第四节 重力坝的剖面设计与结构布置

一、非溢流重力坝的剖面设计与结构布置

重力坝剖面设计的任务在于选择一个既满足稳定和强度要求，又使体积最小和施工简单运行方便的剖面。精确的方法，应以整个工程的经济指标作为目标函数，在满足上述设计要求和其他必要的约束条件下，用数学规划和优化设计方法求得最优的剖面（见本书第十六章第二节中的水工建筑物优化设计）。工程中，常将问题做些简化，先考虑坝体主要荷载，按安全和经济要求，拟定基本剖面，再根据运用及其他要求，将基本剖面修改成为实用剖面，最后对实用剖面在全部荷载作用下进行应力分析和稳定验算，经过反复修改和计算，确定合理的坝体剖面。

（一）重力坝基本剖面

重力坝的基本剖面，一般是指在主要荷载作用下满足坝基面稳定和应力控制条件的最小三角形剖面。因此，基本剖面分析的任务是在满足稳定和强度要求下，根据给定的坝高H求得一个最小的坝底宽度T，也就是确定三角形的上下游坡度。为分析方便，沿坝轴线方向取单位长度的坝体进行研究，如图4-24所示。其上下游面的水平投影长度分别为λT和（1-λ）T。假定上游库水位与三角形顶点齐平，水深即为H，下游无水；坝的荷载只考虑上游水平水压力P、水重Q和坝体自重G以及扬压力U（扬压力分布简化如图中的三角形，在上游端的压强为αγ₀H，下游端为零，α值视防渗排水条件确定）。

作用在图4-24三角形重力坝上的主要荷载确定后，利用偏心受压公式（4-18）可求得满库时坝底上下游边缘垂直正应力为

式中：γ_c为坝体材料容重；γ₀为水容重；α₁为扬压力折减系数。

空库时为

图4-24 重力坝基本剖面示意图

按重力坝在上下游边缘不允许出现拉应力的要求，由以上各式不难看出，空库时上下游边缘不出现拉应力的条件为0≤λ≤1；在库满情况下，为使上游边缘不出现拉应力，可令=0，由此求得

欲使为最小值，应使式（4-64）右边分母的数值为极大值。取其一次导数并令其等于零，即

式（4-65）给出了坝底最小宽度T的λ值。若取γ_c=24kN/m³，γ₀=10kN/m³，则λ=-0.2，即坝的上游面要做成有倒悬的倒坡，这样不仅对施工不利，而且空库时，由于自重作用线向上游侧偏移，坝的下游边缘可能产生较大的拉应力。故一般取λ=0，即设计成上游面铅直的三角形剖面。以λ=0代入式（4-64）可得出满足应力控制条件且便于施工的坝底最小宽度的计算公式：

由式（4-66）可以看出，α₁值愈小则坝底宽也愈小，可见采取有效防渗排水措施减小扬压力，对重力坝经济意义很明显。

根据如图4-24所示作用力，可算出总水平水压力，总铅直力∑W=，代入抗滑稳定分析的摩擦公式（4-1），可得出满足稳定条件的最小坝底宽度为

当摩擦系数较大时，坝底宽度应由应力条件控制；当f较小时，则坝底宽度由稳定条件控制，由式（4-67）可知，加大λ值，可以利用上游倾斜坝面上的水重增加坝体稳定，从而减小坝体宽度T。但由于应力条件的限制，λ值不能随意加大，要想得到同时满足稳定和应力条件的经济剖面，需由式（4-64）和式（4-67）两式联立求解λ与T值。根据工程经验，岩基上重力坝一般上游坡n=λT/H=0～0.2，下游坡m=（1-λ）T/H=0.6～0.8，坝底宽约为坝高的0.7～0.9。

（二）非溢流坝的实用剖面

重力坝的基本剖面，是在荷载和剖面形态都作了简化之后求得的。实用剖面当然不能是顶点与上游水位齐平的简单三角形。因此，还要考虑其他荷载和运用条件，故需对基本剖面进行修改，使其成为符合实际需要的实用剖面。

