《高坝泄洪消能》课程论文

我国目前高坝泄洪消能设计的特点
***
(**大学建筑工程学院，天津 300072)
摘要：高坝泄水建筑物泄水，携带巨大能量，必须慎重处理，精心选择泄水建筑物和消能结构，
才能保证大坝的整体安全。

近年来，随着一批高坝的设计、建设和运行，我国的高坝泄洪消能
技术取得了很大进步，主要表现在坝身泄洪和岸边溢洪洞泄洪消能技术的应用，泄洪消能建筑
物趋于集中布置的特点，以及我国新型消能技术的发展。

关键字：水工结构；泄洪消能；综述；特点
China's current energy dissipation features
Of dam design
***
(School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072)
Abstract:The dam sluice discharge structure, carrying tremendous energy,
requires careful consideration, carefully selected discharge structures and
energy dissipation structures, to ensure the overall safety of the dam. In recent
years, with some of dam's design, construction and operation, China's energy
dissipation technology has made great progress, mainly in the dam spillway and
the shore, Spillway energy dissipation technology, Energy dissipation structures
tend to focus on building layout features, as well as China's new energy
dissipation technology.
Keywords: Hydraulic structures; energy dissipation; Summary; characteristics
0 引言
我国水能资源丰富，全国水能资源理论上蕴藏量6.94亿kW，技术可开发量4.02亿kW。

进入21 世纪以来，随着我国能源发展战略的实施和电力体制改革中市场竞争机制的成功引入，我国水电开发开始进入快速发展期。

水利水电工程挡水、泄水和发电三大建筑物布置中，泄水建筑物布置及泄流消能结构选择尤为重要。

因为筑坝雍高水库水位，泄水建筑物泄水时，携带巨大能量，必须在坝下河床较短距离内集中处理，如果处理不慎，就会造成泄水建筑物破坏，从而影响水电工程的安全运行。

因此高水头、大流量泄水建筑物是保障水电工程安全并充分发挥经济效益的关键。

另一方面，泄水建筑物和消能建筑物费用很高，有的工程甚至占到水工建筑物费用的1/3。

因此，精心布置、精心研究、精心选择泄水建筑物和消能结构尤为重要。

1 我国泄洪消能建筑物的特点
受河流的水文特性和地形条件的影响，我国一般大型工程枢纽的泄流消能建筑物具有以下特点：⑴水头高：如二滩水电站坝高240m，锦屏305m，小湾和溪洛渡工程接近300m。

泄流水头一般为坝高的0.5～0.8倍，流速大（一般超过30m/s，有的超过50m/s），高速水流问题十分突出。

⑵流量大：国外高坝设计泄洪流量超过10000m3/s的工程不多，二滩已超过20000m3/s，溪洛渡工程超过40000m3/s，而三峡工程通过坝身泄水建筑物的流量接近80000m3/s。

⑶河谷狭窄，导致泄水建筑物单宽流量大，过去一般认为单宽流量过100～150m3/s已属于大单宽流量，目前由于消能技术的发展，单宽流量已经突破200m3/s，少数已突破300m3/s。

⑷泄流功率巨大，下泄功率达数千万千瓦至上亿千瓦。

如此巨大地能量需要安全泄放，使泄流消能任务相当繁重，给消能防冲设计带来极大地挑战，成为筑坝的关键技术难题之一[1]。

近些年来，我国一直处于水电开发与建设的高峰期，大量的实际需求促进了高坝泄洪消能技术的发展与进步，泄洪消能设计任务越来月繁重。

尤其是峡谷河床的高拱坝，通过坝身宣泄大量洪水，泄流集中，泄洪功率大，泄洪消能和防冲设计是工程的关键技术问题之一。

从水力学角度看，我国高坝建设普遍存在高水头、大流量、窄河谷的技术特点，而且对于许多大型水电站而言，上述难点往往同时存在，对高坝泄洪消能技术研究提出了很高的要求。

近年来，我国正在和已经建设三峡、小湾、溪洛渡、向家坝、白鹤滩、锦屏、双江口等一批战略性工程，其规模巨大，工程与社会条件都十分复杂，技术难度很高。

来自工程实践方面的技术需求，大大促进了我国高坝泄洪消能技术的发展。

1998年我国建成的二滩水电站[2]是一座具有里程碑意义的高拱坝工程，其最大坝高242m，最大下泄流量23900m3/s，其中坝身泄量为16300m3/s，上述技术指标在国内外已建的同类工程中位居前列。

