CN111321711A - 一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置方法和结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置方法和结构，使泄洪中心线与下游河道的中心线重合或平行，并与拱坝中心线呈一定夹角，所述泄洪孔口被布置为多层孔口，各层孔口平面上采用与拱坝轴线呈一定夹角的不对称圆弧布置，通过圆弧曲率半径、泄洪孔分组、孔口出流在垂直方向上的角度，控制泄洪水舌运动轨迹，使水舌分层错落进入水垫塘中央。本发明通过采用分层不对称的泄洪孔口布置，控制水舌运动轨迹，使水舌顺应下游河道，解决了不对称的拱坝结构和不对称的地形条件对泄洪安全和岸坡冲刷的不利影响，满足大坝泄洪消能要求。

Description

一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置方法和结构

技术领域

本发明涉及一种不对称拱坝的泄洪消能布置方法和结构，适用于水利水电工程，尤其适用于窄河谷、大流量，两岸地势差别较大的不对称拱坝的泄洪消能。

背景技术

窄河谷、大泄量的混凝土高拱坝工程，通常利用布置在坝身的多层孔口泄洪，下游水垫塘消能。泄洪水流的巨大能量通过多层水舌空中分散，碰撞(或不碰撞)，最后落入下游水垫塘消能后，平稳进入下游河道。国内大型的混凝土高拱坝工程如二滩水电站、小湾水电站、溪洛渡水电站、拉西瓦水电站、锦屏一级水电站、构皮滩水电站等均采用这种泄洪消能型式。这些工程基本上位于两岸地形较为对称的V型或U型河谷，拱坝结构相对对称，泄洪孔口一般顺应拱坝曲率沿拱坝中心线对称布置，通过不同的挑跌角使泄洪水舌分层进入水垫塘。

然而当遇到较为复杂的建坝条件，如河道两岸地形或地质条件差别较大，导致不对称的拱坝结构，即拱坝左右两岸曲率和中心角相差很大，整个拱坝中心线向一岸偏转，与下游河道呈较大的夹角，若仍按常规的泄洪孔口布置和水垫塘型式，将导致水舌冲击岸坡，水垫塘冲击压力集中，水流归槽不畅，影响拱肩抗力体稳定和大坝泄洪安全。因此对于这种不利的地形条件和拱坝结构，如何通过合理的坝身泄洪消能建筑物布置和水舌轨迹控制技术，最大程度改善不利结构带来的影响，使泄洪水流充分分散，安全入塘，提高大坝和岸坡的泄洪安全度，是高拱坝工程泄洪消能设计中的一项关键技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置方法和结构，以适应不对称地形地质条件和不对称拱坝结构，有效控制泄洪水舌运动轨迹满足泄洪消能要求，提高拱坝泄洪安全度。

根据本发明的第一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置方法，其特征在于使泄洪中心线与下游河道3的中心线重合或平行，并与拱坝中心线呈一定夹角，所述泄洪孔口被布置为多层孔口，各层孔口平面上采用与拱坝轴线呈一定夹角的不对称圆弧布置，通过圆弧曲率半径、泄洪孔分组、孔口出流在垂直方向上的角度，控制泄洪水舌运动轨迹，使水舌分层错落进入水垫塘中央。

其中，表层孔口采用分为若干组的不对称分层大差动出流，避免相邻水舌向心集中叠加，深层孔口采用不同的上挑角度纵向分散水流，与表层孔口水舌形成有效的碰撞消能效果，最大程度降低水垫塘水流冲击压力，使不对称的坝体结构实现对称的消能效果。

对于泄洪孔口在平面上的流道方向，在沿泄洪孔口所在圆弧径向的基础上，如局部的水舌落点搭接，通过单个泄洪孔口流道方向的小角度偏转进行微调。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置结构，它采用以下技术方案：

一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置结构，由拱坝坝身泄洪孔口和坝后水垫塘组成；其特征在于所述泄洪孔口被布置为多层孔口，各层孔口平面上采用与拱坝轴线呈一定夹角的不对称圆弧布置；深层孔口分为若干组，不同组间采用不同的上挑角度，同一组的深层泄洪孔口的上挑角度相同；表层孔口采用间隔2孔为一组的不对称分层大差动出流，同组采用相同俯角和出口体型。

进一步地，所述不对称圆弧是指泄洪孔口前缘控制点轨迹线为两段相切的圆弧组成，其切点和两个圆弧的圆心均位于泄洪中心线上，两侧曲率半径则根据拱坝不对称程度选择，拱坝曲率较缓一侧的半径大于另一侧，其值以泄洪水流最大挑距的1.8～2倍控制。

进一步地，每个泄洪孔口的流道方向基本沿所在圆弧的径向布置。

进一步地，所述泄洪孔口前缘控制点轨迹线与拱坝坝轴线之间的距离随拱坝不对称程度而变化，最大悬挑长度和不对称度限制在拱坝结构应力允许范围内。

进一步地，所述泄洪孔口在拱坝立面上分层布置，每层孔口由多个泄洪孔组成，使泄洪水流立体分层大差动出流。表层孔口分组采用不同俯角使水流进一步纵向分散，同组表层孔口的出口体型和俯角相同，不同组之间俯角相差一定角度，使泄洪水舌轨迹纵向拉开距离。

