第二节　重力坝的剖面

一、非溢流重力坝的剖面

非溢流坝的剖面形式、尺寸影响荷载的计算、稳定和应力分析，因此，非溢流坝剖面的设计以及其他相关结构的布置，是重力坝设计的关键步骤。

（一）剖面设计的原则与步骤

非溢流坝剖面设计的基本原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量小，造价低；③结构合理，运用方便；④方便施工，利于维修。

剖面拟定的步骤为：首先拟定基本剖面；其次根据运用以及其他要求，将三角形基本剖面修改成实用剖面；最后对实用剖面进行应力分析和稳定验算，按规范要求，经过几次反复修正和计算后，得到合理的设计剖面。

（二）非溢流重力坝的基本剖面

重力坝承受的主要荷载是静水压力和自重，控制剖面尺寸的主要指标是稳定和强度要求，因为作用于上游面的水平水压力呈三角形分布，而且三角形剖面外形简单，底面和基础接触面积大，稳定性好，所以非溢流重力坝的基本剖面是上游近于垂直的三角形，如图4-4所示。

基本剖面的拟定，采用工程经验确定具体尺寸，简便合理。根据工程实践，上游坝坡系数常采用n＝0～0.2，下游坝坡系数常采用m＝0.6～0.8，坝底宽约为B＝（0.7～0.9）H（H为坝高或最大挡水深度）。混凝土重力坝上游面可做成折坡，折坡点一般位于1/3～2/3坝高处，以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定性。

（三）非溢流重力坝的实用剖面

基本剖面拟定后，要进一步根据作用在坝体上的全部荷载（如静水压力、浪压力等）以及运用条件，如防浪墙布置、坝顶设备布置、交通需要、施工和检修要求等，把基本剖面进行修改成为实用剖面。

1.坝顶宽度

为了满足设备布置、运行、检修、施工、交通、抗震、险情时抢护等的需要，坝顶必须有一定的宽度。考虑坝体各部分尺寸协调美观，一般情况坝顶宽度可采用最大坝高的8%～10%，且不小于3m；碾压混凝土坝坝顶宽不小于5m；当有交通要求时，应按交通要求确定；当坝顶布置移动式启闭设施时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求。

2.坝顶布置

坝顶结构布置的原则是安全、经济、合理、实用。其布置有下列形式：①坝顶部分伸向上游；②坝顶建成矩形实体结构，必要时为移动式启闭机铺设轨道；③坝顶部分伸向下游，并做成拱桥或桥梁结构形式。坝顶排水一般都排向上游。坝顶常设防浪墙，高度一般为1.2m，厚度应能抵抗波浪及漂浮物的冲击，与坝体牢固地连在一起，防浪墙在坝体分缝处也必须留伸缩缝，缝内设止水，如图4-5所示。

3.坝顶高程

为了交通和运用管理的安全，非溢流重力坝的坝顶应高于校核洪水位。当坝顶上游设防浪墙时，坝顶高程不得低于相应的静水位（图4-6）。

坝顶或防浪墙顶高程＝水库静水位＋超高

超高为波浪高度、波浪中心线高出正常蓄水位或校核洪水位的高度、安全超高三项之和，计算结果取设计情况和校核情况的较大值。

4.实用剖面形式

坝顶的宽度和高程确定以后，可以得出所需要的实用剖面，坝体实用剖面常采用以下三种形式（图4-7）：①铅直坝面，上游坝面为铅直面，便于施工，利于布置进水口、闸门和拦污设备，但是可能会使下游坝面产生拉应力，此时可修改下游坝坡系数m值；②斜坡坝面，当坝基条件较差时，可利用斜面上的水重，提高坝体的稳定性；③折坡坝面，是最常用的实用剖面，既可利用上游坝面的水重增加稳定，又可利用折坡点以上的铅直面布置进水口，还可以避免空库时下游坝面产生拉应力。坝底一般应按规定置于坚硬新鲜岩基上。

实用剖面应该以剖面的基本参数为依据，以强度和稳定为约束条件，建立坝体工程量最小的目标函数，进行优化设计，确定最终的设计方案和相应尺寸。

二、溢流重力坝的剖面

溢流重力坝简称溢流坝，既是挡水建筑物，又是泄水建筑物。因此，确定坝体剖面除要满足稳定和强度要求外，还要满足泄水的要求，同时要考虑下游的消能问题。

（一）对溢流坝的要求

溢流坝是枢纽中最重要的泄水建筑物之一，将水库所不能容纳的大部分洪水经坝顶泄向下游，以确保大坝安全。溢流坝的设计应满足以下要求：

（1）有足够的孔口尺寸、良好的孔口体形和泄水时具有较大的流量系数。

（2）使水流平顺地通过坝体，不允许产生不利的负压和振动，避免发生空蚀现象。

（3）保证下游河床不产生危及坝体安全的坍塌和冲刷。

（4）溢流坝段在枢纽中的位置，应使下游流态平顺，不产生折冲水流，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行。

