高等水工建筑物 高水头泄水建筑物专题,水工结构工程专业,一、引言高坝泄洪安全问题,一、引言高坝泄洪安全问题,近20年来我国的水电事业蓬勃发展, 一大批接近300 m或超过300 m的高坝或超高坝都要相继开始建设。 我国的水能资源多位于西部的高山峡谷地区,这些工程在泄洪消能方面的共同特点是“水头高、流量大、泄洪功率大、河谷狭窄、地质条件复杂”, 这无疑增加了泄洪消能问题的难度。,一、引言高坝泄洪安全问题,1.特点：,水头高。坝高200300m 的大坝,其泄流流速都已超过3040m/s ,有的甚至于达到50m/s 以上。高速水流会引起的一系列问题,如空化空蚀、脉动与振动、掺气与雾化等,流量大。我国的高坝泄水建筑物的泄水流量多数都超过10 000m3/s , 溪洛渡和向家坝两个工程的泄流量达4000048000m3/s , 三峡水利枢纽泄量达到80000m3/s 以上,这在国外是没有的,一、引言高坝泄洪安全问题,1.特点：,泄洪功率大。泄洪功率是上下游水头差和泄量的函数,据统计到目前为止,国外的水利工程中最大的泄洪功率是20 世纪80 年代建成的伊泰普和图库鲁伊电站（巴西）,约为50 106 kW, 而我国近年来建成的一些电站如二滩、三峡等达到70 106 kW,已大大超过了国际水平,一、引言高坝泄洪安全问题,1.特点：,地形复杂。建坝地形复杂带来了泄水建筑物布置的困难, 有的坝址河床很窄, 大部分工程的泄洪单宽流量已远远超过了规范所规定的200m3/sm。有的工程采用特殊消能工后,其单宽流量可达到600m3/sm。此外,有的工程由于地形影响,河床虽很宽,但是流量大,尾水深,形成了很难消能的低弗劳德数水流。,一、引言高坝泄洪安全问题,2.泄水建筑物的破坏,据统计有近1 /3水利水电工程的泄水建筑物出现不同程度的破坏。,坝身泄洪：其下游消力塘防护结构的破坏是最常见形式，消力池底板的严重破坏：,萨扬水电站（前苏联）“俄罗斯萨扬水电站817事故的教训与启示 ” 五强溪（湖南沅陵）“五强溪水电站右消力池底板块失事分析 ” 鱼塘水电站（贵州遵义 2006）,一、引言高坝泄洪安全问题,2.泄水建筑物的破坏,岸边泄洪洞： 空蚀破坏是最常见的形式,胡佛拱坝（美国科罗拉多河） ：泄洪洞的空蚀破坏(破坏混凝土及岩石约达5 000 m3 ),一、引言高坝泄洪安全问题,2.泄水建筑物的破坏,岸边泄洪洞： 空蚀破坏是最常见的形式,龙羊峡水电站：底孔侧墙和底板均遭到严重破坏(破坏面积约达500 m2 ),一、引言高坝泄洪安全问题,2.泄水建筑物的破坏,岸边泄洪洞： 空蚀破坏是最常见的形式,刘家峡水电站（甘肃永靖 ）：泄洪洞反弧段的多次空蚀破坏,一、引言高坝泄洪安全问题,2.泄水建筑物的破坏,岸边泄洪洞： 空蚀破坏是最常见的形式,二滩水电站：1#泄洪洞的空蚀破坏(破坏混凝土及岩石约达20 000 m3 )等,一、引言高坝泄洪安全问题,2.泄水建筑物的破坏,其他型式的泄洪安全问题,美国Texarkana、Navajo坝和我国万安水电站的消力池导墙的流激振动破坏 日本和知坝、美国麦克莱伦克尔阿肯河、我国响洪甸、李家峡等水工闸门的破坏 我国大化、乌江渡、青铜峡水电站、前苏联基辅、伏尔加、萨拉托夫等水电站都出现的强烈泄流振动现象 龙羊峡、李家峡水电站等都发生过的泄洪雾化引起的滑坡,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,1.传统泄洪消能型式,底流消能,挑流消能,面流消能,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,大差动挑流消能型式（空中碰撞）,风滩水电站湖南沅陵，我国第一座空腹重力拱坝，最大坝高112.5m ，34800m3/s ，170m2/s,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,大差动挑流消能型式（空中碰撞）,风滩水电站湖南沅陵 共有13孔,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,大差动挑流消能型式（空中碰撞）,20 世纪50 年代，广东从化的流溪河拱坝 7 孔间隔高低大差动挑坎,水舌出坎后亦有左右扩散、交叉并碰撞作用,由于是山区河流,下游无尾水,经多年运行,坝下游并未形成大的冲坑。,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,大差动挑流消能型式（空中碰撞）,白山重力拱坝,吉林省桦甸县境内的第二松花江，三心圆混凝土重力拱坝，最大坝高149.5米，坝顶弧长676.5米，26,200立米/秒,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,大差动挑流消能型式（空中碰撞）,印度拉克瓦水电站,最大坝高204m,白山重力拱坝,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,窄缝式挑流消能型式（纵向扩散）,东风水电站,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,窄缝式挑流消能型式（纵向扩散）,东风水电站,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,窄缝式挑流消能型式（纵向扩散）,水布垭水电站,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,宽尾墩消能型式（纵向扩散）,(a)基本型,(b) Y-I型,(d) X型,(c) Y-II型,基本型：潘家口 Y-I型：扩宽闸墩的尾部成三角形锲体，安康 Y-型：收缩起点的墩体保留一定的高度，五强溪和岩滩 