(jìn)步。參考文獻(xiàn)
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　　5. 王治祥，窄縫式挑坎強(qiáng)化消能體型問題研究。紅水河，1994年第2期。
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