第七節(jié)　重力壩的深式泄水孔

位于重力壩中部或底部的泄水孔稱為重力壩的深式泄水孔，又稱深孔，底部的又叫底孔。由于深水壓力的影響，對孔口尺寸、邊界條件、結(jié)構(gòu)受力、操作運行等要求十分嚴格，以便保證泄流順暢，運用安全。

一、深式泄水孔的分類和作用

深式泄水孔按其作用分為泄洪孔、沖沙孔、發(fā)電孔、放水孔、灌溉孔、導流孔等。泄洪孔用于泄洪和根據(jù)洪水預報資料預泄洪水，可加大水庫的調(diào)洪庫容；沖沙孔用于排放庫內(nèi)泥沙、減少水庫淤積；發(fā)電孔用于發(fā)電、供水；放水孔用于放空水庫，以便檢修大壩；灌溉孔要滿足農(nóng)業(yè)灌溉要求的水量和水溫，取水庫表層或取深水長距離輸送以達到灌溉所需的水溫；導流孔主要用于施工期導流的需要。在不影響正常運用的條件下，應考慮一孔多用，如發(fā)電與灌溉結(jié)合，放空水庫與排沙結(jié)合，導流孔的后期改造成泄洪、排沙、放空水庫等。城市供水可以單獨設孔，以便滿足供水水質(zhì)、高程等要求，也可利用發(fā)電、灌溉孔的尾水供水。

深式泄水孔按其流態(tài)可分為有壓泄水孔和無壓泄水孔。發(fā)電孔必須是有壓流；而泄洪、沖沙、放水、灌溉、導流等可以是有壓流也可以是無壓流（圖2－36和圖2－37）。

深式泄水孔按所處的高程不同可分為中孔和底孔；按布置的層數(shù)可分為單層泄水孔和多層泄水孔（圖2－38）。

二、有壓泄水孔設計

有壓泄水孔的工作閘門布置在出口處，孔內(nèi)始終保持滿水有壓狀態(tài)。有壓深孔孔內(nèi)流速大、斷面較小，工作閘門關(guān)閉時，孔內(nèi)受較大的內(nèi)水壓力，易引起泄水孔周邊應力和壩體滲透壓力增加，因此，有些孔內(nèi)襯砌鋼板。在有壓泄水孔進水口處設置攔污柵和檢修閘門或事故閘門，在檢修工作閘門和泄水孔時關(guān)閉事故閘門，在非泄水期關(guān)閉事故閘門，減少孔口受壓時間，延長使用壽命。

（一）進水口體形設計

為使水流平順，減少水頭損失，增加泄流能力，避免空蝕，進口形體應盡可能符合流線的規(guī)律。有壓進水口的形狀應與銳緣孔口出流實驗曲線相吻合，常用的種類有：①圓形喇叭進水口（用1/4環(huán)面）；②三向圓柱面收縮進水口；③三向橢圓曲面收縮進水口。應根據(jù)工程規(guī)模、重要性來選擇。推薦垂直軸線的剖面線方程為

式中　a——橢圓長半軸；

b——橢圓短半軸。

a、b參數(shù)變化參考值見表2－16。

對于大、中型，重要的工程采用橢圓曲面，或進行水工模型試驗確定；一般小型工程為施工方便，應采用圓柱面、斜圓柱面；圓形泄水孔直接連進水口，用喇叭形環(huán)面進水口。矩形進水口的高寬比一般為h/B＝1.5～2（圖2－39）。

（二）閘門和閘門槽

有壓泄水孔一般在進水口設攔污柵和檢修閘門，在出口壓坡段后設工作閘門，工作閘門可用弧形閘門，也可用平面閘門，但檢修門一般采用平面閘門。支承平面閘門的閘門槽形體設計不當，容易產(chǎn)生空蝕。水流經(jīng)過閘門槽時，先是擴散，隨即收縮，閘門槽內(nèi)產(chǎn)生漩渦，流速增大時漩渦中心壓力減少，造成水流脫壁，導致負壓出現(xiàn)，引起空蝕破壞和結(jié)構(gòu)振動。流速越大，越應引起重視。

