2.3 泄洪消能
2.3.1 泄洪消能布置特点
碾压混凝土重力坝由于其浇筑施工主要是采用大仓面分层碾压方式，为适应并充分发挥其施工速度快的特点，其泄洪消能布置也与常规混凝土重力坝有所区别。其泄水建筑物布置主要有以下特点：
（1）泄水建筑物布置相对独立，尽可能减少与大坝碾压混凝土施工的干扰。
（2）泄水建筑物一般采用常态混凝土，坝身泄水孔口布置要尽可能减少对碾压施工的影响，尤其要防止竖向影响范围过大，这对快速碾压施工极为重要；平面上集中布置。如采用表孔集中布置。
（3）泄水建筑物结构及材料分区要相对简单，并尽可能实现常态与碾压混凝土同步浇筑，防止分开浇筑带来的施工冷缝或薄弱结合面。如采用台阶溢流坝面等。
2.3.2 泄洪消能布置方式
泄洪消能方式的选择，应根据地形地质条件、泄流条件、运行方式、下游水深及河床抗冲能力、下游水位衔接、泄洪雾化及其对其他建筑物的影响等，通过技术经济比较选定。
碾压混凝土重力坝枢纽泄洪主要有坝身和岸边两种泄洪方式。一般来说，应首选坝身泄洪方式。当坝址河谷狭窄，建筑物布置紧张，或者大坝下游岩体抗冲刷能力弱或两岸山体稳定性差，为保证大坝泄洪安全，需要将洪水输送到远离坝脚的下游时，则采用岸边泄水设施，如岸边溢洪道或泄洪洞等。
1.坝身泄洪及消能工布置
坝身泄水主要型式有表孔、中孔、深孔或底孔。开敞式溢流表孔具有泄洪能力大、超泄能力强、便于排污、闸门开启和检修方便等优点，一般用表孔承担泄洪任务；中孔、深孔主要用于泄洪、冲排沙，底孔一般用来放空水库，并在施工期承担导流或向下游供水任务。为便于碾压混凝土施工，一般应尽量减少坝身孔口的层数，中孔、深孔或底孔多采用平底型式。
碾压混凝土重力坝坝身泄洪的消能工型式与常态混凝土重力坝基本相同，可因地制宜选用。消能工型式包括挑流、消力池、挑流+消力池、宽尾墩+消力池、宽尾墩+戽式消力池、台阶坝面与宽尾墩+消力池（戽）等。
挑流消能适用于岩石地基的高中水头枢纽，坝身表孔泄洪一般先考虑采用挑流消能。例如，光照碾压混凝土重力坝表孔采用不同挑角的挑坎窄缝式挑流消能（图2.3.1）。为了提高消能效率，挑流消能常与其他消能方式结合，形成联合消能工型式，使泄流水舌能在空中自身消能，并沿河床纵向拉开。
设有船闸等对流态有严格要求枢纽，或当大坝下游河道地质条件较差或两岸存在不稳定地质体时，为避免挑流带来的冲刷破坏，坝身泄水建筑物可采用底流等消能方式。如索风营、思林、沙沱水电站采用了宽尾墩+台阶坝面+消力池的底流消能型式。
索风营大坝下游左岸沿河分布有一规模较大的堆积体，泄洪及雾化对堆积体的稳定影响较大，经技术经济比较并通过水力学模型试验研究后决定采用“宽尾墩+台阶坝面+消力池”的底流消能方式，如图2.3.2所示。
沙沱枢纽右岸布置有通航建筑物，大坝下游航道通航时对水流流速和波浪等流态有严格控制，因此其泄水表孔采用底流消能方式，如图2.3.3所示。
对于碾压混凝土重力坝，为了简化溢流面施工，加快施工进度，溢流坝面常采用台阶形式。在不改变“宽尾墩+戽式消力池”消能工水力特性的基础上，形成了“宽尾墩+台阶式溢流面+戽式消力池”联合消能工。索风营、思林、沙沱等水电站都采用了台阶式溢流面联合消能工。索风营水电站还首次研究并采用了X形宽尾墩，与台阶式溢流面和消力池一起使用，消能率更高，效果更好。