1.坝顶宽度

坝顶需要有一定的宽度，以满足设备布置、运行、交通及施工的需要。非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的8%～10%，并不宜小于3m。如作交通要道或有移动式启闭机设施时，应根据实际需要确定。当有较大的冰压力或漂浮物撞击力时，坝顶最小宽度还应满足强度要求。

2.坝顶高程

坝顶或坝顶上游防浪墙顶应超出水库静水位的高度，用Δh表示，由下式计算：

式中：h_1%为累积频率为1%的波浪高度，m，按式（2-27）计算；h_z为波浪中心线高出静水位的高度，m，按式（2-29）计算；h_c取决于坝的级别和计算情况的安全超高，查表4-5。设计和校核情况坝顶高程（或坝顶上游防浪墙顶高程）按下式计算，并选用其中的较大值。

式中：Δh_设和Δh_校分别按式（4-68）的要求考虑。对于1、2级的坝，如果按照可能最大洪水校核时，坝顶高程不得低于相应静水位，防浪墙顶高程不得低于波浪顶高程。防浪墙高度一般为1.2m，应与坝体在结构上连成整体，墙身应有足够的厚度，以抵挡波浪及漂浮物的冲击。

3.剖面形态

图4-25为三种常用的实体重力坝剖面形态。图4-25中（a）采用铅直的上游坝面，这种型式适用于坝基摩擦系数较大，由应力条件控制坝体剖面的情况，铅直的上游坝面具有便于布置和操作坝身管道进口控制设备的优点。但由于在上游面为铅直的基本三角形剖面上增加了坝顶重量，空库时下游坝面可能产生拉应力，设计时应控制在容许的范围内。图4-25（b）是工程上经常采用的一种实用剖面，其特点是上游坝面上部铅直，而下部呈倾斜，既可利用部分水重来增强坝的稳定性，又可保留铅直的上部便于管道进口布置设备和操作的优点。上游折坡的起坡点位置应结合应力控制条件和引水、泄水建筑物的进口高程来选定，一般在坝高的l/3～2/3的范围内。图4-25中（c）是由上游面略呈倾斜的基本三角修改而成，适用于坝基摩擦系数较小的情况，倾斜的上游坝面可以增加坝体自重和利用一部分水重，以满足抗滑稳定的要求。修建在地震区的重力坝，为避免空库时下游坝面产生过大的拉应力，也可采用此种剖面。

图4-25 非溢流坝剖面形态示意图

二、溢流重力坝和坝身泄水孔设计与结构布置

（一）溢流重力坝

溢流重力坝既是挡水建筑物，又是泄水建筑物；既要满足稳定和强度的要求，又要满足水力条件的要求。例如要有足够的泄流能力；应使水流平顺地通过坝面，避免产生振动和空蚀；应使下泄水流对河床不产生危及坝体安全的局部冲刷；不影响枢纽中其他建筑物的正常运行，等等。所以溢流坝剖面设计涉及到孔口尺寸、溢流堰形态以及消能方式等的合理选定。

1.溢流坝孔口尺寸的拟定

（1）孔口形式。溢流坝孔口形式有坝顶溢流式和设有胸墙的大孔口溢流式两种，如图4-26所示。坝顶溢流式当闸门全开时，其泄流能力与水头H^3/2成正比，随着库水位的升高，泄流量也迅速加大，所以当遭遇意外洪水时，超泄能力较大，且有利于排除冰凌和其他漂浮物；闸门启闭操作方便，易于检修，安全可靠，所以在重力坝枢纽中得到广泛采用。

大孔口溢流式是将堰顶高程降低，利用胸墙遮挡部分孔口以减小闸门的高度，可以利用洪水预报提前放水腾出较大的防洪库容，从而提高水库调洪能力。当库水位低于胸墙时，泄流状态与坝顶溢流相同；而当库水位高出胸墙底缘一定高度时，就呈大孔口泄流状态，此时下泄流量与水头H^1/2成正比，超泄能力不如坝顶溢流式大，也不利于排泄漂浮物。