进一步地，深层孔口由外向内两两对称分组，同组深层孔口沿水流方向上挑角度相同，不同组之间的挑角相差一定角度而将水流进一步分散，表层孔口和深层孔口同时泄洪时，水舌轨迹在空中产生最佳碰撞消能效果。

本发明的有益效果是：通过采用分层不对称的泄洪孔口布置，控制水舌运动轨迹，使水舌顺应下游河道，解决了不对称的拱坝结构和不对称的地形条件对泄洪安全和岸坡冲刷的不利影响，满足大坝泄洪消能要求。

附图说明

图1是本发明的不对称拱坝泄洪消能平面布置示意图。

图2是本发明不对称泄洪孔口控制点轨迹示意图。

图3是本发明不对称分层大差动表层孔口布置图。

图4是本发明泄洪深层孔口布置图。

图5是本发明不对称水垫塘剖面图。

图6-1是本发明表层孔口泄洪水舌落点示意图。

图6-2是本发明深层孔口泄洪水舌落点示意图。

图7是本发明拱坝泄洪孔口立面及水舌轨迹线示意图。

图8-1是1号和4号表孔剖面图。

图8-2是2号和5号表孔剖面图。

图8-3是3号和6号表孔剖面图。

图中标记为：拱坝1，水垫塘2，下游河道3、泄洪孔口4、表层孔口41(自左至右分别用标号411、412、413、414、415、416表示1号至6号表层孔口序号)、深层孔口42(自左至右分别用标号421、422、423、424、425、426、427表示1号至7号深层孔口序号)、泄洪孔口流道方向40，泄洪水舌落点4-3，泄洪水舌运动轨迹线4-4，拱坝中心线5，拱坝坝轴线6，泄洪中心线7，泄洪孔口前缘控制点轨迹线8和圆心401(402)，拱坝中心线与泄洪中心线夹角9。

具体实施方式：

如图所示，本实施例所提供的一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置结构，由拱坝1坝身泄洪孔口4和坝后水垫塘2组成。本实施例的主要特点在于：通过采用与拱坝坝轴线6呈一定夹角的不对称圆弧布置的多层泄洪孔口4，控制泄洪水舌运动轨迹4-4，使水舌落点4-3分层错落进入水垫塘中央。

以某大型不对称拱坝工程为例，说明本实施例的应用：

所述不对称的拱坝结构，是指因河道两岸地势相差较大，拱坝中心线5向地势较缓或地质条件较差的一岸偏转以改善拱推力方向，而与下游河道3呈一定夹角；且拱坝左右两侧拱圈曲率也相差较大。本实施例中，左岸为地势较缓且地质条件较差的一岸，拱坝中心线5向左岸偏转，与下游河道呈较大夹角，不对称拱坝的左、右两侧坝轴线曲率相差1.3倍，左侧曲率大，右侧曲率小。该工程河谷狭窄，泄洪流量巨大，需有效控制泄洪水舌运动轨迹，解决不对称拱坝结构对大坝泄洪的不利影响。

a、拱坝1泄洪孔口4布置，首先应使泄洪中心线7与下游河道3的中心线重合或平行。而与拱坝中心线5呈一定夹角9，控制水流总体走向。

b、泄洪孔口4平面上采用与拱坝轴线6呈一定夹角的不对称圆弧布置，所述不对称圆弧是指泄洪孔口前缘控制点轨迹线8为两段相切的圆弧组成，其切点C和圆心401、402均位于泄洪中心线7上，两侧圆弧曲率半径(附图中分别以Rl、Rr表示)则根据拱坝不对称程度选择，拱坝轴线6曲率较缓一侧的圆弧半径大于另一侧，其值以泄洪水流最大挑距的1.8～2.0倍控制。每个泄洪孔口的流道方向40均沿所在圆弧的径向布置。通过调整曲率半径和孔口流道方向40角度，使下泄水流顺流道方向40分别落入水垫塘2且水舌落点4-3不重叠。局部的水舌落点4-3搭接可通过单个泄洪孔口流道方向40小角度偏转进行微调。

c、泄洪孔口前缘控制点轨迹线8与拱坝坝轴线6之间的距离(定义为悬挑长度)随拱坝不对称程度而变化，一般拱坝轴线曲率较缓一侧小，另一侧逐渐增大。但拱坝轴线曲率较陡一侧最大悬挑长度Sr、拱坝轴线曲率较缓一侧最小悬挑长度Sl和不对称度(Sr/Sl)应限制在拱坝结构应力允许范围内。本实施例中，右侧最大悬挑长度Sr为32m，约为坝顶厚度的2.4倍，左侧最小悬挑长度Sr为16m，不对称程度(Sr/Sl)为2。