为解决坝身泄洪消能的技术难题，通过大量的技术论证与科学研究，最终采用了“坝身表孔与深孔双层泄水孔口布置、下游设水垫塘与二道坝、通过水舌碰撞促进消能、并辅以岸边泄洪洞泄洪”的泄水建筑物布置格局与消能模式，建成后经数年实际泄洪考验，表明是成功的。

2 坝身泄洪技术的特点
目前，我国高拱坝坝身泄洪消能方式多采用深表孔挑跌流联合泄洪并结合下游水垫塘的泄洪消能形式，为了有效减轻下泄水流对水垫塘底板的动水冲击压力，须尽量分散下泄水流，减小入射水流在水垫塘单位面积上的集中强度。

往往坝身泄洪采用表孔大差动及深孔挑流，或采用表孔为宽尾墩、深孔为窄缝挑坎的形式，以获得窄长的下泄的表深孔水流流态，表孔和深孔水舌空中相互穿插下落，不发生碰撞，不仅有助于降低泄洪雾化的强度，而且可以水垫塘底板冲击动压减小[3]。

许多学者对高坝挑跌流水垫塘内的水流结构和消能机理做了大量的试验和分析，表明多股射流的水垫塘流态明显优于单股射流，前者射流扩散迅速，能耗增快且分布均匀化和全方位“动水垫”效应，使其消能效率明显提高、壁面冲击动压显著降低，合理选择多股射流的入水间距，应是水垫塘和坝身泄洪优化设计的关键因素之一。

3岸边溢洪洞泄洪技术的特点
泄洪隧洞的流道很长，高水头电站内流速很高；一岸泄洪顶冲对岸，两岸对撞泄洪运用不便；护岸工程需部分水下施工，而其施工质量不易保证，部分需水下检修也不方便。

因此，泄洪隧洞宜在较大洪水时启用。

当水电枢纽泄洪同时设有坝身孔口和泄洪隧洞时，可以认为在常见洪水时，二者可以互为备用。

如二滩水电站（坝高240m ，最大洪峰23900m 3/s ）坝身表、中孔单独泄洪加发电流量，可泄2～3年一遇洪水，表、中孔共同运用加发电流量可泄50年一遇洪水，泄洪隧洞可在50年一遇以上洪水启用。

小湾水电站（坝高292m ，最大洪峰23500m 3/s ）坝身表孔单独泄洪加发电流量可泄2年一遇洪水，中孔单独泄洪加发电流量可泄20年一遇洪水，表1中孔共同泄洪加发电流量可泄
百年一遇洪水，泄洪洞可在百年以上洪
水时启用。

溪洛渡水电站（坝高278 m ，
最大洪峰52300m 3/s ）由于汛限水位远低于表孔堰顶，一般只能先开启中孔,利用其小洪水时遇高水库水位运行（限泄），对校核洪水库水位的影响不大，可采用限泄运行。

在机组满发情况下，表孔单独可泄2年一遇洪水，中孔单独可泄5年一遇洪水，表、中孔共同可泄10年一遇洪水。

泄洪洞可在10年一遇以上洪水启用。

4泄洪消能建筑物趋于集中布置
我国早期建设的水电站，如表1所列鲁布格、乌江渡、东风水电站等，其规模相对较小，为简化消能建筑物，当洪水稍大时，多在坝身和岸边同时设置多种泄洪建筑物以分区消能。

近年来随着技术的开发，为简化泄洪、泄洪消能建筑物多集中一处布置，并趋于单一形式。

表1 大流量高坝泄洪消能数据对比表
Table 1 Comparison of the data table ofhigh flow Dam energy dissipation
工程名称 坝型
坝高 /m
泄洪建筑物m
泄洪流量/（m 3/s ） 坝身
岸溢 洪道 泄洪洞 坝身
溢洪道 泄洪洞 总泄量
鲁格布 心墙堆石坝 103.8 -
2/13×18 2/7.5×7 (8.5×9) - 6430 3650 10080 乌江渡
拱形重力坝
165 表6/13×18.5；中2/4×
4.4
- 2/9×10.44
15700
- 4130 20940 东风 拱坝 162 表3/7×11；中3/2-2.5×
6(1-35×45) 1/15×21 1/21×21 4860
4220 3320 12400 构皮滩
拱坝
225
表6/12×15；中7/7×6
-
-
27320
-
-
27320
工程名称 坝型 坝高/m 泄洪功率/MW 泄洪消能形式
冲沙坑基岩
坝身 岸边 总功率 鲁格布 心墙堆石坝 103.8 - 7400 7400 挑流 灰岩 乌江渡 拱形重力坝 165 13800 3700 18500 挑流 页岩、泥灰岩
东风 拱坝 162 5400 8300 13700 中孔窄缝、挑流 灰岩 构皮滩
拱坝
225
39900
- 39900
挑跌流、消力塘
灰岩、页岩
图1 泄洪洞泄洪
Fig. 1Theflood discharge of the spillway
近年来由于消能防冲技术的开拓，随着地下厂房结构简化、施工技术成熟且安全、施工不受气候和导流程序所制约，当泄洪流量较大时，多建地下（或岸边）厂房，以让开河床集中布置泄洪和消能。