图4-26 溢流坝泄水方式示意图（单位：m）

（a）坝顶溢流式；（b）大孔口溢流式

1—移动式启闭机；2—工作闸门；3—检修闸门

（2）孔口尺寸。溢流坝孔口尺寸的拟定包括过水前缘总宽度、堰顶高程、孔口的数目和尺寸。应根据洪水流量和容许单宽流量、闸门形式以及运用要求等因素，通过水库的调洪演算，水力计算和方案的技术经济比较确定。

溢流前缘总净宽L可表示为

式中：Q和q分别为通过溢流堰（孔）的下泄流量和容许的单宽流量。根据建筑物等级所确定的洪水设防标准（表4-6）和洪水过程线，通过调洪演算确定枢纽下泄流量Q_s。当有泄水孔或其他泄水建筑物分担部分泄洪任务时，则通过溢流堰（孔）的Q为

式中：Q_s为通过枢纽的总下泄流量；Q₀为通过泄水孔、水电站及其他泄水建筑物的下泄流量；α为系数，正常运用时取0.75～0.9，校核情况取为1.0。

单宽流量q是决定孔口尺寸的重要指标，在Q既定的条件下，q越大，溢流前缘宽度L越小，交通桥、工作桥等造价也越低，对山区狭窄河道上的枢纽布置越方便；但却增加了闸门和闸墩的高度，同时对下游消能防冲的要求也要相应提高。若选用过小的单宽流量，虽可降低消能工的费用，但会增加溢流坝的造价和枢纽布置上的困难。因此，q的选择是一个技术经济比较问题。一般来说，当河谷狭窄、基岩坚硬，且下游水深较大时，可选用较大的单宽流量，以减小溢流前缘宽度，便于枢纽布置；当河床基岩较软弱或存在地质构造等缺陷时，宜选用较小的q值。以往国内外的工程实践中，对软弱基岩常取q=20～50m³／（s·m），较好的基岩取q=50～70m³／（s·m），特别坚硬、完整的基岩取q=100～150m³／（s·m）。近年来随着坝下消能措施的不断改善，q的取值有加大趋势。我国乌江渡拱形重力坝校核情况单宽流量超过200m³／（s·m）。国外如西班牙、葡萄牙等国有的工程采用单宽流量高达300m³／（s·m）。

对于装设闸门的溢流坝，当过水净宽L确定之后，常需用闸墩将溢流段分隔成若干等宽的溢流孔，设每孔净宽为b，孔数为n，闸墩厚度为d，则溢流段总宽度为

选择n和b时，要考虑闸门的形式和制造能力、闸门跨度与高度的合理比例、运用要求和坝段分缝等因素。若每孔宽度过小，则闸门、闸墩数增多，溢流段加宽；若孔宽过大，则闸门尺寸加大，启闭设备加大，相应的制造和安装均较复杂。我国目前大、中型混凝土坝一般常用b=8～16m，有排泄漂浮物要求时，可加大到18～20m，闸门宽高比为1.5～2.0，应尽量采用闸门规范中推荐的标准尺寸。

在确定溢流孔口宽度的同时，也应确定溢流坝的堰顶高程。这是因为由溢流前缘总净宽L和堰顶水头H₀所决定的溢流能力，应与要求达到的下泄流量Q相当。对于采用坝顶溢流的堰顶水头H₀可利用式（3-3）计算。

当采用有胸墙的大孔口泄流时，按下式计算

式中：A为孔口面积；μ为孔口流量系数，当H₀/D=2.0～2.4时，μ=0.74～0.82；D为孔口高度；H₀为作用水头，自由出流时H为库水位与孔口中心高程之差，在淹没出流时H为上下游水位差；v₀为行近流速。

（3）溢流孔口布置。溢流孔的划分应与坝段宽度（横缝间距）相适应，一般单孔宽b加闸墩厚d即为一个坝段。工程上常有两种布置方式，一种是横缝设于闸墩中间，如图4-27（a）所示，各坝段若产生不均匀沉陷可不影响闸门启闭，工作比较可靠，但闸墩厚度较大，溢流前缘总宽增加；另一种是横缝布置在闸孔中间，如图4-27（b）所示，闸墩受力条件较好，可以做得较薄，溢流前缘总宽减小。但当相邻坝段发生不均匀沉降时，闸孔的变形影响闸门的启闭，适用于基岩较坚硬完整的情况。