（5）有灵活控制水流下泄的设备，如闸门、启闭机等。

溢流坝的确定，既有结构问题，也有水力学问题，如冲刷、空蚀、脉动、掺气、消能等。对这些问题的研究，近年来虽然在试验和计算方面都取得了很大的进展，但在很多方面仍有待深入研究。

（二）溢流坝的泄水方式

溢流坝的泄水方式有堰顶开敞溢流式和孔口溢流式两种。

1.堰顶开敞溢流式

根据运用要求，堰顶可以设闸门，也可以不设闸门。

不设闸门时，堰顶高程等于水库的正常蓄水位，泄水时，靠壅高库内水位增加下泄量，这种情况增加了库内的淹没损失和非溢流坝的坝顶高程和坝体工程量。坝顶溢流不仅可以用于排泄洪水，还可以用于排泄其他漂浮物。它结构简单，可自动泄洪，管理方便，适用于洪水流量较小、淹没损失不大的中、小型水库。

当堰顶设有闸门［图4-8（a）］时，闸门顶高程虽高于水库正常蓄水位，但堰顶高程较低，可利用闸门不同开启度调节库内水位和下泄流量，减少上游淹没损失和非溢流坝的高度及坝体的工程量。与深孔闸门比较，堰顶闸门承受的水头较小，其孔口尺寸较大，由于闸门安装在堰顶，操作、检修均比深孔闸门方便。当闸门全开时，下泄流量与堰上水头H0的3/2次方成正比。随着库水位的升高，下泄流量增加较快，具有较大的超泄能力。在大、中型水库工程中得到广泛的应用。

2.孔口溢流式

在闸墩上部设置胸墙［图4-8（b）］，既可利用胸墙挡水，又可减少闸门的高度和降低堰顶高程。它可以根据洪水预报提前放水，腾出较大的防洪库容，提高水库的调洪能力。当库水位低于胸墙下缘时，下泄水流流态与堰顶开敞溢流式相同；当库水位高于孔口一定高度时，呈大孔口出流。胸墙多为钢筋混凝土结构，常固接在闸墩上，也有做成活动式的。遇特大洪水时可将胸墙吊起，以加大泄洪能力，利于排放漂浮物［图4-8（c）］。

（三）溢流坝的剖面

溢流坝的基本剖面也呈三角形。上游坝面可以做成铅直面，也可以做成折坡面。溢流面由顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分组成，如图4-9所示。设计要求是：①有较高的流量系数，泄流能力大；②水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；③形体简单、造价低、便于施工等。

1.顶部曲线段

顶部曲线又称溢流堰面曲线，常采用非真空剖面曲线。采用较广泛的非真空剖面曲线有克—奥曲线和幂曲线（或称WES曲线）两种。当采用开敞式溢流孔时可采用幂曲线；当设有胸墙时，可采用抛物线。

选择溢流坝的堰面曲线时，堰顶附近允许出现一定的负压，一般当通过设计洪水时，允许出现不超过3×9.81kPa的负压，通过校核洪水时允许出现不超过6×9.81kPa的负压。

2.中间直线段

中间直线段的上端与堰顶曲线相切，下端与反弧段相切，坡度与非溢流坝段的下游坡相同。

3.底部反弧段

在溢流坝面设置反弧段可以使沿溢流面下泄的水流平顺转向，通常采用圆弧曲线，圆弧半径R＝（4～10）h（h为校核洪水闸门全开时反弧最低点的水深）。反弧最低点的流速愈大，要求反弧半径愈大。当流速小于16m/s时，取下限；流速大时，宜采用较大值。当采用底流消能，反弧段与护坦相连时，宜采用上限值。

