第七节　重力坝坝身泄水孔

一、坝身泄水孔的作用、工作条件及类型

坝身泄水孔的进口位于水下，其作用是多方面的：①配合溢流坝泄洪，并可预泄库水，增大水库调洪能力；②放空水库以便检修大坝或满足人防要求；③排泄泥沙，减少水库淤积，以延长水库寿命和保证其他建筑物正常运行；④随时向下游放水，满足发电、灌溉、航运和城市供水等要求；⑤施工导流。

坝身泄水孔所处工作条件复杂，孔道泄水时，水流流速高，容易产生负压、空蚀和振动，因此孔道体形设计十分重要；闸门在水下，承受的水压力大，启闭力大，相应的门体结构、止水和启闭设备都较复杂，且检修不便。

坝身泄水孔的类型，按孔内水流流态分为有压的和无压的两类；按泄水孔所处的高程可分为中孔和底孔；按布置的层数又可分为单层的和双层的。发电孔多为有压孔，其他用途的泄水孔可做成有压的或无压的，但避免有压与无压交替出现。

有压孔工作时，孔内始终保持满水有压状态，其工作闸门布置在出口，见图2-45，有利于稳定孔内水流流态和门后补气减免空蚀。孔口断面尺寸较小，但闸门关闭时，孔内承受较大的内水压力，对坝体应力和防渗不利，常需钢板衬砌。为此常在进口设置事故闸门（当建筑物和设备出现事故时紧急应用，要求能在动水中关闭孔口），并兼作检修闸门，平时兼用来挡水。

无压孔的工作闸门和检修闸门都设在进口，工作闸门后的孔身顶部升高，见图2-46，使水流形成无压明流，闸门前为短有压段。工作闸门关闭后，孔道内无水，过流时内水压力小，明流段可不作钢板衬砌，施工简便，但对坝体削弱较大。

二、坝身泄水孔的布置

坝身泄水孔布置，应根据其用途、枢纽布置要求、地形地质和运用施工条件等确定。为简化结构布置和节省投资，在不影响正常运用的前提下，应尽量考虑一孔多用，如灌溉与发电相结合，放空与排沙或导流相结合等。泄洪孔宜布置在河槽部位，以便下泄水流与下游河道顺畅衔接，河谷较宽时宜布置在非溢流坝段中，深孔出口不宜设在溢流坝面上。因受闸门结构和启闭机容量限制，坝身泄洪孔断面面积不能太大。为增大坝身泄流量，坝身泄洪孔可做成双层的，但应注意双层泄流时，上层水流对下层泄水孔泄水能力有影响，二层水流交汇处易产生空蚀。其进口高程在满足泄洪要求的前提下应尽量高些，以减小闸门上的水压力和泄流时下游的消能负担。灌溉孔应布置在灌区一侧，以便与灌溉渠道连接，进口高程应根据坝后渠首高程确定，也可根据泥沙和水温情况分层设置进水口。发电进水口应根据水利动能设计要求和泥沙条件确定，一般设于水库最低水位以下1倍孔口高度处，并高出最终淤沙高程1m以上。排沙孔应尽量靠近电站、灌溉进水口及船闸闸首等需要排沙的部位。放空水库和施工导流孔，一般布置得较低。

三、有压泄水孔设计

有压泄水孔由进口曲线段、闸门和门槽段、渐变段、平压管和通气孔、洞身段及出口段等部分组成。

（一）进水口曲线

为使水流平顺，减少局部水头损失，提高泄流能力，防止孔壁空蚀，进口表面轮廓应尽量符合流线变化规律。工程中常做成三面或四面收缩的喇叭口形状见图2-47，进口轮廓曲线常采用椭圆曲线，其方程为

椭圆的长轴x多平行于孔轴，而新的试验资料表明，若x轴稍向上倾斜，倾角为12°左右时，可改善水流的压力分布和提高泄水能力。式中，A为椭圆长半轴，泄水断面为圆形时，A为圆孔直径，a取0.3；泄水孔断面为矩形时，对于进口顶底曲线A为孔高h，a取1/3～1/4；对于进口两侧壁曲线，A为孔宽，a采用1/4；当流速不大时，为施工方便，进水口轮廓曲线也可采用圆弧曲线，但其半径应大于2倍泄水孔直径。重要工程的进水口轮廓曲线应通过水工模型试验进行验证、修改。

（二）闸门和闸门槽

有压泄水孔的出口工作闸门，一般采用弧形闸门，进口检修闸门常采用平面闸门，以便于提出孔口外检修。水流经过闸门槽时，先扩散，随即收缩，在门槽及其下游侧产生旋涡，见图2-48（a）。随水流流速增大，旋涡中心处压强愈趋降低，伴随负压的增大，引起槽壁空蚀破坏和结构振动。常规的矩形锐缘门槽［图2-48（a）］仅适用于流速小于10m/s的情况，当水头过高，流速过高时，为了减免门槽空蚀，根据试验研究结果，宜采用矩形收缩型门槽，见［图2-48（b）］。它可使水流较平顺地沿侧壁斜坡流动，不致冲击下游槽角。其尺寸为：门槽宽深比＝1.6～1.8；错距Δ＝（0.05～0.08）W；圆导角半径r＝0.1D；下游边墙坡率为1：10～1：12。

（三）孔身断面、渐变段及出口段

有压泄水孔孔身通常采用圆形断面，过水能力大，且适用于承受较大的内水压力，但在进出口部位，为设置闸门的需要采用矩形断面，因此在进口检修闸门之后和出口工作闸门之前均须设置渐变段，使断面由矩形变到圆形或由圆形变到矩形。渐变段长度一般采用1.5～2.0倍孔径，渐变段内同时伴有边壁收缩，其收缩率控制在1：5～1：8之间。过渡型式采用圆角式，即在矩形断面的四角以小圆弧连接，并使圆弧半径逐渐变大，直至连成圆形断面，见图2-49。

