CN107386220B - 缺口分流式二道坝结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缺口分流式二道坝结构，涉及水工建筑物设计技术领域，解决现有二道坝的过坝水流易形成折冲水流，对近坝下游库岸造成淘刷；以及过坝水流对下游护坦及河床持续冲刷，下游库岸支护的成本显著增加的问题，采用的技术方案是：缺口分流式二道坝结构，为重力坝，坝顶面中部设置缺口，减小下泄水流在二道坝处的跌落，削弱对河床底板及库岸的冲刷；坝顶面的缺口靠近下游坝面处，或者下游坝面顶部的缺口处间隔布置分流墩，使过坝水流分流以近似均匀分布方式集中下泄，减少发生回流、折冲水流的可能性，使坝后水流平顺稳定地归槽，降低对库岸的冲刷。上游坝面顶部设置连续的压坡体，限制水垫塘内的水流翻过坝顶面，使水流充分消能。

Description

缺口分流式二道坝结构

技术领域

本发明涉及水工建筑物设计技术领域，具体是一种水工消能建筑物缺口分流式二道坝结构。

背景技术

近年来，随着国家对绿色清洁能源及工程建设环保要求的提高，水利水电工程建设逐步从技术资金制约型转为环境制约型。如何在工程建设期最大程度的减小对生态环境的影响，已成为项目建设单位及相关流域机构特别关注的问题。而在水利水电工程中库区下泄水流对河床及库岸的影响是水电工程中普遍存在的环境问题。

现有技术条件下，为适应高山峡谷地区大流量下泄消能及下游防护要求，高混凝土拱坝通常采用“坝身泄洪或与泄洪洞结合+水垫塘二道坝消能”的结构形式进行泄洪消能，主要消能原理是在水垫塘下游末端修建二道坝雍高水位、形成水垫、稳定水跃，使坝身孔口下泄水流的能量在水垫塘内尽可能减小，达到消能目的，亦可降低二道坝后下泄水流对河床底部及两岸的冲刷。同时，为提高坝后两岸和河床的抗冲能力，在坝后较短范围内被动布置护坦及相关支护措施。具体如图1所示，二道坝1为双面挡水的重力坝，二道坝1上游侧为水垫塘3，二道坝1的两岸及下游侧分别为护坦4，水垫塘3的上游侧为拱坝坝体5。二道坝1基本体型采用重力坝的基本断面进行布置：上游坝面11倾斜、坝顶面12水平、下游坝面13倾斜。图1中的箭头为水流流向。

对于如图1所示的现有二道坝，存在以下两方面不足。一方面，二道坝及水垫塘的组合消能结构设计虽对坝前下泄水流消能具有一定效果，但对于过坝水流的流态改进并无较大作用，易受下游河床及地形的影响，在库岸两边易形成回流，导致折冲水流产生，对近坝下游库岸造成淘刷，影响二道坝的正常运行与坝后水流顺利归槽。

另一方面，现有二道坝结构设计，在纵坡比降较大的坝区河道上，枢纽正常运行后坝后易形成一定范围的减水河段，尤其厂房机组尾水出口位于坝后较远处更易出现减水河段，甚至脱水河段。此时经枢纽下泄水流在二道坝处会存在不同程度的跌落，导致过坝水流流态进一步恶化，同时水流动能得到增加，加剧对下游护坦及河床的冲刷，影响库岸生态，在工程上导致对下游库岸支护的成本大大增加，不利于工程投资的控制。

发明内容

本发明提供一种缺口分流式二道坝结构，解决现有二道坝结构对过坝水流的流态改进并无较大作用，易形成折冲水流，对近坝下游库岸造成淘刷；以及过坝水流对下游护坦及河床持续冲刷，导致对下游库岸支护的成本显著增加的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：缺口分流式二道坝结构，二道坝为重力坝，包括上游坝面、坝顶面和下游坝面，坝顶面中部设置缺口，缺口的两侧分别为边坝段，缺口的宽度不超过河床的宽度；坝顶面的缺口靠近下游坝面处，或者下游坝面顶部的缺口处间隔布置分流墩。