图2.3.1 光照水电站坝身表孔和底孔布置图
图2.3.2 索风营水电站表孔消能工布置图
图2.3.3 沙沱水电站表孔消能工布置图
2.岸边溢洪道、泄洪洞及消能工布置
岸边溢洪道布置需要考虑自然地形条件、工程特点、枢纽布置、施工及运行条件、经济指标等。一般当坝址具有合适布置岸边溢洪道的地形地质条件，开挖工程量小且无高边坡稳定问题时，可研究岸边溢洪道布置方案，如需要也可辅以坝身孔口泄水的方式。
岸边溢洪道出口一般采用挑流消能。如果挑流引起的冲刷、雾化可能威胁到两岸边坡的稳定，或下游的冲刷淤积对大坝安全和电站正常运行影响较大时，需要研究采取其他消能方式，如底流消能或联合消能工。
碾压混凝土重力坝枢纽采用岸边泄洪洞一般仅作为辅助泄洪设施。深山峡谷地区修建的大坝，常采用隧洞导流，导流任务完成后，将导流洞改建成排沙洞、放空洞、尾水洞、灌溉洞、发电洞等，其中把导流洞改建成泄洪洞经济效益最大。以往导流洞改建泄洪洞大都采用洞外消能方式，但由于导流洞出口低、水头大，流速高，不仅易造成洞内磨蚀和空蚀破坏，还易造成出口与下游水面衔接困难、改建施工期紧张和高水头闸门制造困难，为此国内外一些工程开展了洞内消能工的研究并应用于工程实践，已取得了一些成功经验。
贵阳院设计的碾压混凝土重力坝枢纽泄水建筑物布置特征见表2.3.1。
表2.3.1 部分碾压混凝土重力坝枢纽泄水建筑物特征表
2.3.3 泄水建筑物布置设计
1.溢流坝布置设计
碾压混凝土重力坝和常态混凝土重力坝的溢流坝断面体型设计基本相同，溢流坝段的基本断面为梯形（或截顶三角形），根据水流情况，修改为实用断面。溢流表孔的堰面曲线包括堰顶上游曲线段、堰顶下游曲线段、斜线段和反弧段组成，堰面曲线反弧段后与护坦或挑流鼻坎相连，各段间通常采用切线连接。开敞式溢流堰堰面曲线的设计可参考《混凝土重力坝设计规范》附录A。为使水流平顺和减小负压，避免空蚀，溢流表面需考虑表面平整和抗冲耐磨的要求，在修建碾压混凝土坝时，通常是在溢流表孔上游面、堰顶和溢流面均采用一定厚度的常态混凝土包裹。溢流坝上游坝坡根据坝体稳定和强度条件与非溢流坝段同样原理确定，一般无特殊要求时，可与非溢流坝段坡度相同，这样使两种坝段连接时坝内止水设备和廊道布置均可简化，而且可以避免在个别坝段上由于承受不平衡侧向水压力而产生侧向拉应力。因此，设计非溢流坝段的断面时，应与溢流坝段统一考虑，碾压混凝土重力坝在体型上应力求简单。
贵阳院部分碾压混凝土重力坝工程的溢流坝上、下游坝坡见表2.3.2。根据经验，上游坝坡宜采用1∶0～1∶0.25，下游坝坡宜采用1∶0.6～1∶0.8。碾压混凝土溢流坝闸墩等设计与常态混凝土重力坝相同。
表2.3.2 部分碾压混凝土重力坝溢流坝上、下游坝坡
2.宽尾墩和台阶溢流面
“宽尾墩”和“台阶溢流面”在混凝土重力坝中可单独使用，但“宽尾墩+台阶溢流面”是碾压混凝土重力坝发展过程中的新增产物。碾压混凝土重力坝溢流表孔的消能，除常用的泄洪消能型式外，国内水东、大朝山碾压混凝土坝设计中采用了台阶式消能工，泄洪运行中两座坝的单宽流量分别到达108m3/（s·m）和200m3/（s·m），泄洪后检查，混凝土表面均完好无损。贵阳院在索风营、思林等坝的设计中也采用了这种台阶坝面泄洪消能形式，单宽流量分别到达245m3/（s·m）和358m3/（s·m），运行良好。
