第四节 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（见本书第一章中的水工建筑物优化设计）。工程中，常将问题作些简化，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、非溢流坝重力坝基本剖面

       重力坝的基本剖面，一般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4-19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αH，下游端为零，值视防渗排水条件确定)。在此情况下，用材料学法计算坝体应力，一般取水平般截面上游边缘的正应力为零（即不出现拉应力），作为剖面设计的应力控制条件；用抗剪断强度公式分析抗滑稳定，使坝体沿坝基面的抗滑稳定满足规范要求，作为剖面设计的稳定控制条件。根据分析计算，对于较完整坚硬的岩基，ƒ′、c′值较大，坝底宽度主要由应力条件控制；对于完整性较差，较软弱的岩基， ƒ′、c′较小，则坝底宽度主要由稳定条件控制。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倍。

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对基本剖面进行修改，使其成为符合实际需要的实用剖面。

(一)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。

(二)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Δh由下式计算： Δh=2h1%+hz+hc    (4-60)

       式中2h1%为累积频率为1%的波浪高度(m)，按式(2-27)计算；hz为波浪中心线高出静水位的高度(m)，按式(2-29)计算；hc为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。

      坝顶高程=设计洪水位+Δh设

      坝顶高程=校核洪水位+Δh校                   (4-61)

      式中，Δh设和Δh校分别按式（4-60）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。

(三)剖面形态    

      图4-20为三种常用的实体重力坝剖面形态。图中(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(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。   

三、溢流重力坝设计

    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。所以溢流坝剖面设计就要涉及到孔口尺寸、溢流堰形态以及消能方式等的合理选定。

(一)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4-21所示。坝顶溢流式当闸门全开时，其泄流能力与水头H1.5成正比，随着水库水位的升高，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H0.5成正比，超泄能力不如坝顶溢流式大，也不利于排泄漂浮物。

    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：L=Q/q       (4-62)

    式中：Q和q分别为通过溢流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QS。如有泄水孔或其他建筑物分担一部分泄洪任务，则通过溢流孔的Q为：  Q=QS－ΑQ0            (4-63)

     式中：QS为通过枢纽下泄流量；Q0为通过泄水孔、水电站及其他建筑物的下泄流量；α为系数，正常运用时取O.75～O.9，校核情况取为1.O。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，以减小溢流前缘韵宽度，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300 m3／(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： L0=L+(n-1)d=nb+(n-1)d       (4-64)

     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左右，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头H0可利用公式(3-3)计算。

   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，一般单孔宽加闸墩厚即为一个坝段。工程上常有两种布置方式，一种是横缝设于闸墩中间，如图4-22(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4-22(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。

(二)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4-23所示。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。

     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一奥曲线和幂曲线(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。WES曲线方程参数见表3-1。

     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。

      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。

(三)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5×105kW,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。

     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。详见第三章中的泄水建筑物下游消能防冲设计。

     1、消力戽消能

     消力戽按其结构可分连续式（实体式）和差动式（齿槽式）两种类型。前者结构简单，应用较广，但存在着水面波动剧烈和戽面易被砂石磨损的缺点；后者有利于改善消力戽的流态，提高消能效果，减小下游水面波动，但施工复杂，且易空蚀，采用时应慎重研究，目前国外仅有尼日利亚的卡因齐坝和美国的安哥斯杜拉坝采用差动式消力戽。当下泄单宽流量过大时，为增大戽内旋滚水体，提高消能效果，可在戽底插入一段水平池底，称为戽式消力池，我国红水河岩滩溢流坝就采用这种消能型式。

     2、宽尾墩收缩式消能

     宽尾墩收缩式消能工，即利用闸墩尾部加宽来缩窄过流宽度，急流受到收缩的墩壁作用，产生冲击波，使出口处水深急剧增加，形成窄而高的一道水体，墩的正背面则为无水区，同时，水流产生扰动并大量掺气。其结果是，射出的水舌在纵向充分扩散，越接近表面，流线的仰角也愈大，射流上下缘间的距离显著增加，水流在平面上也向两侧扩散，增加了入水处的面积，水流剧烈扰动和充分掺气加强了消能作用。收缩后的射流到达反弧段的流态与下游消能建筑物型式有关。当宽尾墩与挑流鼻坎联合使用时，掺气水流到达反弧段后，将向两侧迅速扩散，相邻两孔间的横向扩散水流互相碰撞。激起很高的水冠，在坎末形成高低相间的水股射出，降低了射流入水处的单位面积能量和对河床的冲刷力。当宽尾墩与消力戽联合使用时，收缩射流落入戽内，加速了表面旋滚的掺混作用，两侧还产生纵轴旋涡或涡流，大大地增加了消能作用。

     3、对冲消能

     宽对于拱坝，由于拱坝在平面上呈弧形，特别是泄流过坝后向心集中，当使用滑雪道、挑流鼻坎和中孔泄流等方式时，可采用对称布置，使两侧挑射水流在空中对撞，并沿河槽纵向扩散，以消耗大量能量，减轻对下游河床的冲刷。我国广东泉水双曲拱坝、莫桑比克的卡博拉巴萨拱坝等都采用这种消能布置方式，消能效果良好。但对水流所造成的“雾化”问题应予足够重视。