2.溢流坝的实用剖面

溢流坝基本剖面的确定原则与非溢流坝完全相同。为满足泄水的要求，其实用剖面是将坝体下游斜面修改成溢流面。溢流面形状应具有较大的流量系数，泄流顺畅，坝面不发生空蚀。对重要工程一般在初拟形状和尺寸之后，用水工模型试验加以验证和修改。

（1）溢流面曲线。溢流坝面由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成，如图4-28所示。

顶部曲线段（溢流堰）的形状对泄流能力和流态有很大的影响。根据在设计水头下堰面是否允许出现真空（负压），分为真空实用堰和非真空实用堰两种类型。虽然真空实用堰流量系数较大，但出现负压容易引起坝体振动和堰面空蚀，因此应用不多。对于坝顶溢流式孔口，工程中常采用的非真空实用堰为克-奥曲线和幂曲线（WES曲线）两种。用前者给出的曲线坐标所确定的剖面较宽厚，常超过稳定和强度的要求，且施工放样不方便，国内目前已较少采用。后者是由美国陆军工程师兵团水道实验站提供的，故称WES曲线。它具有流量系数较大，剖面较小和便于施工放样的优点，目前国内外广泛采用。如图3-1所示的溢流面幂曲线方程以通式表示，WES剖面曲线方程参数见表3-1。

图4-27 溢流孔布置方式示意图

1—溢流孔；2—闸门；3—闸墩；4—横缝

图4-28 溢流坝面

1—顶部曲线段；2—直线段；3—反弧段；4—基本剖面；5—溢流水舌

图4-29 有胸墙大孔口堰面曲线

设有胸墙的溢流面曲线如图4-29所示，可按孔口射流曲线设计：

式中：H_d为定型设计水头，一般取孔口中心至校核洪水位水头的75%～95%；φ为孔口收缩断面上的流速系数，一般φ=0.95～0.96。

曲线坐标x、y的原点取在堰最高点，其上游可用单圆、复式圆或椭圆曲线与胸墙底缘综合考虑拟定。当堰顶水头H与孔口高度D的比值在1.2～1.5范围时，堰面曲线应通过试验确定。

上述两种堰面曲线都是根据定型设计水头确定的，当宣泄校核洪水时，堰面出现的负压值应不超过3～6m水柱。

下部反弧段的作用是使经过溢流坝面下泄的高速水流平顺地与下游消能设施相衔接，要求沿程压力分布均匀，不产生负压和不致引起有害的脉动。通常采用圆弧曲线，反弧半径R=（6～10）h，h为校核洪水位闸门全开时反弧处的水深。反弧处流速越大，要求的转弯半径也越大，流速小于16m/s时，取式中的下限，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。底流消能和挑流消能见第三章。

中间直线段与顶部曲线段和下部反弧段相切，其坡度由重力坝基本剖面决定。

（2）溢流坝剖面布置。溢流坝实用剖面是将溢流面曲线与坝体基本剖面拟合修改而成。［图4-30（a）］是直接以基本三角形上、下游坡与溢流面曲线相切而成的实用剖面；当地基较差，孔口较大，基本三角形剖面在堰顶以上部分去掉较多，稳定不够时，可考虑将基本剖面下游坡略为放缓［图4-30（b）］，或将三角形顶点略为抬高，保持原有坡度［图4-30（c）］；当按水力条件拟定的溢流坝剖面超出三角形基本剖面时，为节省工程量并满足泄水条件，可考虑下游溢流面与基本三角形下游坡一致，而将上游面顶部做成悬臂状［图4-30（d）］；对于有挑流鼻坎的溢流坝，当鼻坎超出基本剖面且L/h>0.5时，应验算A-A截面［图4-30（e）］的应力，如应力较大，可在坝体与鼻坎之间用缝分开，我国石泉溢流重力坝就采用这种结构型式。

