第五节　拱坝的坝身泄流

一、拱坝坝身泄流方式

拱坝泄流方式主要有坝顶泄流，包括自由跌落式和鼻坎挑流式，坝面泄流、坝肩滑雪道式、坝身泄水孔和坝后厂房顶溢流等几种。

（一）自由跌落式

将河床中央坝段的坝顶做成非真空实用堰形式，见图3-29，为施工方便，堰面曲线也有采用圆弧曲线和平顶式的。泄流时，水流经坝顶自由跌入下游河床。这种方式结构简单，运用方便，经济可靠，但落水点距坝趾较近，一般在10m以内，适用于泄量不大，基岩较好，坝身较薄的双曲拱坝或中小型拱坝，单宽泄流量有的已达到20m3/（s·m）以上。

（二）鼻坎挑流式

这种型式是将坝顶做成溢流曲线，通常采用克—奥曲线或WES曲线，在曲线末端设置挑流鼻坎，见图3-30，水流经鼻坎挑射后，落水点距坝趾较远，适用于泄量较大的较薄拱坝。鼻坎伸出部分为固结在坝体内的悬臂，为不过大影响坝体应力情况，堰顶至鼻坎高差一般不大于8m，约取堰顶曲线定型设计水头Hs的1.5倍，反弧半径约等于Hs，鼻坎挑角一般为10°～25°，单宽泄流量一般不大于50m3/（s·m），最好由水工模型试验来确定。溢流段布置可沿全坝顶或只在坝顶中部；溢流顶高程可以同高或中间低两侧稍高，小流量时由中间溢流，大流量时中部流量大于两岸，利于消能。堰顶可设或不设闸门。目前世界上最高的苏联英古里双曲拱坝，坝高272m，就是采用这种泄流方式，坝顶设有6个9m宽的溢流孔。

（三）坝面泄流式

对于单宽流量q较大的重力拱坝，可采用与溢流重力坝相似的坝面泄流方式，水流沿坝面下泄，经鼻坎挑流或底流消能。其堰顶与鼻坎高差及单宽流量可加大，挑距也更远。例如我国凤滩空腹重力拱坝，采用高低坎布置，其中高坎6孔、低坎7孔，堰顶与高低坎坎顶的高差分别为22.56m和50.5m，见图3-31，两股水流沿坝面下泄经鼻坎挑流，空中竖向互冲消能，其泄洪量达26600m3/s，单宽泄流量为183.3m3/（s·m）。

（四）坝肩滑雪道式

坝肩滑雪道式泄流是拱坝特有的一种泄流方式，其溢流面由溢流坝顶和与之相连的泄槽组成，泄槽为坝体轮廓以外的结构部分。水流过坝后流经泄槽，由末端鼻坎挑出，水流在空中扩散后落入距坝趾较远的河床中。挑流鼻坎一般比堰顶低很多，因而挑距较远。滑雪道的底板可设置在水电站厂房的顶部或专门的支承结构上。滑雪道设在岸边坝肩处，一般采用两岸对称布置，以便形成空中对冲消能。图3-32是我国紧水滩双曲拱坝滑雪道式泄流布置图，坝高102m，左右岸对称布置了中、浅孔各1对，中孔出口断面宽7.5m，高7m，浅孔宽8.6m，高8m，中浅孔最大泄量分别为3189m3/s和2788m3/s。滑雪道式泄流水流平顺，可减免坝面真空和减轻坝身振动，单宽流量可达200m3/（s·m），适用于大泄流量的较薄拱坝。目前滑雪道溢流面的曲线形状、反弧半径、鼻坎尺寸等，都需经过试验研究来确定。