进一步的是：所述缺口两端分别通过斜面与边坝段相连接。

更进一步的是：所述缺口两端与边坝段相连接的斜面的坡角不超过15°，缺口底部的高程与边坝段顶部的高程差为h2＝2～4m。

进一步的是：所述上游坝面顶部设置连续的压坡体，压坡体朝向上游的侧面呈铅直状，或者压坡体朝向上游的侧面呈倾斜状，且倾斜方向与上游坝面的倾斜方向相反；压坡体顶面的高程不超过坝顶面的高程。

更进一步的是：所述压坡体布置于整个上游坝面的顶部，压坡体顶面的高程与缺口、边坝段，以及缺口和边坝段之间的斜面的顶面高程一致。

进一步的是：所述分流墩等间距均匀布置，相邻两个分流墩间隔15～20m布置，分流墩顶面高程至少高于过坝水流水位0.5m，即h1≥0.5m。

进一步的是：所述分流墩呈轴对称状，对称轴与上游下游方向一致；各个分流墩在平面上呈扩散型布置，分流墩的墩前宽度b1小于墩尾宽度b2，其中墩前位于上游方向，墩尾位于下游方向。

更进一步的是：所述分流墩的收缩比b1/b2＝0.4～0.7，分流墩的墩尾宽度b2＝3～4m；分流墩的墩前侧面和分流墩的对称轴的夹角为墩前扩散角θ，墩前扩散角θ＝10°～25°；分流墩墩尾的下游斜坡坡度i＝1∶0.1～1∶0.3。

本发明的有益效果是：二道坝的坝顶面中部设置缺口，减小了纵坡比降大的河道下泄水流在二道坝处的跌落，即减小了下泄水流的动能，削弱了下泄水流对河床底板及库岸的冲刷；缺口的宽度不超过河床的宽度，避免主下泄水流对下游护坦及两岸持续冲刷。分流墩使过坝水流分流，以近似均匀分布方式集中下泄，减少因两岸库岸影响发生回流、折冲水流的可能性，同时减小水流能量，使坝后水流平顺稳定地归槽，达到降低对库岸的冲刷的目的。压坡体朝向上游的侧面呈铅直或倾斜状，可限制二道坝上游坝面坝顶以下水垫塘内的水流翻过坝顶面，使水垫塘内水流充分消能。

缺口分流式二道坝结构可有效改善过坝水流的流态，减小对下游河床及库岸的冲刷，节约下游河床及库岸的支护量，降低工程成本，增加水利水电工程效益。

附图说明

图1是现有的拱坝泄洪消能及下游防护布置图。

图2是本发明缺口分流式二道坝结构平面布置图。

图3是图2中A-A方向的剖面图。

图4是图2中B-B方向的断面图。

图5是本发明的分流墩平面图。

图中零部件、部位及编号：二道坝1、上游坝面11、压坡体111、坝顶面12、缺口121、边坝段122、下游坝面13、分流墩2、墩前21、墩尾22；水垫塘3、护坦4、拱坝坝体5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图2～5所示，本发明缺口分流式二道坝结构，二道坝1为重力坝，二道坝1包括上游坝面11、坝顶面12和下游坝面13，上游坝面11朝向垫塘水3。坝顶面12中部设置缺口121，缺口121的两侧分别为边坝段122；坝顶面12的缺口121靠近下游坝面13处，或者下游坝面13顶部的缺口121处间隔布置分流墩2。

如图2～3所示，缺口121的宽度b不超过河床的宽度，缺口121两端分别通过斜面与边坝段122相连接。缺口121将坝顶面12的高程降低，减小纵坡比降大的河道下泄水流在二道坝1处的跌落、同时减小下泄水流动能，进而削弱下泄水流对河床底板及库岸的冲刷。与边坡坝段相比，河床坝段坝体高度较大，下泄水流能力亦大，缺口121应集中布置在河床部位，即缺口121的宽度b不超过天然河床的宽度，工程中建议缺口121的宽度b取值与河床宽度一致或相当。同时，考虑到检修期二道坝1坝顶面12的交通需要，缺口121两端与边坝段122相接的斜面的坡度不宜过陡，坡角α以不超过15°为宜。另外，缺口121的高程将直接影响下泄水流的能量，其选取应结合下游减水河段水位及衔街条件来确定，建议缺口121底部的高程与边坝段122的顶部高程差为h2＝2～4m。若下游减水河段水位较低，考虑与下游水位衔接后缺口高程超出这一范围，应通过水力学模型试验来复核。