重力坝坝身开孔面积可大；拱坝弧形轴线可径向扩展，下游同等河宽情况下泄流前缘较宽，且以小工程量加高大坝，提高超蓄能力；重力拱坝具有二者之长；因此都具有加大泄洪的能力，可集中于坝身布置泄洪建筑物，如构皮滩水电站。

中等宽度河谷建坝，装机台数不多时，多采用泄洪与发电建筑物并行布置；机组台数较多时，尚可部分置于地下，如向家坝水电站。

在宽广河谷建坝，多在河中建混凝土坝段，用于集中建筑物泄洪和发电建筑物，两岸以土石坝连接，如丹江口水电站[4]。

表2 大流量高水头水电站枢纽布置对比表
Table 2 The comparison table of high flow and high-head hydropower project layout
枢纽布置类型工程
实例
河谷
宽高比
坝高
/m
坝型
最大洪峰
/（m3/s）
泄洪建筑物布
置形式
机组
台数
发电厂房
形式
泄洪发电重叠布置乌江渡 2.2 165
拱形
重力坝
24400
坝身中、表孔，
泄洪洞
3（一
期）
坝后厂前
挑流
河床坝身泄洪地
下厂房
构皮滩 2.5 231 拱坝34200 坝身中、表孔 5 地下
泄洪发电河床并列布置三峡12.4 175 重力坝124000
坝身深、中、
表孔
32
地下6坝后
26
泄洪发电河床并列布置向家坝 5.6 161 重力坝49800 坝身中、表孔8
地下4坝后
4
河床混凝土坝段泄洪发电并行丹江口25.7 97
重力坝、
土坝
82300 坝身深、表孔9 坝后
岸边溢洪道地下厂房糯扎渡 2.33 261.5
心墙
堆石坝
39500 岸边溢洪道9 地下
大洪水集中单一的泄洪建筑物，由于泄洪消能技术的发展，大单宽泄流经三向扩散、多
层挑流、碰撞掺混、均匀入水、挑流与底流结合等措施，从而也达到分散泄水、分散消能的目的，冲坑处于软基者也能运行安全。

5泄洪消能采用组合形式，努力开拓新型消能形式
己有的泄洪消能形式主要包括：挑流消能、底流消能、面流消能、戽流消能和内流消能，其中挑流消能应用最广，国内外高坝工程多半采用了挑流消能，面流消能和戽流消能则应用得相对较少。

早期的工程挑流或底流消能措施单一，基本消能型式泾渭分明。

近年来建设高坝，消能措施多有创新，挑流者先在空中扩散，掺混、碰撞，必要时设消力池（塘），将泄流均布射入池中；挑流者也将泄流在坝面先行三向扩散、紊动、掺混，然后分层射入消力池中；两种消能形式不仅都采用新的措施，且互相结合互为一体。

隔河岩水电站（坝高151m，最大单宽流量185m3/s）采用多种消能措施，表孔采用不对称宽尾墩、深孔窄缝挑坎、下游设两级消力池、利用原下游围堰做成二道坝。

这种组合消能措施，不仅缩小消力池尺寸，而且还解决了高水头、大单宽、河湾、基软等困难。

目前，高拱坝坝身泄洪消能方式多采用挑流或跌流加下游水垫塘的泄洪消能形式，坝身下泄水流会对水垫塘底板造成较大的冲击压强，如过大且靠近坝脚，则会在水垫塘中形成较大冲坑，从而威胁大坝的安全。