d、泄洪孔口4在拱坝1立面上分层布置，每层孔口由多个泄洪孔组成，使泄洪水流立体分层大差动出流。表层孔口41分组采用不同俯角使水流进一步纵向分散，同组表层孔口41出口体型和俯角相同，不同组之间俯角相差15°左右，使泄洪水舌轨迹4-4纵向拉开距离；同组表层孔口41间隔2孔为一组，可避免相邻水舌向心集中叠加而增大对水垫塘的冲击力。深层孔口42由外向内两两对称分组，同组深层孔口42沿水流方向上挑角度相同，不同组之间的挑角相差约7°～15°将水流进一步分散，使水舌落点4-3不重叠。本实施例中，拱坝布置两层泄洪孔口4，表层孔口6个，深层孔口7个，相间布置。6个表层孔口41采用不对称的分层差动出流，间隔2孔为一组，自左至右排序，1号和4号表孔出口俯角-35°，2号和5号表孔坝面俯角是-30°，但出口体型采用舌形坎分散水舌，出口角度0°～5°渐变，3号和6号表孔出口俯角-15°，泄洪水舌轨迹分三层错落入水垫塘，避免双数表孔按对称布置时中间两孔水舌重叠导致冲击力增大，这种不对称的布置使水舌分散，对水垫塘底板的冲击力比对称布置降低30％。7个深层孔口42分4组采用不同的挑角，分别为-3°、5°、12°和25°，使泄洪水舌轨迹纵向分四层错落入水垫塘。表层孔的跌流与深层孔的挑流水舌轨迹在空中形成有效的碰撞消能。

e、在拱坝下游设置水垫塘形成水垫消能。本实施例中，下游河道两岸的地势相差较大，水垫塘顺应下游河道两岸的自然地势采用相对于泄洪中心线的左右不对称的反拱底板梯型断面，水垫塘左岸坡度1:1，右岸边墙坡度1:0.4，可减少对岸坡的开挖扰动。水垫塘底宽、水深和长度根据水舌落点位置和满足淹没水跃以及动水冲击压力允许值要求确定。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护不限于此，任何本技术领域的技术人员所能想到本技术方案技术特征的等同的变化或替代，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置方法，其特征在于使泄洪中心线与下游河道的中心线重合或平行，并与拱坝中心线呈一定夹角，所述泄洪孔口被布置为多层孔口，各层孔口平面上采用与拱坝轴线呈一定夹角的不对称圆弧布置，通过圆弧曲率半径、泄洪孔分组、孔口出流在垂直方向上的角度，控制泄洪水舌运动轨迹，使水舌分层错落进入水垫塘中央。

2.如权利要求1所述的、一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置方法，其特征在于表层孔口采用分为若干组的不对称分层大差动出流，避免相邻水舌向心集中叠加，深层孔口采用不同的上挑角度纵向分散水流，与表层孔口水舌形成有效的碰撞消能效果。

3.如权利要求1所述的、一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置方法，其特征在于对于泄洪孔口在平面上的流道方向，在沿泄洪孔口所在圆弧径向的基础上，如局部的水舌落点搭接，通过单个泄洪孔口流道方向的小角度偏转进行微调。

4.一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置结构，由拱坝坝身泄洪孔口和坝后水垫塘组成；其特征在于所述泄洪孔口被布置为多层孔口，各层孔口平面上采用与拱坝轴线呈一定夹角的不对称圆弧布置；深层孔口分为若干组，不同组间采用不同的上挑角度，同一组的深层泄洪孔口的上挑角度相同；表层孔口采用间隔2孔为一组的不对称分层大差动出流，同组采用相同俯角和出口体型。

5.如权利要求4所述的一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置结构，其特征在于所述不对称圆弧是指泄洪孔口前缘控制点轨迹线为两段相切的圆弧组成，其切点和两个圆弧的圆心均位于泄洪中心线上，两侧曲率半径则根据拱坝不对称程度选择，拱坝曲率较缓一侧的半径大于另一侧，其值以泄洪水流最大挑距的1.8～2倍控制。

6.如权利要求4所述的一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置结构，其特征在于每个泄洪孔口的流道方向基本沿所在圆弧的径向布置。

7.如权利要求4所述的一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置结构，其特征在于所述泄洪孔口前缘控制点轨迹线与拱坝坝轴线之间的距离随拱坝不对称程度而变化，最大悬挑长度和不对称度限制在拱坝结构应力允许范围内。

8.如权利要求4所述的一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置结构，其特征在于所述泄洪孔口在拱坝立面上分层布置，每层孔口由多个泄洪孔组成，使泄洪水流立体分层大差动出流，表层孔口分组采用不同俯角使水流进一步纵向分散，同组表层孔口的出口体型和俯角相同，不同组之间俯角相差一定角度，使泄洪水舌轨迹纵向拉开距离。

9.如权利要求4所述的一种不对称拱坝的系统性泄洪消能布置结构，其特征在于深层孔口由外向内两两对称分组，同组深层孔口沿水流方向上挑角度相同，不同组之间的挑角相差一定角度而将水流进一步分散。

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