台阶溢流面与宽尾墩联合的消能工，是在宽尾墩消能工的基础上，适应碾压混凝土快速施工和大面积通仓浇筑的需要，开发出的新型溢流面型式。特别是在在大单宽流量、深尾水条件下，是值得推荐的一种经工程实践证明合理的泄洪消能布置。该型式将下游溢流面做成台阶面并在施工中一次成型，形成永久过流结构，取代以往在坝面先形成台阶再浇筑约3m厚的高强度等级混凝土防冲层（两次成型的施工工艺），达到缩短工期节约投资的目的。
与台阶溢流面配套使用的宽尾墩目前有两种形式，即Y形和X形宽尾墩。较早工程如大朝山等采用Y形宽尾墩，X形宽尾墩是在索风营工程率先研究并使用，其消能率更高，如图2.3.4所示。
（1）X形宽尾墩体型及布置原则。X形宽尾墩体型及其在堰面上相对位置主要根据以下原则确定：第一，宽尾墩不能对堰面的过流能力产生太大影响；第二，宽尾墩在台阶坝面所形成的纵向拉开水舌要适应不同下泄流量范围与消力池消能的要求；第三，宽尾墩底部体型要满足台阶面消能，以及台阶面与宽尾墩本身防空蚀破坏的要求。
Y形与X形宽尾墩体型比较如图2.3.5所示。对X形宽尾墩体型图2.3.5（b）进行划分后发现，上述三条原则其实就是对X形宽尾墩体型上、中、下三部分设计原则的具体要求。其中第一条对上部顶面123的设计提出了要求；第二条对2354面的设计提出了要求；第三条对456面及456面与堰面上的7点之间的位置关系提出了具体要求。
图2.3.4 索风营X形宽尾墩结构
图2.3.5 宽尾墩体型详图
（2）联合消能工的适宜应用范围。碾压混凝土重力坝的台阶溢流面为永久过流结构，宽尾墩使水流收缩形成射流并纵向拉开，墩后水舌下缘沿台阶形成滑行流。台阶溢流面对宽尾墩产生的纵向拉开片状水舌下缘具有摩阻作用，可降低水舌下缘的流速，同时相邻闸孔间的闸墩后坝面无水区，可向水舌下缘的台阶漩涡区通气，起到防止水流空化的作用。碾压混凝土重力坝采用宽尾墩联合消能工的适宜应用范围如下：
1）对于高坝，表孔溢流坝段的单宽流量（以消力池宽度计，下同）范围为100～260m3/s。
2）对于中坝，表孔溢流坝段的单宽流量的适用范围为80～140m3/s。
3）表征下游尾水水深程度的参数hd/Pd的范围为0.28～0.85。hd为下游水位与消力池底板高程之差，Pd为堰顶与池底板间的高差（下游侧有效坝高）。
台阶高度应根据碾压混凝土施工工艺和水力学条件合理选定。台阶高度应为碾压混凝土每层厚度的倍数，通常为0.6～1.2m，台阶宽度按坝下游面的坡比依台阶高度按比例确定。布置在宽尾墩末端第一级台阶的高度，可适当高于坝面上的台阶高度，以使出宽尾墩水舌下缘形成掺气空腔；为使水流在坝面上衔接平顺，第一级台阶高度不宜超过2.0m。根据施工和结构需要，台阶可布置在坝下游坡平均线内侧（内凹型）或外侧（外凸型）。为防止因长期受水流或漂浮物冲击产生局部破损，台阶边缘宜做成45°倒角斜面。
溢流面台阶末端可取消反弧段，沿下游坝坡面一直做到池底板，也可在台阶末端与池底板间用小半径圆弧连接。
台阶可采用变态混凝土。变态混凝土中水泥浆的水灰比应不大于大坝碾压混凝土的水胶比；台阶混凝土的力学指标应与常态混凝土C9025相当。变态混凝土的范围应大于台阶宽度，以确保上下层面的结合。台阶变态混凝土内可不设钢筋。当台阶过流频繁，有漂浮物从表孔排出，或处于寒冷地区等情况时，也可在台阶内配构造钢筋。