图4-30 溢流坝实用剖面示意图

（3）溢流坝的结构布置。大中型工程的溢流坝，为了满足运用要求，在溢流坝顶常设有闸门、闸墩、启闭机、工作桥等结构和设备。在溢流段与非溢流段的联接处还设有边墩、导墙等。有闸门的溢流坝顶布置形式如图4-31所示。

1）闸门布置。闸门有工作闸门和检修闸门。工作闸门常用平面门和弧形门，一般布置在溢流堰顶点，以减小闸门的高度。闸门顶应高出水库正常挡水位。弧形闸门的支承铰应高于溢流水面，以防漂浮物堵塞。检修闸门位于工作闸门之前，全部溢流孔通常只备有1～2个检修闸门，供检修工作闸门时交替使用，常用平面门或叠梁门。检修闸门与工作闸门之间应留有1～3m的净距，以便于检修。若库水位每年有较长连续时间在溢流坝顶以下，也可以不设检修闸门。

2）闸墩。闸墩的作用是将溢流前缘分隔为若干孔口，并支承闸门、启闭机和桥梁等传来的荷载。闸墩的平面形状应尽量减小孔口水流的侧收缩，使水流平顺地通过闸孔。闸墩的头部常采用半圆形、椭圆形或流线形；墩尾形状一般逐渐收缩成流线形，以利水流在坝面上的扩散，如图4-31所示。近年来我国也采用一种宽尾墩的形式，即将闸墩下游部位的宽度逐渐加宽，束窄过流宽度，促使水流向立面上扩散，增强了消能的作用。

图4-31 溢流坝顶布置示意图

1—公路桥；2—移动式启门机；3—固定式启门机；4—工作桥；5—便桥；6—工作门槽；7—检修门槽；8—弧门

闸墩的长度应满足工作桥、交通桥及启闭机等布置的要求。闸墩的高度取决于闸门和启闭机形式，应保证开启后闸门的底缘高出水库最高洪水位，并留有一定安全超高。闸墩的厚度应满足强度和布置门槽的要求。大型平面工作闸门的门槽深一般为0.5～2.0m，在门槽处闸墩缩窄后的厚度不小于l～1.5m，因此平面闸门的闸墩厚为2.5～4.0m，最大可达4.5～5.0m。弧形闸门的闸墩厚一般为1.5～2.0m，当闸门尺寸较大时，可增加到3～3.5m。闸墩受水压荷载较大，常需配置受力钢筋及构造钢筋，并将拉力钢筋伸入坝体受压区。

3）边墩、导水墙。边墩是溢流坝与相邻非溢流坝段或其他水工建筑物的连接结构，也是溢流坝两端闸墩，用以支承边跨坝顶桥梁和闸门。边墩向下游延伸成为导水墙（图4-32），以防溢流坝面上的水流向两侧非溢流坝漫溢。导墙长度应根据下游水面衔接和消能方式而定，当采用底流消能时，导水墙长度一般延伸至消力池末端；采用挑流消能时，导墙至少延伸到挑坎末端；如有坝后式电站，导墙可考虑延伸到厂房范围以外一定距离，以减小泄水时下游水面波动对电站运行的影响。导墙顶应高出泄水时掺气水面以上1～1.5m，导墙的厚度应根据结构计算确定，墙顶厚一般为0.5～2.0m。

3.溢流坝下游消能措施

经由溢流坝下泄的水流具有很大的动能，例如下泄流量Q=1000m³/s，落差H=50m，其能量约达50万kW，Q、H越大，能量也越大。水流挟带这么大的能量，如果放任自流，必将冲刷河床，破坏坝趾下游地基，甚至危及坝体安全。国内外坝工实践中，由于坝下消能设施不善而遭受严重冲刷的例子屡见不鲜，如美国怀尔桑溢流坝，坝高只有20m，因消能措施不当，泄洪时将坝趾下游的坚硬石灰岩冲深4m，冲走的岩块有的重达200t，造成严重事故。所以溢流重力坝必须采取妥善的消能防冲措施，以确保大坝运行安全。