有压泄水孔出口处，由于水流由压力流突然变为无压流，引起出口附近压力降低，孔顶出现负压。为消除负压，减免空蚀，一般在距出口1/4～1倍孔径范围内设一顶部斜坡段，将孔顶压低，同时将出口断面缩小。孔顶压坡比可取1：10～1：15，出口断面收缩为孔身断面的0.85～0.90，见图2-49（b）。

（四）平压管和通气孔

检修闸门开启时，往往上游侧承受较大的库水压力而下游侧无水，造成启门力很大。为了减小其启门力，通常在坝内设置平压管。平压管的作用是将库水引至检修闸门下游侧泄水孔内，以平衡门前部分水压力，其进口与库水连通，控制阀门设于坝体廊道内，见图2-45。平压管直径根据充水时间、检修闸门与工作闸门之间的泄水孔容积和管流公式计算确定，并应将工作闸门的漏水估算在内。充水时间一般不超过8h。当充水量不大时，也可将平压管设在闸门上，也有工程利用检修闸门的小开度充水而不设平压管。

有压泄水孔内的通气孔设于检修闸门之后，用于检修期间关闭检修闸门开启工作闸门放水时向孔内补气；而当检修完毕，关闭工作闸门后，向二道闸门间泄水孔充水时排气。通气孔断面面积一般取泄水孔断面面积的0.5%～1%，并应大于平压管和检修排水管的过水断面，否则容易造成通气孔喷水或结构振动等。通气孔进口必须与大气连通，并与闸门启闭室分开，以免影响人员安全。

（五）底坡

有压泄水孔的底坡一般为缓坡，考虑施工运输和检修排水的要求确定。为避免空蚀和降低动水压力作用，在沿孔轴线变坡处常采用圆弧曲线连接，曲线半径一般不小于5倍孔径。

（六）水力计算

有压泄水孔的水力计算主要是验算其泄水能力和孔内压坡线。泄水能力由出口控制，按管流公式计算：

求得泄水流量和任一过水断面的流速后，可由能量方程求得沿程各断面的压强。各断面压强连线即为泄水孔压坡线，一般要求任意断面压强不得低于2m高水柱。否则，应修改孔轴布置或结构布置使之满足要求。

四、无压泄水孔设计

无压泄水孔由工作闸门前后的压力短管段和无压明流段组成。明流段过水断面多采用矩形或城门洞形。泄水孔出口水面应高出下游水位，以免在孔内产生水跃影响泄流。无压泄水孔在平面上宜布置成直线。

（一）进水口体形

无压泄水孔的进水口是指工作闸门前的压力短管段。它由进口段AC、检修门槽CE和压坡段EF三部分组成，见图2-50。进口段中AB曲线的形状与有压泄水孔相同，常采用椭圆曲线，取长半轴a1＝h2，短半轴b1＝a1/3，由于短管阻力小，水流收缩大，为满足水流收缩特性和保证孔口压力稳定，在曲线上曲率为s1的B点处接以斜率为s1的压板BC，长度为3～6m，s1略小于压板EF的斜率s2，通常s2取1：4、1：5或1：6，相应地s1取为1：4.5、1：5.5和1：6.5。检修门槽段C与E点同高程，CD为一空口，宽度约为5倍止水宽度，以便在动水中关闭检修闸门时，能利用门顶水柱迅速下门。压板段EF的长度l应不小于h1，孔顶收缩比一般为h2/h1＝1.1～1.25。

（二）无压明流段

明流段的孔径在水面以上应有足够的安全余幅，在孔轴直线段，当孔身为矩形时，孔顶距水面的高度可取最大流量时不掺气水深的30%～50%；孔顶为圆形时，拱脚距水面高度可取不掺气水深的20%～30%。为使门后水流平顺贴底下泄，泄水孔底坡应与孔口出流水舌底缘一致，通常按抛物线设计，其方程可采用：

为施工方便，无压泄水孔底坡，有时也做成大于临界坡度的直线坡度。

（三）通气孔

检修闸门后的通气孔和平压管设计与有压泄水孔相同。此外，为满足正常泄水时不断补气的要求，还需要在工作门后设置通气孔。无压孔在闸门全开时（有压孔在闸门相对开度0.8时），出现通气量的最大值。通气孔断面积一般不小于工作闸门处孔口断面面积的10%，或按下式估算：

（四）水力计算

无压泄水孔水力计算的任务是验算其泄水能力和确定明流段水面曲线。进口设有压力短管时，无压泄水孔的泄水能力仍可由式（2-74）计算，但因属自由管流，式中的H是自工作闸门处孔口中心线算起的上游库水深，Ac为闸孔处过水断面面积，μ为压力短管段的流量系数，由该段的局部水头损失计算确定。对短有压深孔，取μ＝0.83～0.93。明流段水面曲线可由水力学分段求和法求得。

五、泄水孔的应力分析

泄水孔附近属于三维应力状态，可用三维有限元或结构模型试验进行分析。当泄水孔断面与坝段断面之比相对较小，一般孔径小于孔口中心至坝面最小距离的3倍时，可按弹性理论无限域中的小孔口计算，计算简图见图2-51。计算方法是：先由材料力学方法求出泄水孔中心处在无泄水孔情况下垂直于孔轴的应力σy；沿孔轴在坝体内切出1m厚坝体薄片作为平板考虑，将σy作为均布荷载作用于板上下端；根据弹性理论公式，可直接求得孔口周边的环向和径向应力。对有压泄水孔，除上述应力外，还应计入内水压力引起的周边应力，后者可由弹性理论和结构力学方法求得。