X型:在Y型的基础上将宽尾墩底部切成一斜面，索风营,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,潘家口水电站宽尾墩挑流联合消能工,安康水电站宽尾墩消力池联合消能工,宽尾墩消能型式（纵向扩散）,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,桃林口水电站宽尾墩消能工,五强溪水电站宽尾墩联合消能工,宽尾墩消能型式（纵向扩散）,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,岩滩水电站宽尾墩戽式消力池消能工,宽尾墩消能型式（纵向扩散）,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,宽尾墩+阶梯溢流坝消能型式（纵向扩散）,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,宽尾墩+阶梯溢流坝消能型式（纵向扩散）,宽尾墩,WES溢流坝面,阶梯坝面,消力池,尾坎,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,宽尾墩+阶梯溢流坝消能型式（纵向扩散）,福建水东水电站大坝,云南大朝山水电站大坝,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,宽尾墩+阶梯溢流坝消能型式（纵向扩散）,贵州索风营水电站,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,二滩水电站,混凝土双曲拱坝,最大坝高240m,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,构皮滩水电站,电站枢纽由高225米的混凝土双曲拱坝、右岸地下式厂房、坝身表中孔泄洪及左岸泄洪洞等建筑物组成。,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,构皮滩水电站,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,溪洛渡水电站,溪洛渡水电站枢纽由拦河坝 、泄洪、引水、发电等建筑物组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程610米，最大坝高278米,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,锦屏一级水电站,混凝土双曲拱坝坝高305米,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,小湾水电站,混凝土双曲拱坝，坝高292M,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,拉西瓦水电站,双曲薄拱坝,最大坝高250m,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,白鹤滩水电站,工程枢纽由拦河坝、泄洪消洪设施、引水发电系统等组成。拦河坝为双曲拱坝，高277m，坝顶高程827m,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,多股射流消能型式（消力池内三维碰撞扩散）,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,多股射流消能型式（消力池内三维碰撞扩散）,向家坝水电站,混凝土重力坝,最大坝高162米,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,洞塞式消能型式(孔板式内流消能工),在大型水电工程中,将导流洞改建成为泄洪洞具有很大的经济效益,由此而产生诸如竖井漩流式、突缩突扩式(洞塞式Throat-type Energy dissipators 和孔板式Orifice Energy dissipators) 等多种形式的消能工。孔板式内流消能工目前已在黄河小浪底水利枢纽工程中成功应用,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,洞塞式消能型式(孔板式内流消能工),洞塞泄洪洞的基本布置型式,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,洞塞式消能型式(孔板式内流消能工),美国格兰峡坝的临时泄水孔和加拿大麦加坝的泄水底孔曾先后采用洞塞消能方案, 虽然其泄洪规模相对较小, 但其成功经验具有很高的参考价值。麦加泄水底孔于1973 年首次投入运行, 至1976 年4 月, 泄水底孔共使用了75 个星期, 最大运用水头达167m。运行情况与设计和模型试验情况相符, 效果令人满意。特别是洞塞消能段, 经过数次检查证明, 没有受到任何空蚀破坏。,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,竖井旋流式消能型式,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,竖井旋流式消能型式,四川沙牌水电站导流洞改建工程,提出由常规压力短进水口、引水洞与涡室连接的旋流竖井式泄洪洞结构型式，最大泄量245m3/s 。,溪洛渡泄洪洞泄量2700m3/s , 堰上水头3418m , 总水头220m。涡室直径20.0m ,竖井直径16.0m，泄洪洞断面尺寸16.0m 22.0m (城门洞型) 。由于尾水位很高, 高出洞顶10m20m , 故洞内采取有压明流流态(水面上空气压力大于大气压) , 在出口段洞顶设两道减压排气井, 用来排气和削减明满流过渡段的压力, 避免出口发生气爆现象。研究表明, 洞内水面平稳, 气压稳定, 消能率达85 % , 洞内流速小于20m/ s。,小湾泄洪洞的涡室采取和溪洛渡相同的型式, 泄量1400m3/s , 堰上水头6410m , 总水头约14310m , 弧门尺寸610m 810m (宽高) , 涡室和竖井直径分别为1710m 和1314m。由于尾水位很高, 沿洞线设数条排气井, 洞内为有压水气混合流, 流态复杂未被设计采用。,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,旋流泄洪洞水流绕洞轴旋转流动消能型式,这种形式的消能工在前苏联和印度进行了大量试验研究。大致可划分为沿全洞线旋流消能和部分旋流洞连接消力池消能两种形式,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,旋流泄洪洞水流绕洞轴旋转流动消能型式,印度特里水电站左右岸各有两条全线旋流泄洪洞, 其中左岸两条洞, 进水口为单孔溢流堰, 通过短引水洞同竖井连接。进口弧形闸门尺寸12m 15m , 堰上水头2010m , 最大泄量1820m3/s。从最高库水位至洞轴线总水头203.0m。直径12.0m 的竖井下部同直径1210m 的起旋室采用折线偏心相切连接。旋流洞长约1320m , 分两段: 上游段120m 长为圆形断面, 下游段为马蹄形断面。由于尾水位很高, 在起旋洞堵头端设直径3m 的排气井与高25m 处的气水分离室连通, 同时沿洞线布置6 道排气井通向洞顶的总排气洞。溢流堰与竖井为自由流, 掺气充分, 起旋室最大流速35m/ s ,