图4-32 溢流坝的边墩和导水墙布置示意图

1—边墩；2—导水墙；3—水电站厂房；4—非溢流坝；5—溢流坝

消能设计的原则是：尽量使下泄水流的动能消耗于水流内部的紊动中，以及与空气的摩擦上，使下泄水流对河床的冲刷不致危及坝体安全。消能设计包括了两方面的内容：一是建立某种边界条件，对水流起消散、反击和导流作用，促成符合上述要求的理想水流状态，这就是消能的水力学问题；二是要分析研究这种水流状态对固体边界的反作用，妥善地设计消能建筑物和防冲措施，这就是消能的结构问题。岩基上溢流重力坝常用的消能方式有挑流式、底流式、面流式和戽流式等四种。设计时应根据水流条件和河床地质情况进行技术经济比较而选定。详见第三章第二节中的泄水建筑物下游消能防冲设计。

（二）坝身泄水孔的布置

1.泄水孔的用途和类型

在水利枢纽中，为配合溢流坝泄洪或放空水库、排泄泥沙、施工导流，以及向下游放水供发电、航运、灌溉、城市给水等用途，常在非溢流坝或溢流坝的坝体内设置各种泄水孔。一般都布置在设计水位以下较深的部位，故又称深式泄水孔。为了简化结构布置，方便施工，节省工程量，在互不影响正常运用条件下，可尽量考虑一孔多用，如放空水库与排沙相结合，或放空与导流相结合等。

图4-33 有压泄水孔示意图（单位：m）

1—喇叭口；2—检修闸门；3—进口渐变段；4—管身段；5—出口渐变段；6—弧形工作闸门；7—通气孔；8—排水管

泄水孔分类，按孔内水流状态分为有压泄水孔和无压泄水孔两种类型。前者指高水位闸门全开泄水时整个管道都处于满流承压状态（图4-33），后者系指泄水时除进口附近一段为有压外，其余部分都处于明流无压状态（图4-34）。设计时应避免在同一段泄水孔中出现有压流和无压流交替流态。因为明满流交替容易引起振动和空蚀，且对泄流能力也有不利的影响。

图4-34 无压泄水孔示意图（单位：m）

1—弧形闸门启闭机廊道；2—通气孔

2.泄水孔的结构布置

泄水孔道一般由进口段、闸门控制系统、孔身段和出口消能段所组成。

泄水孔的进口高程一般应在水库最低工作水位以下，根据泄水孔的用途和水库的运用条件而定，在满足运用要求的前提下宜定得高一些，以减小作用在闸门上的水压力。不论是有压泄水孔还是无压泄水孔，其进口段都是有压段，为使水流平顺，减小水头损失，避免孔壁空蚀破坏，进口形状应尽可能符合水流的流动轨迹。工程中常采用椭圆曲线或圆弧曲线的三面收缩矩形进水口。

进口过水断面由大逐渐变小，其始末两断面积之比常在1.7～2.0，两断面之间的距离约为0.8～1.0的末端孔高。由于进口段为有压段，因此应进行水头压力坡线的计算，不得出现负压。进水口的体形布置详见第三章的深式泄水孔水力设计。有压泄水孔的工作闸门常设在下游出口处，可避免闸门局部开启时振动，便于操作和检修（图4-33）。但闸门关闭时，孔道内承受较大的内水压力，对坝体应力和防渗都有不利的影响，常需用钢板衬砌。为克服这一缺点，常在进口设置事故检修闸门，平时兼作挡水之用。当有压泄水孔设在溢流坝段，则因下游为溢流坝面，常需把工作闸门（阀门）布置在靠上游的坝内，将坝内一段廊道扩大成为闸门的操作室，高坝中的小断面泄水孔常采用这种布置方式，如图4-35所示。

无压泄水孔的工作闸门和检修闸门一般都设在进口段，见图4-34，闸门后孔洞突然扩大，以保证门后为无压明流状态。无压孔中的明流段，对坝体渗透压力的影响不大，不需要钢板衬砌，故施工简便，如丹江口、三门峡、龚咀、安康等重力坝的泄水孔都采用这种布置形式。

