一、溢流坝
（一）工作特点
溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物，除应满足稳定和强度要求外，还需要满足泄流能力的要求。溢流坝在枢纽中的作用是将规划确定的库内所不能容纳的洪水由坝顶泄向下游，以确保大坝的安全。溢流坝满足泄水要求包括以下几个方面内容。
（1）有足够的孔口尺寸和较大的流量系数，以满足泄洪能力要求。
（2）体型和流态良好，使水流平顺地流过坝体，控制不利的负压和振动，避免产生空蚀现象。
（3）满足消能防冲要求，保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲刷。
（4）溢流坝段在枢纽中的布置，应使下游流态平顺，不产生折冲水流，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行。
（5）有灵活控制水流下泄的机械设备，如闸门、启闭机等。
（二）孔口设计
溢流坝孔口尺寸的拟定包括孔口型式、溢流前缘总长度、堰顶高程、每孔尺寸和孔数。设计时一般先选定泄水方式，再根据泄流量和允许单宽流量，以及闸门形式和运用要求等因素，通过水库的调洪计算、水力计算，求出各泄水布置方案的防洪库容、设计和校核洪水位及相应的下泄流量等，进行技术经济比较，选出最优方案。
1.孔口型式的选择
溢流坝常用的孔口型式有坝顶溢流式和大孔口溢流式。
（1）坝顶溢流式（图4-1）。坝顶溢流式也称开敞式，这种形式的溢流孔除宣泄洪水外，还能用于排除冰凌和其他漂浮物。通常在大中型工程溢流坝的堰顶装有闸门，对于洪水流量较小、淹没损失不大的小型工程堰顶可不设闸门。
坝顶溢流式闸门承受的水头较小，所以孔口尺寸可以较大。当闸门全开时，下泄流量与堰上水头H0的3/2次方成正比。随着库水位的升高，下泄流量可以迅速增大，当遭遇意外洪水时可有较大的超泄能力。闸门在顶部，操作方便，易于检修，工作安全可靠，因此坝顶溢流式得到广泛采用。
（2）大孔口溢流式（图4-2）。泄水孔的上部设置胸墙，堰顶高程较低。这种形式的溢流孔可根据洪水预报提前放水，以便腾出较多库容储蓄洪水，从而提高调洪能力。当库水位低于胸墙时，泄流和坝顶溢流式相同；当库水位高出孔口一定高度时为大孔口泄流，下泄流量与作用水头H0的1/2次方成正比，超泄能力不如坝顶溢流式。胸墙为钢筋混凝土结构，一般与闸墩固接，也有做成活动的，遇特大洪水时可将胸墙吊起以提高泄水能力。
图4-1 坝顶溢流式（单位：m）
1—门机；2—工作闸门
图4-2 大孔口溢流式（单位：m）
1—门机；2—工作闸门；3—检修闸门
2.溢流孔口尺寸的确定
（1）单宽流量的确定。设L为溢流段净长度（不包括闸墩的厚度），则通过溢流孔口的单宽流量q为：
单宽流量是决定孔口尺寸的重要指标。单宽流量愈大，孔口净长愈小，从而减少溢流坝长度和交通桥、工作桥等造价。但是，单宽流量愈大，单位宽度下泄水流所含的能量也愈大，消能愈困难，下游局部冲刷可能愈严重。若选择过小的单宽流量q，则会增加溢流坝的造价和枢纽布置上的困难。因此，单宽流量的选定，一般首先考虑下游河床的地质条件，在冲坑不危及坝体安全的前提下选择合理的单宽流量。根据国内外工程实践得知：软弱基岩常取q=20～50m3/（s·m），较好的基岩取q=50～70m3/（s·m），特别坚硬完整的基岩取q=100～150m3/（s·m）。
（2）孔口尺寸的确定。
1）溢流前缘总长度L0。对于堰顶设闸门的溢流坝，用闸墩将溢流段分隔为若干个等宽的溢流孔口。设孔口数为n，则孔口净宽b=L/n。令闸墩厚度为d，则溢流前缘总长度L0为：