部分碾压混凝土坝台阶溢流面的尺寸见表2.3.3。
表2.3.3 部分碾压混凝土坝工程溢流面台阶尺寸
碾压混凝土重力坝采用宽尾墩台阶溢流面联合消能，应通过水工模型试验验证，必要时还应进行专门研究。
3.消力池
当泄水建筑物采用底流消能时，宜设置消力池进行消能。
消力池的形式和轮廓尺寸必须考虑下游水深（t）与第二共轭水深（h2）的适应情况进行选择和设计，当然还要考虑建筑物本身情况（体型、水头、流量）以及河床的地质情况。消力池的底板高程一般应满足t≥h2，当不满足时可考虑降低池底高程或在消力池末端设高尾坎，消力池长度可按有关水力学公式进行初步计算。但较重要和复杂的工程消力池需通过水工模型试验最终确定。
对于宽尾墩+台阶面联合消能的工程而言，一般大、中单宽泄洪时，台阶面消能作用都比较小，其消能还是以宽尾墩+消力池为主，虽然一些尾水深度较大的工程可能不需要消力池。但对于大部分宽尾墩+消力池联合消能的工程，消力池不但是必需的，而且消力池体型的合理性也非常重要。
表2.3.4是贵阳院已建或在建工程以宽尾墩+消力池为主要消能工的消力池特征参数。从表中可以看出，随着单宽流量、尾水深度的变化，不同工程消力池长度、尾坎形式、尾坎高度等体型采用不同型式。
表2.3.4 部分宽尾墩+消力池联合消能工程的消力池参数
另外，消力池底板可结合基础条件、检修条件、底板厚度等情况，研究采用透水底板还是采用不透水底板。当基础岩基条件较好和检修条件允许时，可考虑采用相对简单的透水式底板。
4.挑流消能工
中、高水头的泄水建筑物，可用挑流鼻坎形式将水流抛射到空中，让水舌在较远处落入河槽。挑流消能目的一是将水流尽量挑离建筑物，二是利用水舌在空中和下游水垫中消能，同时要求冲刷坑不危及建筑物的安全。挑流消能工程量少，对具有一定水头的泄水建筑物，且下游地质条件较好，下游建筑物对泄流雾化控制和对尾水波动要求不高时，采用此种消能方式比较经济。
挑流消能工的形式很多，挑流鼻坎有连续鼻坎、差动鼻坎、贴角鼻坎和舌形鼻坎等，泄槽有等宽和窄缝，应根据坝址的地形地质条件和工程要求并通过水力学模型试验选择。
光照工程水头高、洪量大，地质条件相对较好，因此采用挑流消能方式。由于河谷狭窄，为减少水流冲刷两岸和能量集中，泄流表孔采用了窄缝挑流消能工形式。结合地形地质特点，石垭子水电站大坝表孔采用了燕尾墩挑流消能工新型式。
5.抗冲磨材料与分区
高速水流泄水建筑物过流面一般可采用钢衬或抗冲耐磨材料或高强度混凝土等，根据水头、流速、含沙量、结构复杂程度等综合研究确定。从国内一些工程泄水建筑物的破坏情况分析，很大一部分是由于抗冲磨混凝土分区不当造成的，主要表现为以下几个方面：
（1）结构表层抗冲磨混凝土与相邻的大体积混凝土强度等级级差过大，造成两种混凝土变形、温升等特性差异较大，从而使接触面容易脱开。一般建议两种混凝土强度等级差控制在15以内为宜。
（2）表层抗冲磨混凝土与相邻的大体积混凝土分开浇筑，结合面质量难以控制。建议有条件时最好一起浇筑；当必须分开浇筑时，要严格控制结合面的结合质量（如加强凿毛处理、布置连接插筋、涂缝面黏结剂等）。
抗冲磨、材料分区主要经验：