坝顶面12的缺口121靠近下游坝面13处间隔布置分流墩2，或者下游坝面13顶部的缺口121处间隔布置分流墩2，分流墩2等间距均匀布置。分流墩2使过坝水流分流，以近似均匀分布方式集中下泄，减少因两岸库岸影响发生回流、折冲水流的可能性，降低对库岸的冲刷，达到二道坝1坝后水流归槽平顺稳定的目的。同时，可使水股充分扩散、充分掺气，使流入下游河床单位面积上的水流能量尽可能地减小。为对过坝水流起到分流作用，分流墩2顶面高程至少高于过坝水流水位0.5m，即图4中h1≥0.5m。

分流墩2的数量不应布置过多，不能以加大墩内水流流速为代价过分追求流态的平顺。分流墩2的布置数量和间距可结合水力学模型试验及枢纽泄流量计算综合选定，根据经验建议分流墩2数量按间隔15m～20m进行布置，且在平面上呈扩散型布置。分流墩2呈轴对称状，对称轴与上游下游方向一致，如图5所示。分流墩2的墩前21宽度b1小于墩尾22宽度b2，其中墩前21位于上游方向，墩尾22位于下游方向。为使过坝水流在铅直面扩散充分，加大消能率、横向收缩不致碰撞影响流态，结合水力学模型试验，建议各个分流墩2在平面上呈扩散型布置，分流墩2的收缩比b1/b2＝0.4～0.7，分流墩2的墩尾22宽度b2＝3～4m；分流墩2的墩前21侧面和分流墩2的对称轴的夹角为墩前21扩散角θ，墩前21扩散角θ＝10°～25°；分流墩2墩尾22的下游斜坡坡度i＝1∶0.1～1∶0.3。

上游坝面11顶部设置连续的压坡体111，压坡体111朝向上游水垫塘3的侧面呈铅直状，或者压坡体111朝向上游水垫塘3的侧面呈倾斜状，且倾斜方向与上游坝面11的倾斜方向相反。压坡体111朝向上游水垫塘3的侧面用于限制二道坝1上游侧坝顶面12以下水流顺上游坝面11翻过坝顶面12，使水垫塘3塘内水流消能充分，所以压坡体111顶面的高程不超过坝顶面12的高程，且布置于整个上游坝面11的顶部。例如图4所示，压坡体111朝向上游水垫塘3的侧面呈铅直状，压坡体111的铅直高度和顶面宽度可通过二道坝1稳定应力计算成果，并结合投资造价来综合选定。

下面结合工程案例对本发明作进一步说明。

某水电站工程为一等工程，工程规模为大1型，挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，最大坝高217m。枢纽泄洪消能建筑物布置型式为“全坝身泄洪、表深孔水舌空中无碰撞、坝后设水垫塘及二道坝消能”，枢纽校核洪峰流量为10100m³/s，水垫塘二道坝的设计洪峰流量为7040m³/s。坝区河谷狭窄，谷坡陡峻，为基本对称的深切V形峡谷；坝区河道顺直，河道纵坡降较大，多处跌水险滩，水流湍急，枯水期江面宽30～70m，水深5～10m。坝后至电站尾水出口之间存在4km的减水河段，天然水深难以满足泄洪消能的布置要求。

为确保泄洪消能安全性，按常规方法设置二道坝1来抬高水位，在水垫塘3内形成足够深的水垫来消能防冲。由于坝后一定范围为减水河段，下游水深较浅，电站正常运行后过坝水流在二道坝1附近会产生一定程度跌落、旋滚、紊动，坝后水流流态较差，对下游护坦4及河床会产生一定冲刷。采用上述本发明的缺口分流式二道坝结构，具体情况如下：