挑流消能采用圆弧曲线，结构简单、施工方便，但容易发生空蚀破坏，为此，许多人开展了探求合理新型反弧曲线的研究，如球面、变宽度曲面、差动曲面等。

（四）溢流坝剖面设计的两种情况

溢流坝的实用剖面，是在三角形基本剖面的基础上，按堰面曲线的形状修改而成，在剖面设计时往往会出现以下两种情况。

1.溢流坝堰面曲线超出基本三角形剖面

如图4-10（a）所示，在坚固完好的岩基上，会出现这种情况，设计时需对基本剖面进行修正。先绘出非溢流坝三角形基本剖面△102，再绘出堰面曲线ABCD，将基本三角形△012平移至△0′1′2′位置，使下游边0′2′与溢流坝面的切线重合，坝上游阴影部分可以省去。

2.溢流堰面曲线落在三角形基本剖面以内

如图4-10（b）所示，当坝基摩擦系数较大时，会出现这种情况。为了满足与基本剖面协调的要求，可将失去的部分坝体体积补上，通常是在溢流坝顶加一斜直线AA′，使之与溢流曲线相切于A点，增加上游阴影部分坝体体积，同时可满足坝体稳定和强度要求。

（五）溢流坝的上部结构

1.闸墩和工作桥

闸墩的作用是用来分隔闸孔、承受闸门传来的水压力，支撑工作桥和交通桥等，如图4-11所示。

闸墩的断面形状应使水流平顺，减小孔口的侧收缩，其上游墩头断面常采用半圆形、椭圆形或流线型，下游断面则多采用逐渐收缩的流线型，有时也采用宽尾墩。

闸墩上游墩头可与坝体上游面齐平，也可外悬于坝顶，以满足上部结构布置的要求。

闸墩厚度与闸门形式有关。采用平面闸门时需设闸门槽，工作闸门槽深0.5～2.0m，宽1～4m，门槽处的闸墩厚度不得小于1～1.5m，以保证有足够的强度。弧形闸门闸墩的最小厚度为1.5～2.0m。如果是缝墩，墩厚要增加0.5～1.0m。由于闸墩较薄，需要配置受力钢筋和温度钢筋。

闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求。平面闸门多用活动式启闭机，轨距一般在10m左右。当交通要求不高时，工作桥可兼做交通桥使用，否则需另设交通桥。门机高度应能将闸门吊出门槽。在正常运用中，闸门提起后可用锁定装置挂在闸墩上。弧形闸门一般采用固定式启门机，要求闸门吊至溢流水面以上，工作桥应有相应的高度。交通桥则要求与非溢流坝坝顶齐平。为了改善水流条件，闸墩需向上游伸出一定长度，并将这部分做到溢流坝顶以下约一半堰顶水深处。

溢流坝两侧设边墩，一方面起闸墩的作用，同时也起分隔溢流段和非溢流段的作用，如图4-12所示。边墩从坝顶延伸到坝址，边墩高度由溢流水深决定，导墙应考虑溢流面上由水流冲击波和掺气所引起的水深增高，一般高出水面1～1.5m。当采用底流式消能时，导墙需延长到消力池末端。当溢流坝与水电站并列时，导墙长度要延伸到厂房后一定的范围，以减少尾水对电站运行的影响。为防止温度裂缝，在导墙上每隔15m左右做一道伸缩缝。

2.闸门和启闭机

有关闸门和启闭机的内容详见第九章。

（六）溢流坝孔口尺寸的布置

溢流坝的孔口尺寸布置，主要指对溢流坝上设几个闸孔，每孔多宽，不包括闸墩在内的总净宽和不包括边墩在内的总宽度的拟定。这些拟定好的孔口尺寸是否能通过相应的流量还要进行校核。

溢流坝孔口尺寸的布置涉及很多因素，如洪水设计标准、下游防洪要求、库水位壅高的限制、泄水方式、堰面曲线以及枢纽所在地段的地形、地质条件等。设计时，先选定泄水方式，拟定若干个泄水布置方案（除堰面溢流外，还可配合坝身泄水孔或泄洪隧洞泄流），初步确定孔口尺寸，按规定的洪水设计标准进行调洪演算，求出各方案的防洪库容、设计和校核洪水位及相应的下泄流量，然后估算淹没损失和枢纽造价，进行综合比较，选出最优方案。

（七）溢流坝的消能防冲

因为溢流坝下泄的水流具有很大的动能，常高达几百万甚至几千万千瓦，若不妥善进行处理，势必导致下游河床被严重冲刷，甚至造成岸坡坍塌和大坝失事。所以，消能措施的合理选择和设计，对枢纽布置、大坝安全及工程造价都有重要意义。

通过溢流坝下泄水流的能量主要消耗在3个方面：①水流内部的互相撞击和摩擦；②下泄水体与空气之间的掺气摩阻；③下泄水流与固体边界（如坝面、护坦、岸坡、河床）之间的摩擦和撞击。

