第七节　重力坝的深式泄水孔

位于重力坝中部或底部的泄水孔称为重力坝的深式泄水孔，又称深孔，底部的又叫底孔。由于深水压力的影响，对孔口尺寸、边界条件、结构受力、操作运行等要求十分严格，以便保证泄流顺畅，运用安全。

一、深式泄水孔的分类和作用

深式泄水孔按其作用分为泄洪孔、冲沙孔、发电孔、放水孔、灌溉孔、导流孔等。泄洪孔用于泄洪和根据洪水预报资料预泄洪水，可加大水库的调洪库容；冲沙孔用于排放库内泥沙、减少水库淤积；发电孔用于发电、供水；放水孔用于放空水库，以便检修大坝；灌溉孔要满足农业灌溉要求的水量和水温，取水库表层或取深水长距离输送以达到灌溉所需的水温；导流孔主要用于施工期导流的需要。在不影响正常运用的条件下，应考虑一孔多用，如发电与灌溉结合，放空水库与排沙结合，导流孔的后期改造成泄洪、排沙、放空水库等。城市供水可以单独设孔，以便满足供水水质、高程等要求，也可利用发电、灌溉孔的尾水供水。

深式泄水孔按其流态可分为有压泄水孔和无压泄水孔。发电孔必须是有压流；而泄洪、冲沙、放水、灌溉、导流等可以是有压流也可以是无压流（图2－36和图2－37）。

深式泄水孔按所处的高程不同可分为中孔和底孔；按布置的层数可分为单层泄水孔和多层泄水孔（图2－38）。

二、有压泄水孔设计

有压泄水孔的工作闸门布置在出口处，孔内始终保持满水有压状态。有压深孔孔内流速大、断面较小，工作闸门关闭时，孔内受较大的内水压力，易引起泄水孔周边应力和坝体渗透压力增加，因此，有些孔内衬砌钢板。在有压泄水孔进水口处设置拦污栅和检修闸门或事故闸门，在检修工作闸门和泄水孔时关闭事故闸门，在非泄水期关闭事故闸门，减少孔口受压时间，延长使用寿命。

（一）进水口体形设计

为使水流平顺，减少水头损失，增加泄流能力，避免空蚀，进口形体应尽可能符合流线的规律。有压进水口的形状应与锐缘孔口出流实验曲线相吻合，常用的种类有：①圆形喇叭进水口（用1/4环面）；②三向圆柱面收缩进水口；③三向椭圆曲面收缩进水口。应根据工程规模、重要性来选择。推荐垂直轴线的剖面线方程为

式中　a——椭圆长半轴；

b——椭圆短半轴。

a、b参数变化参考值见表2－16。

对于大、中型，重要的工程采用椭圆曲面，或进行水工模型试验确定；一般小型工程为施工方便，应采用圆柱面、斜圆柱面；圆形泄水孔直接连进水口，用喇叭形环面进水口。矩形进水口的高宽比一般为h/B＝1.5～2（图2－39）。

（二）闸门和闸门槽

有压泄水孔一般在进水口设拦污栅和检修闸门，在出口压坡段后设工作闸门，工作闸门可用弧形闸门，也可用平面闸门，但检修门一般采用平面闸门。支承平面闸门的闸门槽形体设计不当，容易产生空蚀。水流经过闸门槽时，先是扩散，随即收缩，闸门槽内产生漩涡，流速增大时漩涡中心压力减少，造成水流脱壁，导致负压出现，引起空蚀破坏和结构振动。流速越大，越应引起重视。

闸门槽分矩形闸门槽和矩形收缩型闸门槽两种。中小型工程且流速小于10m/s的情况用矩形闸门槽。大、中型工程且流速大于10m/s的情况，为使流态较好，减免空蚀，可采用矩形收缩型闸门槽，如图2－40（b）、（c）所示。

据实验研究成果证明，矩形收缩型闸门槽的尺寸应根据闸门尺寸和轨道布置要求确定，闸门槽的宽深比W/d＝1.6～1.8较好，错距Δ＝（0.05～0.08）W、下游收缩边墙斜率为1∶8～1∶12、圆角半径r＝0.1d比较理想。

（三）深水孔孔身与渐变段

有压泄水孔多数都采用圆形断面，圆形断面在周长相同的情况下过水能力最大，受力条件最好。在进水口，为适应布置矩形闸门的需要，在矩形断面与圆形断面之间需设置足够长的渐变段，又称方圆渐变段，防止洞内局部负压和空蚀。渐变段分进口渐变段和出口渐变段，如图2－41所示。

渐变段的长度应满足断面过渡的需要，一般采用孔身直径的1.5～2.0倍，边壁的收缩率控制在1∶5～1∶8之间。为保证洞内有压，出口断面的矩形面积一般小于洞身圆形面积。

（四）有压泄水孔的出水口

当工作闸门全开，自由泄水时，出口附近1/4～1倍洞径范围内的洞顶出现负压，容易造成气蚀。为了消除负压，出口断面应缩小，一般缩小到泄水孔断面的85%～90%，孔顶降低，孔顶坡比采用1∶10～1∶5。出口断面收缩，既提高了整个泄水孔内的压力，又有利于防止体型变化和洞体表面不平而引起气蚀。