第一、在河床部位的二道坝的坝顶面设置缺口，缺口底部的高程与边坝段的高程差为h2＝2.00m，即坝顶面的缺口处高程由2730.00m降低至2728.00m，减小过坝水流的跌落高度，从而减小下泄水流动能。为避免过坝下泄水流对岸坡的冲刷，缺口布置于主河床处，缺口宽度b取天然河床宽度65.00m。考虑到水垫塘检修时交通需要，缺口两端与边坝段相接的斜面的坡度为1：6，即坡角约9.5°。

第二、根据二道坝的稳定应力计算成果，并结合工程投资，压坡体朝向上游水垫塘的侧面呈铅直状，高度为10.00m，压坡体顶面宽度为2.50m。

第三、下游坝面顶部的缺口处间隔布置分流墩，分流墩的墩前宽度b1＝2.00m，墩尾宽度b2＝4.00m，墩前扩散角θ＝15°，分流墩可使过坝水流在铅直向充分拉开、扩散充分、增加消能效果，同时横向收缩避免水流间碰撞、影响流态。分流墩按间隔20m来布置，在缺口部位共布置3个分流墩，分流墩下游坡比采用i＝1∶0.3，墩顶高程按高于过坝水流水位h1＝0.5m控制。

该水电站工程通过采用上述缺口分流式二道坝结构，有效地改善了过坝水流的流态，减小了对下游河床及库岸的冲刷，节约了下游河床及库岸的支护量，降低了工程成本，增加了水利水电工程效益。

Claims (6)

1.缺口分流式二道坝结构，包括上游坝面(11)、坝顶面(12)和下游坝面(13)，坝顶面(12)中部设置缺口(121)，缺口(121)的两侧分别为边坝段(122)，缺口(121)的宽度不超过河床的宽度，其特征在于：二道坝(1)为重力坝，坝顶面(12)的缺口(121)靠近下游坝面(13)处，或者下游坝面(13)顶部的缺口(121)处间隔布置分流墩(2)；上游坝面(11)顶部设置连续的压坡体(111)，压坡体(111)朝向上游的侧面呈铅直状，或者压坡体(111)朝向上游的侧面呈倾斜状，且倾斜方向与上游坝面(11)的倾斜方向相反，压坡体(111)布置于整个上游坝面(11)的顶部，压坡体(111)顶面的高程与缺口(121)、边坝段(122)，以及缺口(121)和边坝段(122)之间的斜面的顶面高程一致。

2.如权利要求1所述的缺口分流式二道坝结构，其特征在于：所述缺口(121)两端分别通过斜面与边坝段(122)相连接。

3.如权利要求2所述的缺口分流式二道坝结构，其特征在于：所述缺口(121)两端与边坝段(122)相连接的斜面的坡角不超过15°，缺口(121)底部的高程与边坝段(122)顶部的高程差为h2＝2～4m。

4.如权利要求1所述的缺口分流式二道坝结构，其特征在于：所述分流墩(2)等间距均匀布置，相邻两个分流墩(2)间隔15～20m布置，分流墩(2)顶面高程至少高于过坝水流水位0.5m。

5.如权利要求1或4所述的缺口分流式二道坝结构，其特征在于：所述分流墩(2)呈轴对称状，对称轴与上游下游方向一致；各个分流墩(2)在平面上呈扩散型布置，分流墩(2)的墩前(21)宽度b1小于墩尾(22)宽度b2，其中墩前(21)位于上游方向，墩尾(22)位于下游方向。

6.如权利要求5所述的缺口分流式二道坝结构，其特征在于：所述分流墩(2)的收缩比b1/b2＝0.4～0.7，分流墩(2)的墩尾(22)宽度b2＝3～4m；分流墩(2)的墩前(21)侧面和分流墩(2)的对称轴的夹角为墩前扩散角θ，墩前扩散角θ＝10°～25°；分流墩(2)墩尾(22)的下游斜坡坡度i＝1∶0.1～1∶0.3。