閘門槽分矩形閘門槽和矩形收縮型閘門槽兩種。中小型工程且流速小于10m/s的情況用矩形閘門槽。大、中型工程且流速大于10m/s的情況，為使流態(tài)較好，減免空蝕，可采用矩形收縮型閘門槽，如圖2－40（b）、（c）所示。

據(jù)實驗研究成果證明，矩形收縮型閘門槽的尺寸應根據(jù)閘門尺寸和軌道布置要求確定，閘門槽的寬深比W/d＝1.6～1.8較好，錯距Δ＝（0.05～0.08）W、下游收縮邊墻斜率為1∶8～1∶12、圓角半徑r＝0.1d比較理想。

（三）深水孔孔身與漸變段

有壓泄水孔多數(shù)都采用圓形斷面，圓形斷面在周長相同的情況下過水能力最大，受力條件最好。在進水口，為適應布置矩形閘門的需要，在矩形斷面與圓形斷面之間需設置足夠長的漸變段，又稱方圓漸變段，防止洞內(nèi)局部負壓和空蝕。漸變段分進口漸變段和出口漸變段，如圖2－41所示。

漸變段的長度應滿足斷面過渡的需要，一般采用孔身直徑的1.5～2.0倍，邊壁的收縮率控制在1∶5～1∶8之間。為保證洞內(nèi)有壓，出口斷面的矩形面積一般小于洞身圓形面積。

（四）有壓泄水孔的出水口

當工作閘門全開，自由泄水時，出口附近1/4～1倍洞徑范圍內(nèi)的洞頂出現(xiàn)負壓，容易造成氣蝕。為了消除負壓，出口斷面應縮小，一般縮小到泄水孔斷面的85%～90%，孔頂降低，孔頂坡比采用1∶10～1∶5。出口斷面收縮，既提高了整個泄水孔內(nèi)的壓力，又有利于防止體型變化和洞體表面不平而引起氣蝕。

（五）通氣孔和平壓管

平壓管是埋在壩體內(nèi)部，平衡檢修閘門兩側(cè)水壓以減少啟門力的輸水管道。通氣孔是向檢修閘門和工作閘門之間的泄水孔道內(nèi)充氣和排氣的通道。

平壓管進口設在上游壩面或檢修閘門前，在壩體內(nèi)埋設管路，在廊道內(nèi)設置控制閥門，與檢修閘門后的泄水孔連通。檢修閘門只能在靜水中關(guān)閉和開啟，操作步驟是：①關(guān)閉工作閘門；②關(guān)閉檢修閘門；③打開工作閘門，一邊泄水，一邊進氣；④進行工作閘門和泄水孔內(nèi)維修；⑤維修完畢后，關(guān)閉工作閘門；⑥打開平壓管控制閥門進水，同時通氣孔排氣；⑦檢修閘門兩側(cè)水壓平衡后開啟檢修閘門，進入正常運行狀態(tài)，事故閘門可在動水中關(guān)閉，靜水中開啟。當發(fā)電進水口事故閘門后至發(fā)電尾水間出現(xiàn)故障，操作步驟是：①關(guān)閉事故閘門；②關(guān)閉尾水閘門；③一邊排水，一邊進氣；④進行該段維修；⑤維修完畢后，打開平壓管控制閥，一邊進水，一邊排氣；⑥事故閘門兩側(cè)水壓平衡后開啟事故閘門；⑦開啟工作閘門進入正常運行。