为了有效减轻下泄水流对水垫塘底板的动水冲击压力，须尽量分散下泄水流，减小入射水流在水垫塘单位面积上的集中强度。

正是基于这一思路，二滩拱坝（坝高240m）坝身泄洪采用表孔大差动及深孔挑流，使下泄水舌纵向分层拉开，单体横向扩散，水流空中撞击，并设置下游水垫消能的泄洪消能方式，取得了较好的效果，并为许多以后的工程设计所采用，如小湾（坝高292m）、溪洛渡（坝高175m）、构皮滩（坝高232.5m）等工程。

二滩工程的实践也充分表明了空中碰撞消能方式的优点。

但是，水流空中碰撞消能会使泄洪雾化的强度和范围大大增强，对下游岸坡的稳定造成威胁。

因此，消能措施的采用宜因地制宜。

另外，我国西南地区有几座高拱坝工程，如乌东德水电站与松塔水电站都面临下游覆盖层深厚的技术难题，若仍采用传统的“二滩模式”，则需要修建规模宏大、造价昂贵的水垫塘与二道坝，而实际情况是，由于下游水垫深厚，水垫塘底板能承受的冲击压强已十分有限，而且消能区的水体体积也已足够大，足以耗散下泄能量，
此时采用既护坡又护底的大型人工水塘与二道坝布置方
案，从技术与经济两方面看都欠缺合理性。

因此，在确
保泄洪安全的前提下，目前正在研究以“护坡不护底、
不设二道坝”的天然水垫塘布置方案取代传统的“水垫
塘+二道坝”布置方案的可行性[2]。

6环境问题日益重视
针对峡谷区大泄量、高拱坝泄洪消能的特殊性和消
能防冲设计的基本思想，采用“分区泄洪，分散出流，
加固河床，设置水垫塘消能”的综合治理措施是十分必
要的。

即一方面采取各种工程措施尽量减小下泄水流对
河床的冲刷破坏能力，另一方面通过加固消能区河床来
提高河道的抗冲能力，以保证泄洪时安全可靠。

毋庸置疑，大型水电站泄流消能研究的重点在于泄流消能建筑物的布置和新型消能工开发研究。

但一些新图3 东江溢洪道泄洪雾化Fig. 3Spillway atomization of
Dongjiang
型消能工的采用，不可避免的带来一些环境问题。

如泄流时形成的局部暴雨引起的山体滑坡，泄流泥雾影响电气设备的运行，空气湿度增加可能使特殊产品生产恶化等。

因此，采用合适的泄流布置方式，选取合适的消能防冲结构，采取分散泄水、分区消能、重点防护成为高坝工程设计的趋势。

对于非碰撞式坝身泄洪消能布置的研究，我国学者在高坝泄洪消能的科研和设计中提出和应用了对表孔采用宽尾墩、中孔采用窄缝挑流等消能消能模式，为消能技术的发展做出了重要贡献。

底流消能常常要面临消力池临底流速高的难题。

内流消能虽然己有孔板式和旋流式等，但相对而言还处在不断发展完善的过程中[2]。

7 结论
在过去的20年，为我国“高水头、大流量、大泄洪功率”的泄流工程设计和安全运行的关键技术取得了长足的进展。

实现了我国高坝建设由 100多米量级到300米量级、高坝身泄流增长 5倍、泄洪功率增长 8倍的技术跨越，200 m以上高坝泄洪功率达到国外最高水平的 3倍，在新型消能工、掺气减蚀、雾化水流、泄洪振动模拟等方面高坝泄洪安全技术方面整体上处于国际先进行列。

我国目前仍有一大批世界级高坝大型水利水电工程在建或待建，水力学理论、方法和技术的发展水平与高坝工程对安全性和经济性的要求之间仍存在许多差距。

需加强以下几方面的研究工作：一是高坝工程中特殊水流现象的机理和计算方法研究，如空蚀破坏和掺气减蚀机理、自掺气水流的掺气机理和预测方法、高速水流模型试验缩尺效应、各种条件下泄水建筑物的设计计算方法等；二是高坝泄洪新技术的开发，如泄洪消能新技术、掺气减蚀新技术、流态控制新技术、大单宽流量明渠导流新技术等；三是高速水流（水气二相流）、缝隙流、结构、基岩等多介质耦合作用和灾变机理，考虑水动力荷载、环境侵蚀、材料老化、结构损伤积累和抗力衰减等多因素的耦合作用，研究通过对水动力要素和结构动力要素的耦合监测和诊断，将力学分析、传感信息技术、人工智能技术有机融合，为高坝泄流结构全寿命过程安全的动态监测、诊断、评价、预警和控制提供新的理论和技术方法。

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