深式泄水孔最常用的门型为平面闸门和弧形闸门。前者构造简单，布置紧凑，启闭设备可布置在坝顶，坝内开孔较小，但启门力较大，闸门不能局部开启，门槽水流不平顺，易产生空蚀和振动。后者不需要设置门槽，水流条件较好，可以局部开启，且启门力较小，但结构较复杂，闸门操作室所占空间较大，对坝体结构削弱较多。对于断面较小的泄水孔，也可采用平面滑动阀门。有压泄水孔的孔身断面一般为圆形，因为圆形断面过水能力较大，受力条件较好。无压泄水孔的断面通常采用矩形或城门洞形，为保证形成稳定的无压明流，洞顶在水面以上应有一定的余幅，以满足掺气和通气的要求。矩形孔身的顶板距水面高度可取为最大流量时不掺气水深的30%～50%；孔顶为圆形时，拱脚距水面的高度可取不掺气水深的20%～30%。

有压泄水孔临近出口断面时，水流从有压突然转为无压，造成出口附近孔身压力突然降低，甚至在断面顶部产生负压，所以常将出口段顶部适当下压，形成压坡段，以增加孔内压力。孔顶压坡比采用1∶5～1∶10，使出口断面积与孔身断面积之比为1∶1.2～1∶1.5，两断面之间用渐变段过渡，渐变段的长度一般取为孔身直径的1.5～2.0倍，如图4-36（b）所示。无压孔明流段的末端，有采用扩散段（图4-34）以减小出口单宽流量，减轻对下游的冲刷，但扩散角不宜过大，以防高速水流脱离边壁发生空蚀。有压泄水孔的进水口段由于布置闸门的需要，一般采用矩形断面，而洞身段通常采用圆形。为使水流平顺过渡，中间应采用渐变段。

图4-35 溢流坝内的有压泄水孔示意图（单位：m）

由进口矩形断面向圆形断面过渡时可采用在矩形四角加圆弧的形式［图4-36（a）］。

泄水孔的出口段还要与所选用的消能形式结合起来考虑，常根据其具体条件采用挑流消能或底流消能。

在高速水流的条件下，应防止深孔产生负压与空蚀，工作闸门后都要设置通气孔，平面闸门的门槽应尽量减少棱角，弯曲段、渐变段以及水流边界突变处等部位的体形、尺寸，从设计到施工都应严格要求。坝内泄水孔削弱了坝体结构，孔边也容易产生应力集中，设计时除在孔道周边布置钢筋加强外，还要根据受力条件、流速及泥沙等情况综合考虑是否需要衬砌。无论是否衬砌，孔壁混凝土除满足强度要求外，还应有抗冲耐磨的性能，尽可能采用等级较高的混凝土。当采用钢板或其他材料衬护时，应与混凝土锚接牢固。

3.泄水孔的应力分析

泄水孔在一定程度上削弱了坝体断面，会引起应力集中，可能在其周围产生局部拉应力，设计时必须计算孔边附近的应力，以作为配置钢筋的依据。泄水孔周边附近的应力状态比较复杂，属于三维的应力状态，可采用三维有限单元法按整体结构进行计算。如果孔口尺寸远小于坝体尺寸，且孔口形心至坝体边界的距离大于三倍孔口尺寸，可近似按弹性力学无限域中的小孔口计算。通常先不考虑孔口的存在，计算坝体在孔口形心处的应力状态，作为小孔口计算的荷载。然后垂直于泄水孔轴线切取计算截面，如图4-37所示。若泄水孔轴线为水平或接近于水平［图4-37（a）］，则以孔口形心处的垂直正应力σ_y作为垂直向荷载，即图中σ=σ_y；如果孔口轴线是倾斜的，且平行或接近于第一主应力的方向［图4-37（b）］，则以第二主应力作为垂直荷载，即图中σ=σ₂；若为其他情况，则以第一主应力和第二主应力在垂直于泄水孔轴线方向的分力代数和作为计算荷载。在荷载确定之后，就可应用弹性力学的公式计算泄水孔由于坝体荷载和内水压力引起的应力。对于距离边界较近的矩形或其他形状的孔口，则主要依靠结构模型试验或有限单元法求解。

图4-36 深式泄水孔渐变段

（a）进口渐变段；（b）出口渐变段

图4-37 泄水孔的应力计算