1）混凝土抗冲磨材料。掺硅粉混凝土、HF混凝土、环氧胶泥涂层等。
2）混凝土分区。在过流面设置50～100cm厚的抗冲磨混凝土。当与过流面相连的泄水建筑物结构不大时，亦可全部采用抗冲磨混凝土。
3）抗冲磨混凝土施工。一种方法是表层抗冲磨混凝土与本体混凝土分开浇筑，连接缝面设插筋和凿毛等处理。另一种方法是表层抗冲磨混凝土与本体混凝土同步浇筑，不存在缝面问题。
贵阳院设计的部分工程抗冲磨混凝土材料及浇筑方式见表2.3.5。
表2.3.5 部分碾压混凝土重力坝泄水建筑物抗冲磨材料特性
2.3.4 碾压混凝土重力坝泄水建筑物工程实例
索风营大坝为全断面碾压混凝土重力坝，坝址河谷狭窄，洪水流量大，泄洪布置困难，其泄水建筑物为坝身表孔形式，采用了X形宽尾墩+台阶溢流面+消力池的联合消能工，X形宽尾墩在索风营工程的首次应用，消能效果良好。本节简要介绍索风营水电站泄水建筑物的布置设计。
1.工程概况
索风营水电站位于贵州省修文县、黔西县交界的乌江中游六广河段，其上、下游分别与已建的东风水电站和乌江渡水电站衔接，距贵阳市82km，交通极为方便。工程以发电为主，在电力系统中承担调峰、调频、事故备用等任务。水库正常蓄水位837m，死水位822m，水库总库容2.012亿m3，为日调节水库；电站装机3台，总装机容量600MW，保证出力166.9MW，年平均发电量20.11亿kW·h。
工程枢纽由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、右岸引水系统及地下厂房等组成。索风营工程为Ⅱ等大（2）型工程，主要建筑物大坝、泄洪及引水发电系统按2级建筑物设计，大坝校核洪水标准为1000年一遇，相应入库洪峰流量16300m3/s，最大下泄流量15956m3/s。
大坝由左右岸挡水坝段和河床溢流坝段组成，坝顶全长164.58m，其中左、右岸挡水坝段长度分别为46.82m和34.76m，河床溢流坝段长83m。坝顶高程843.80m，最大坝高115.8m，最大底宽97m。挡水坝段上游面780m高程以下为1∶0.25的坝坡、下游面坝坡1∶0.70，坝顶宽8m。
泄水建筑物采用溢流表孔型式，共设5个泄洪表孔，每孔净宽13m，闸墩厚3m，堰顶高程818.5m，堰面采用WES曲线，经斜线段后与反弧段相连，后接消力池。表孔设5扇13m×19m（宽×高）的弧形工作闸门和一扇平板检修闸门。闸墩采用新型X形宽尾墩，与台阶溢流坝面和消力池进行联合消能。溢流表孔布置如图2.3.6示。
图2.3.6 溢流表孔剖面图
2.溢流面及闸墩
泄洪表孔布置在河床部位，每孔净宽13m，闸墩宽3.0m，溢流前沿总宽83m，堰顶高程818.50m，堰上设13m×19m （宽×高）的弧形工作闸门各一扇，5孔共用一扇平板检修闸门，闸墩间在弧门支座上部设置一道横向联系梁。溢流堰面按幂曲线与下游坝坡1∶0.85相接，溢流堰原点上游用三圆弧与上游坡相接；下游采用底部留缺口的X形宽尾墩和台阶溢流面+消力池的消能方式。
（1）堰面体型。堰面曲线原点与坝轴线重合，堰顶原点上游曲线采用三段圆弧，三段弧与上游坝面交点高程为815.78m。表孔堰顶下游曲线采 WES幂曲线，曲线方程为y=0.03918x1.85。堰面曲线从堰顶距下游26.54m处起为1∶0.85的斜线段，从堰顶距下游30.25m处起往下游为台阶溢流坝面，总体坡度为1∶0.7。