（五）通气孔和平压管

平压管是埋在坝体内部，平衡检修闸门两侧水压以减少启门力的输水管道。通气孔是向检修闸门和工作闸门之间的泄水孔道内充气和排气的通道。

平压管进口设在上游坝面或检修闸门前，在坝体内埋设管路，在廊道内设置控制阀门，与检修闸门后的泄水孔连通。检修闸门只能在静水中关闭和开启，操作步骤是：①关闭工作闸门；②关闭检修闸门；③打开工作闸门，一边泄水，一边进气；④进行工作闸门和泄水孔内维修；⑤维修完毕后，关闭工作闸门；⑥打开平压管控制阀门进水，同时通气孔排气；⑦检修闸门两侧水压平衡后开启检修闸门，进入正常运行状态，事故闸门可在动水中关闭，静水中开启。当发电进水口事故闸门后至发电尾水间出现故障，操作步骤是：①关闭事故闸门；②关闭尾水闸门；③一边排水，一边进气；④进行该段维修；⑤维修完毕后，打开平压管控制阀，一边进水，一边排气；⑥事故闸门两侧水压平衡后开启事故闸门；⑦开启工作闸门进入正常运行。

平压管的直径应根据设计充水时间确定，最长充水时间不超过8h，计算时应把漏水量估算在内。小型工程的平压管流量不大时，可将平压管设在闸门上，有的工程不设平压管，利用检修闸门的小开度充水。通气孔的断面设计一般取泄水孔断面面积的0.5%～1.0%，应大于平压管的过水断面面积，通气孔的下端应布置在靠近闸门之后的最高位置，通气孔的上端进口不允许设在闸门启闭室内，自由通气孔的上端进口应高于上游最高水位。当有适当的检查孔时，可由检查孔代替通气孔。

（六）有压孔的水力计算

有压泄水孔的水力计算任务有两个：①验算泄水能力；②孔内沿程压力分布（也称压坡线）。

（1）泄水能力按管流公式计算。

式中　A、Ac——泄水孔孔身和出水口断面面积，m2；

L——泄水孔的长度，m；

R、ζ——水力半径和局部水头损失系数；

H——库水位与出口水面之间的高差，m；

C——谢才系数；

n——糙率。

（2）孔内沿程压力分布。根据能量方程求出沿程各断面的压强。要求泄水孔的压强不低于2m水柱高，否则应考虑采取处理措施。

三、无压泄水孔设计

无压泄水孔的工作闸门布置在深孔的进口处，使闸门后泄水道内始终保持无压明流。为了防止明满流交替流态发生，需将门后过水断面顶部抬高。由于泄水孔的断面尺寸较大，故对坝体削弱较大。

无压泄水孔在平面上应布置成直线，过水断面多为矩形或城门洞形，一般由压力短管和明流段两部分组成，如图2－42所示。

（一）进口压力短管

进口压力短管部分由进口曲面段、检修闸门槽和门槽后部的压坡段组成。进口曲面段与有压泄水孔进口相同，常用1/4椭圆曲面，其后接一倾斜的平面压坡段，压坡段的坡度常采用1∶4～1∶6，长度约3～6m。压坡段的坡度以既保证顶板有一定的压力，又不影响泄量和工作闸门后的流态为原则，如图2－43所示。

（二）明流段

在任何情况下，必须保证明流段形成稳定的无压流态，严禁明满流交替，故孔顶应有安全超高。明流段为直线且断面为矩形时，顶部到水面的高度可取最大流量时不掺气水深的30%～50%，明流段为直线且断面为城门洞形状时，其拱脚距水面的高度可取不掺气水深的20%～30%。工作闸门后泄槽的底坡可按自由射流水舌底缘曲线设计，通常采用抛物线形状，为了安全，抛物线起点的流速按最大计算值的1.25倍考虑，槽底曲线方程为

式中　x、y——槽底曲线坐标，m；

φ——孔口流速系数，一般取0.90～0.96；若φ＝0.96，则y＝x2/（6H）；

H——工作闸门孔口中心线处作用水头，m。

SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》建议泄水抛物线方程为

式中　θ——抛物线起点（坐标x、y的原点）处切线与水平方向的夹角，当起始段为水平线时，则θ＝0；

v——起点断面平均流速，m/s；

g——重力加速度，9.81m/s2；

K——防止负压产生而采用的安全系数，K＝1.2～1.6，一般取K＝1.6。

（三）泄水通气孔

无压泄水孔的工作闸门布置在上游进口，开闸泄水时，门后的空气被水流带走，形成负压，因此在工作闸门后需要设置通气孔，在泄流时进行补气，通气孔的面积按下式估算：

式中　vw——工作闸门孔口处断面的平均流速，m/s；

A——闸门后泄水孔断面面积，m2；

［va］——通气孔允许风速，m/s，一般取20m/s，最大不超过40m/s，否则会发出巨大响声；

a——通气孔断面面积，m2。