平壓管的直徑應根據(jù)設計充水時間確定，最長充水時間不超過8h，計算時應把漏水量估算在內(nèi)。小型工程的平壓管流量不大時，可將平壓管設在閘門上，有的工程不設平壓管，利用檢修閘門的小開度充水。通氣孔的斷面設計一般取泄水孔斷面面積的0.5%～1.0%，應大于平壓管的過水斷面面積，通氣孔的下端應布置在靠近閘門之后的最高位置，通氣孔的上端進口不允許設在閘門啟閉室內(nèi)，自由通氣孔的上端進口應高于上游最高水位。當有適當?shù)臋z查孔時，可由檢查孔代替通氣孔。

（六）有壓孔的水力計算

有壓泄水孔的水力計算任務有兩個：①驗算泄水能力；②孔內(nèi)沿程壓力分布（也稱壓坡線）。

（1）泄水能力按管流公式計算。

式中　A、Ac——泄水孔孔身和出水口斷面面積，m2；

L——泄水孔的長度，m；

R、ζ——水力半徑和局部水頭損失系數(shù)；

H——庫水位與出口水面之間的高差，m；

C——謝才系數(shù)；

n——糙率。

（2）孔內(nèi)沿程壓力分布。根據(jù)能量方程求出沿程各斷面的壓強。要求泄水孔的壓強不低于2m水柱高，否則應考慮采取處理措施。

三、無壓泄水孔設計

無壓泄水孔的工作閘門布置在深孔的進口處，使閘門后泄水道內(nèi)始終保持無壓明流。為了防止明滿流交替流態(tài)發(fā)生，需將門后過水斷面頂部抬高。由于泄水孔的斷面尺寸較大，故對壩體削弱較大。

無壓泄水孔在平面上應布置成直線，過水斷面多為矩形或城門洞形，一般由壓力短管和明流段兩部分組成，如圖2－42所示。

（一）進口壓力短管

進口壓力短管部分由進口曲面段、檢修閘門槽和門槽后部的壓坡段組成。進口曲面段與有壓泄水孔進口相同，常用1/4橢圓曲面，其后接一傾斜的平面壓坡段，壓坡段的坡度常采用1∶4～1∶6，長度約3～6m。壓坡段的坡度以既保證頂板有一定的壓力，又不影響泄量和工作閘門后的流態(tài)為原則，如圖2－43所示。

（二）明流段

在任何情況下，必須保證明流段形成穩(wěn)定的無壓流態(tài)，嚴禁明滿流交替，故孔頂應有安全超高。明流段為直線且斷面為矩形時，頂部到水面的高度可取最大流量時不摻氣水深的30%～50%，明流段為直線且斷面為城門洞形狀時，其拱腳距水面的高度可取不摻氣水深的20%～30%。工作閘門后泄槽的底坡可按自由射流水舌底緣曲線設計，通常采用拋物線形狀，為了安全，拋物線起點的流速按最大計算值的1.25倍考慮，槽底曲線方程為

式中　x、y——槽底曲線坐標，m；

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

H——工作閘門孔口中心線處作用水頭，m。

SL 319—2005《混凝土重力壩設計規(guī)范》建議泄水拋物線方程為

式中　θ——拋物線起點（坐標x、y的原點）處切線與水平方向的夾角，當起始段為水平線時，則θ＝0；

v——起點斷面平均流速，m/s；

g——重力加速度，9.81m/s2；

K——防止負壓產(chǎn)生而采用的安全系數(shù)，K＝1.2～1.6，一般取K＝1.6。

（三）泄水通氣孔

無壓泄水孔的工作閘門布置在上游進口，開閘泄水時，門后的空氣被水流帶走，形成負壓，因此在工作閘門后需要設置通氣孔，在泄流時進行補氣，通氣孔的面積按下式估算：

式中　vw——工作閘門孔口處斷面的平均流速，m/s；

A——閘門后泄水孔斷面面積，m2；

［va］——通氣孔允許風速，m/s，一般取20m/s，最大不超過40m/s，否則會發(fā)出巨大響聲；

a——通氣孔斷面面積，m2。