选择n、b时，要综合考虑闸门的形式和制造能力，闸门跨度与高度的合理比例，以及运用要求和坝段分缝等因素。我国目前大、中型混凝土坝的孔口宽度一般取用8～16m，有排泄漂浮物要求时，可以加大到18～20m。闸门的宽高比，一般采用b/H=1.5～2.0左右。为了方便闸门的设计和制造，应尽量采用《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74—2013）推荐的标准尺寸。
2）溢流坝的堰顶高程。由调洪演算得出设计洪水位和相应的下泄流量Q。当采用开敞式溢流时，可利用式（4-3）计算出堰顶水头H0。
式中 Q——下泄流量，m3/s；
L——溢流段净长度，m；
H0——堰顶作用水头，m；
g——重力加速度，9.81m/s2；
m——流量系数，与堰型有关；
ε——侧收缩系数，根据闸墩厚度和墩头形状确定，取ε=0.90～0.95；
σs——淹没系数，视淹没程度而定，不淹没时σs=1.0。
设计洪水位减去堰上水头H0即为堰顶高程。
当采用大孔口泄洪时，可利用式（4-4）计算出堰顶水头H0。
式中 Ak——出口处孔口面积，m2；
H0——自由出流时为孔口中心处的作用水头，淹没泄流时为上下游水位差，m；
μ——孔口或管道的流量系数，对设有胸墙的堰顶高孔，当H0/D=2.0～2.4（D为孔口高度）时，取μ=0.83～0.93。μ的具体取值应通过计算沿程及局部水头损失后确定，具体公式详见水力学。
3.溢流坝的结构布置
（1）闸门和启闭机。水工闸门按其功用可分为工作闸门、事故闸门和检修闸门。工作闸门用来控制下泄流量，需要在动水中启闭，要求有较大的启门力；检修闸门用于短期挡水，以便对工作闸门、建筑物及机械设备进行检修，一般在静水中启闭，启门力较小；事故闸门是在建筑物或设备出现事故时紧急应用，要求能在动水中快速关闭。溢流坝一般只设置工作闸门和检修闸门。工作闸门常设在溢流堰的顶部，有时为了使溢流面水流平顺，可将闸门设在堰顶稍下游一些。检修闸门和工作闸门之间应留有1～3m的净距，以便进行检修。全部溢流孔通常备有1～2个检修闸门，交替使用。
启闭机有活动式和固定式两种。活动式启闭机多用于平面闸门，可以兼用启吊工作闸门和检修闸门。固定式启闭机有螺杆式、卷扬式和液压式三种。
（2）闸墩和工作桥。闸墩的作用是将溢流坝前缘分隔为若干个孔口，并承受闸门传来的水压力（支承闸门），也是坝顶桥梁和启闭设备的支承结构。
闸墩的断面形状应使水流平顺，闸墩上游端常采用三角形、半圆形和流线型，下游端多为半圆形和流线型，以使水流平顺扩散。闸墩厚度与闸门形式有关。由于平面闸门的闸墩设有闸槽，工作闸门槽深一般不小于0.3m，宽0.5～1.0m，最优宽深比宜取1.6～1.8；检修门槽深一般为0.15～0.25m，宽0.15～0.3m，故闸墩厚度一般为2.0～4.0m；弧形闸门闸墩的厚度为1.5～3.0m。如果是缝墩，墩厚要增加0.5～1.0m。
闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求，见图4-3。
图4-3 溢流坝顶布置图
1—公路桥；2—门机；3—启闭机；4—工作桥；5—便桥；6—工作门槽；7—检修门槽；8—弧形闸门
溢流坝两侧设边墩，也称边墙或导水墙，起闸墩的作用，同时也起分隔溢流段和非溢流段的作用，见图4-4。边墩从坝顶延伸到坝趾，边墙高度由溢流水面线决定，并应考虑溢流面上水流的冲击波和掺气所引起的水面增高，一般应高出掺气水面1～1.5m。当采用底流式消能工时，边墙还需延长到消力池末端形成导水墙。
工作桥多采用钢筋混凝土结构，大跨度的工作桥也可采用预应力钢筋混凝土结构。工作桥的平面布置应满足启闭机械的安装和运行的要求。
（3）横缝的布置。溢流坝段的横缝有两种布置方式：①缝设在闸墩中间，如图4-5（a）所示，各坝段产生不均匀沉陷时不影响闸门启闭，工作可靠，缺点是闸墩厚度增大；②缝设在溢流孔跨中，如图4-5（b）所示。闸墩可以较薄，但易受地基不均匀沉陷的影响，且水流在横缝上流过，易造成局部水流不顺，适用于基岩较坚硬完整的情况。