（五）坝身泄水孔式

与重力坝相似，坝身泄水孔是指位于水面以下一定深度的中孔和底孔，位于1/2坝高附近的中孔和坝身中、下部的深孔，多用于泄洪、发电、供水、灌溉。位于坝底部的底孔，多用于放空水库、排沙、施工导流及辅助泄洪。坝身泄水孔一般都是压力流，比坝顶溢流流速大，挑距远。泄水孔一般布置在河床中部坝段，以便消能与防冲，也有的对称布设在两岸坝段，河床中部布置电站厂房。泄水孔工作闸门大多采用弧形，布置在出口，进口设事故检修闸门，这既便于布置闸门启闭设备，又可利用闸墩、挑坎等对坝体的局部加厚改善孔口周边应力状态，图3-33是日本绫北拱坝泄水中孔布置图及配筋简图。

由于拱坝较薄，泄水孔断面一般采用矩形，断面高宽比宜用0.8～1.6。为保持孔口泄流为压力流，避免负压，出口断面应缩小，一般出口高为孔身高的70%～80%。为使水流平顺，提高泄流能力，泄水孔孔身及进口宜做成曲线型，大中型工程应由水工模型试验研究确定。

底孔位于水下深处，孔口尺寸往往受高压闸门制作和启闭条件限制而不能太大。

拱坝坝身孔口泄水，工程布置简单，运行方便，经济性好，但孔口将影响坝身整体性和拱作用的发挥，泄流时也会引起坝体振动。为此，布置泄水孔时，应尽量避开高应力区，尤其是避开拉应力区。孔身应做成与水流条件符合的流线形。

当泄量大时，拱坝坝身泄水可将上述各种型式结合使用，如坝顶溢流加坝身泄水孔等，不满足泄量要求时，还可布置泄洪隧洞或岸边溢洪道。

二、拱坝的消能与防冲

拱坝泄流与消能防冲有以下两个特点：

（1）由于拱坝的拱结构特征，下泄水流向中心集中，水舌入水处单位面积能量大，易形成集中冲刷。

（2）拱坝坝址多为山高坡陡的狭窄河谷，两岸岩体稳定是拱坝稳定的关键因素，因此保护坝肩不受冲刷和回流淘刷比保护河床不受冲刷更应引起注意。为此，拱坝的消能防冲既要防止有害的河床集中冲刷，又要防止危及两岸坝肩的岸坡冲刷或淘刷。

拱坝的消能方式主要有以下几种：

（一）水垫消能

水垫消能是利用下游水深形成的水垫来消除水流能量。当自然水垫厚度不足时，可在坝下游设置消力坎、二道坝或在水舌入水处开挖成水垫消力池或建戽斗。例如，图3-34所示为美国卡尔德伍德拱坝的水垫消能形式，其在水流落水处设戽斗并在其下游设置了二道坝。水垫消能最为简单，但水舌入水点距坝趾较近，适用于坝顶和孔口泄流方式。

（二）挑流和空中对冲消能

鼻坎挑流式、滑雪道式和坝身泄水孔式泄流，都是采用不同形式的鼻坎，将水流挑向空中，经扩散、掺气、碰撞等消除部分能量后，再跌入下游河床，减轻对河床冲刷。而利用过坝水流同心集中的特点，对狭窄河谷中的中、高坝，还可在拱冠两侧对称地布置溢流表孔或泄水孔，使两侧挑射水流在空中形成对冲，或将鼻坎做成高低坎大差动形式或窄缝式高低坎形式，迫使下泄水流沿竖向和纵向拉开，增厚缩窄水舌，并形成两股或几股水舌在空中交汇，冲击掺气，消耗水流大量能量，减少对两岸岸坡的冲刷。其前者为平面对冲消能，后者为竖向对冲消能。但这种对冲水流产生的“雾化”程度较其他挑流方式更为严重，必要时应采取相应防护措施。

（三）底流消能

对重力拱坝，也可采用底流消能，如美国萨扬舒申斯克重力拱坝和我国四川长滩砌石重力拱坝均采用底流消能，前者坝高242m，水流沿坝面泄入设有二道坝的收缩式消力池，池上下游端分别宽123m和97m，长约130m，二道坝下游设护坦，长235m，末端设齿墙，单宽流量139.0m3/（s·m），运行情况良好（图3-35）。

拱坝下游的防冲加固措施一般采用护坦、护坡、二道坝等。其型式、尺寸、防护范围等应由水工模型试验确定。