（2）闸墩体型。根据水工模型试验，表孔闸墩中墩墩头半径采用1.5m的半圆，为减少两边孔水流侧收缩，边墩墩头与中墩不同，长度比中墩向上游长出2.2m，厚度为5.4m，墩头为不对称状，外侧为半径2.2m的1/4圆弧，内侧采用1/4椭圆曲线。表孔闸墩墩头体型如图2.3.7所示。
图2.3.7 表孔闸墩平面布置图（单位：cm）
（3）宽尾墩体型。经研究表孔出口闸墩采用X形宽尾墩，即在Y形墩基础上，在宽尾墩下部靠溢流面处也开口，开口形式与上部基本相同，该型式宽尾墩过流断面形如X形，其结构尺寸采用了水工模型试验的成果，闸墩下游立视如图2.3.8所示。
图2.3.8 表孔闸墩下游立视图（单位：cm）
该体型具有以下优点：①小流量过流时，台阶坝面大面积过水，充分发挥台阶坝面的消能作用；②大流量过流时，下部开口过一部分水流，宽尾墩中上部过一部分水流，下部水流对上部宽尾墩纵向拉开的水舌产生一定的上托作用，既可减小宽尾墩过流时台阶坝面出现的负压，又可避免水流集中对台阶坝面的冲蚀作用；③减小了宽尾墩纵向拉开水舌下落时对消力池底板的冲击力；④出宽尾墩片状水舌流量减小，对下游岸坡的雾化影响也相应减弱。
X形宽尾墩出口水流最小宽度为6m，宽尾墩平面长度为10m，收缩比为6/13=0.46。宽尾墩结构如图2.3.9所示。
图2.3.9 宽尾墩结构图（高程：m，尺寸：cm）
3.台阶
台阶溢流面起始桩号为坝纵0+030.25m，上接坡度为1∶0.85的斜坡堰面，为内陷式台阶。第一级台阶高度为1.46m，以后各级台阶高均为1.20m，台阶宽度为0.84m，共47级台阶，末级台阶面高程740.60m，后经半径8.44m的反弧段与消力池底板737m高程相连。台阶溢流面采用变态混凝土。
为边孔泄流时台阶面掺气和补气，在第一级台阶两侧导墙内分别设置直径为80cm的通气孔，通气孔下部高程为795.80m，与第一级台阶面同高。
4.消力池
消力池起始桩号为坝纵0+089.76m，末端桩号为坝纵0+179.99m，消力池中心线长度90.23m。由45.65m长直线段、31.86m长圆弧段、12.72m长尾坎段组成。消力池净宽77m，消力池池底高程737.00m，底板按透水衬砌设计，厚度2m。消力池两侧760m高程以下为垂直边墙，厚度2.5m，760～785m高程采用混凝土贴坡护面，厚度1.0m。消力池尾坎顶高程747.00m，高10m，顶宽3m，下游坡1∶0.5，上游面垂直。
消力池垂直水流方向设5条缝，顺水流方向设3条缝。消力池底板和边墙分缝面不做任何处理，尾坎分缝设塑料止水带，防止消力池检修时下游水倒灌。
消力池底板及边墙均设置排水孔。底板排水孔直径φ76mm，间排距600cm×600cm，呈方形布置，孔深5m，孔内布置φ60mm塑料盲管。边墙排水孔直径φ56mm，间排距300cm×300cm，呈方形布置，孔深5.5m，孔内布置φ40mm塑料盲管。
消力池底板设置锚杆，锚杆直径φ25mm，长9m，外露1m，深入基岩8m，间排距300cm×300cm，呈梅花形布置。锚杆与底板钢筋焊接。
建成后的索风营X形宽尾墩如图2.3.10所示。
图2.3.10 索风营水电站X形宽尾墩照片