图4-4 边墙和导水墙
1—溢流坝；2—水电站；3—边墙；4—护坦
（三）溢流面曲线和剖面设计
1.溢流面曲线(https://www.daowen.com)
溢流面曲线由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段3部分组成，如图4-6所示。设计要求是：①有较高的流量系数；②水流平顺，不产生空蚀。
图4-5 溢流坝段横缝布置图
（a）缝设在闸墩中间；（b）缝设在溢流孔跨中
图4-6 溢流面曲线组成图
1—顶部曲线段；2—直线段；3—反弧段；4—基本剖面；5—溢流水舌
顶部曲线段的形状对泄流能力和流态有很大的影响。《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2005）推荐，当为开敞式溢流孔时可采用WES幂曲线。堰面曲线方程如下：
式中 Hd——定型设计水头，取堰顶最大作用水头Hmax的75%～95%；
K、n——与上游面倾斜坡度有关的参数，当上游面垂直时K=2.0，n=1.85；
x、y——以溢流坝顶点为坐标原点的坐标，x以指向下游为正，y以向下为正。
坐标原点的上游段采用复合圆弧或椭圆曲线，椭圆曲线方程式为：
式中 aHd、bHd——椭圆曲线的长轴和短轴。
若上游面铅直，a、b可按下式选取：
图4-7 大孔口溢流面曲线
设有胸墙的溢流面曲线如图4-7所示。当校核洪水情况下最大作用水头与孔口高度比值Hmax/D＞1.5时或闸门全开仍属孔口出流时，可按孔口射流曲线设计：
式中 Hd——定型设计水头，取孔口中心至校核洪水位的75%～95%；
φ——孔口收缩断面上的流速系数，一般取φ=0.96，若有检修门槽时φ=0.95。
若1.2＜Hmax/D≤1.5，则堰面曲线应通过试验确定。
2.反弧段
反弧段是使沿溢流面下泄水流平顺转向的工程设施，要求沿程压力分布均匀，不产生负压和不致引起有害的脉动压力。通常采用圆弧曲线，其反弧半径R=（4～10）h，h为校核洪水闸门全开时反弧最低点的水深。反弧最低点的流速愈大，要求反弧半径愈大。当流速小于16m/s时，取下限；流速大时，宜采用较大值。当采用底流消能，反弧段与护坦相连时，宜采用上限值。
3.直线段
中间的直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度一般与非溢流坝段的下游坡相同。具体应由稳定和强度分析及剖面设计确定。
4.溢流重力坝剖面设计
溢流坝的实用剖面，既要满足稳定和强度要求，也要符合水流条件的需要，还要与非溢流重力坝的剖面相适应，上游坝面尽量与非溢流坝相一致。设计时先按稳定和强度要求及水流条件定出基本剖面和溢流面曲线，然后使基本剖面的下游边与溢流面曲线相切。当溢流坝剖面超出基本剖面时，为节约坝体工程量并满足泄流条件，可以将堰顶做成悬臂式的，如图4-8（a）所示（悬臂高度h1应大于H/2，H为堰顶最大水头）。若溢流坝剖面小于基本剖面，则将上游坝面做成折线形，使坝底宽等于基本剖面的底宽，如图4-8（b）所示。有挑流鼻坎的溢流坝，当鼻坎超出基本三角形以外时[见图4-8（b）]，若l/h＞0.5，应核算B—B′截面的应力，如果拉应力较大，可设缝将鼻坎与坝体分开。
图4-8 溢流坝剖面设计图
（a）溢流坝剖面超出基本剖面；（b）溢流坝剖面小于基本剖面
（四）消能工的形式与设计
1.概述
（1）消能工型式：常用的消能工型式有底流式消能、挑流式消能、面流式消能、消力戽消能及联合式消能（宽尾墩-挑流、宽尾墩-消力戽、宽尾墩-消力池等）。设计时应根据地形、地质、枢纽布置、水头、泄量、运行条件、消能防冲要求、下游水深及其变幅等条件进行技术经济比较，选择消能工的形式。