常用的消能方式有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等。消能形式的选择主要取决于水利枢纽的具体条件，根据水头及单宽流量的大小、下游水深及其变幅、坝基地质、地形条件以及枢纽布置情况等，经技术经济比较后选定。

1.底流消能

底流消能是在坝下设置消力池、消力坎或综合式消力池和其他辅助消能设施，促使下泄水流在限定的范围内产生水跃（图4-13）。主要通过水流内部的旋滚、摩擦、掺气和撞击达到消能的目的，以减轻对下游河床的冲刷。底流消能工作可靠，但工程量较大，多用于低水头、大流量的溢流重力坝。有关底流式水跃消能防冲设计，可参考本教材第九章有关部分。

2.挑流消能

挑流消能是利用溢流坝下游反弧段的鼻坎，将下泄的高速水流挑射抛向空中，抛射水流在掺入大量空气时消耗部分能量，而后落到距坝较远的下游河床水垫中产生强烈的漩滚，并冲刷河床形成冲坑，随着冲坑的逐渐加深，大量能量消耗在水流漩滚的摩擦之中，冲坑也逐渐趋于稳定。鼻坎挑流消能一般适用于基岩比较坚固的中、高溢流重力坝。

挑流鼻坎形式有连续式、差动式、窄缝式和扭曲式等形式，前两种较为常用。

（1）连续式挑流鼻坎（图4-14）。连续式挑流鼻坎构造简单、射程较远，鼻坎上水流平顺，不易产生空蚀。

鼻坎挑射角度，一般情况下取θ＝20°～25°，对于深水河槽以选用θ＝15°～20°为宜。加大挑射角，虽然可以增加挑射距离，但由于水舌入水角（水舌与下游水面的交角）加大，使冲坑加深。

鼻坎反弧半径一般采用（4～10）h，h为反弧最低点处的水深。反弧半径太小时鼻坎水流转向不顺畅；反弧半径过大时，将迫使鼻坎向下延伸太长，增加了鼻坎工程量。鼻坎反弧也可采用抛物线，曲率半径由大到小，这样，既可以获得较大的挑射角θ，又不增加鼻坎工程量，但鼻坎施工复杂，在实际运用中受到限制。

鼻坎高程应高于鼻坎下游最高水位1～2m。

挑流消能水舌在空中扩散，使附近地区雾化，高水头溢流坝，雾化区可延伸数百米或更远，设计时应注意将变电站、桥梁和生活区布置在雾化区以外或采取可靠的防护措施。

（2）差动式挑流鼻坎（图4-15）。与连续式挑流鼻坎不同之处在于鼻坎末端设有齿坎，挑流时射流分别经齿台和凹槽挑出，形成两股具有不同挑射角的水流，两股水流除在垂直面上有较大扩散外，在侧向也有一定的扩散，加上高低水流在空中相互撞击，使掺气现象加剧，增加了空中的消能效果，同时也增加了水舌的入水范围，减小了河床的冲刷深度。据试验和原型观测，设计良好的差动式挑流鼻坎下游的冲刷深度比在连续式挑流情况下要减小35%～50%。

3.面流消能

如图4-16所示，面流消能利用鼻坎将高速水流挑至尾水表面，在主流表面与河床之间形成反向漩滚，使高速水流与河床隔开，避免了对临近坝趾处河床的冲刷。

面流消能适用于下游尾水较深（大于跃后水深），水位变幅不大，下泄流量变化范围不大以及河床和两岸有较高的抗冲能力的情况。它的缺点是对下游水位和下泄流量变幅有严格的限制，下游水流波动较大，在较长距离内不够平稳，影响发电和航运。

4.消力戽消能

如图4-17所示，消力戽的构造类似于挑流消能设施，但其鼻坎潜没在水下，下泄水流在被鼻坎挑到水面的同时，还在消力戽内、消力戽下游的水流底部以及消力戽下游的水流表面形成三个漩滚，即所谓“一浪三滚”。消力戽的作用主要在于使戽内的漩滚消耗大量能量；并将高速水流挑至水面，以减轻对河床的冲刷。

消力戽下游的两个漩滚也有一定的消能作用。由于高速主流在水流表面，故不需做护坦。消力戽消能如同面流消能那样，要求下游尾水较深（大于跃后水深），而且下游水位和下泄流量的变幅较小，其缺点也和面流消能大体相同。