（2）设计洪水标准：消能防冲建筑物设计的洪水标准，可低于大坝的泄洪标准。一等工程消能防冲建筑物宜按100年一遇洪水设计，二等工程消能防冲建筑物宜按50年一遇洪水设计，三等工程消能防冲建筑物宜按30年一遇洪水设计。并需考虑在小于设计洪水时可能出现的不利情况，保证安全运行。
2.挑流消能
图4-9 挑射距离和冲坑深计算图
挑流消能是通过挑流鼻坎将高速水流自由抛射远离坝体，并利用水舌在空中扩散、掺气以及水舌跌入下游水垫内的紊动扩散消耗能量，如图4-9所示。这种消能方式具有结构简单、工程造价省、施工检修方便等优点；但下泄水流会形成雾化，尾水波动较大，且下游冲刷较严重，冲刷坑后形成堆丘等。适用于水头较高、下游有一定水垫深度、基岩条件良好的高、中坝，低坝经过严格论证也可采用这种消能方式。
挑流消能设计的任务是：选择鼻坎形式、反弧半径、鼻坎高程和挑射角，计算水舌挑射距离和冲刷坑深度等。
挑流鼻坎的常用形式有连续式和差动式两种。连续式鼻坎在工程中应用较为广泛。其优点是构造简单，水流平顺，防空蚀效果较好，但扩散掺气作用较差。连续式鼻坎的挑角可采用15°～35°，反弧半径应在（4～10）h范围内选取。鼻坎高程一般应高出下游最高水位约1～2m，以利于挑流水舌下缘的掺气。
3.底流消能
底流消能是在溢流坝坝趾下游设置一定长度的护坦，使过坝水流在护坦上发生水跃，通过水流的旋滚、摩擦、撞击和掺气等作用消耗能量，以减轻对下游河床和岸坡的冲刷，如图4-10所示。底流消能原则上适用于各种高度的坝以及各种河床地质情况，尤其适用于地质条件差，河床抗冲能力低的情况。底流消能运行可靠，下游流态比较平稳。对通航和发电尾水影响较小。但工程量较大，且不利于排冰和过漂浮物。
设计底流消能时，首先要进行水力计算以判断水流衔接状态。若为远驱水跃，则应采取工程措施，如设置消力池、消力坎或综合消力池等，促使水流在池内发生水跃以消能。为提高消能效果，还可以布置一些辅助消能工，如趾坎、消力墩、尾槛等，以强化消能、减小消力池的深度和长度。
图4-10 陆水水电站底流式消能布置图（单位：m）
1—一级消力池；2—二级消力池；3—趾墩；4—消力墩；5—尾墩；6—导水墙；7—电站厂房
底流式消能的护坦通常用钢筋混凝土修筑，其配筋一般按构造要求配置。护坦厚度可由抗浮稳定和强度条件确定，一般为1～3m。岩基上的护坦可用锚筋和基岩锚固，锚筋直径25～36mm，间距1.5～2.0m，按梅花形布置；当基岩软弱或构造发育时，也可在护坦底部设置排水系统以降低扬压力；护坦一般还应设置伸缩缝，以适应温度变形；护坦表层常采用高强度混凝土浇筑，以提高抗冲和抗磨能力。
4.面流消能
面流消能是在溢流坝下游面设置低于下游水位、挑角不大（挑角小于10°～15°）的鼻坎，使下泄的高速水流既不挑离水面也不潜入底层，而是沿下游水流的上层流动。水舌下有一水滚，主流在下游一定范围内逐渐扩散，使水流流速分布逐渐接近正常水流情况，故此称为面流式消能（图4-11）。这种消能型式适用于水头较小的中、低坝，且下游水深较大，水位变幅小，河床和两岸有较高的抗冲能力，或有排冰和过木要求的情况；虽然水舌下的水滚是流向坝趾的，但流速较低，河床一般不需加固。由于表面高速水流会产生很大的波动，有的绵延数公里还难以平稳，所以对电站运行和下游航运不利，且易冲刷两岸。
5.消力戽消能
消力戽消能是在坝后设一大挑角（约45°）的低鼻坎（即戽唇，其高度a一般约为下游水深的1/6），其水流形态的特征表现为“三滚一浪”（图4-12）。其优点是：工程量比底流式消能的小，冲刷坑比挑流消能的浅，不存在雾化问题；主要缺点与面流式消能相似，并且底部旋滚可能将砂石带入戽内造成磨损。如将戽唇做成差动式可以避免上述缺点，但其结构复杂，齿坎易空蚀，采用时应慎重研究。消力戽消能的适用情况与面流式消能基本相同，但不能过木排冰，且对尾水的要求是须大于跃后水深。
图4-11 面流式消能
图4-12 戽流式消能布置图
1—戽内旋滚；2—戽后底部旋滚；3—下游表面旋滚；4—戽后涌浪