水电工程的泄水设施

水电工程拦河筑坝必然要渲泄多余的洪水，冲掉拦载的泥沙，必要时还要降低甚至放空水库，因此水电工程必须设置泄水建筑物。经过多年的技术发展和大量的经验积累，水电工程泄水建筑物可以说花样繁多、类型复杂。专业设计人员需根据不同的水文气象条件、地形地质条件、水库调蓄性能，及以不同的大坝型式和泄水功能要求，经技术经济比较，选择合适的泄水方式。水电工程泄水建筑物是确保工程安全最重要的设施之一。

根据泄水建筑物功能不同，一般可分为泄洪设施、冲沙设施以及降低库水库或放空水库的放空设施，有时泄水建筑物可集泄洪、冲沙、放空等多功能于一身，有的利用导流洞进行改建。根据泄水建筑物在枢纽工程整体布局中的位置，泄水方式可分为坝身泄水、岸边泄水及坝身与岸边结合的组合泄水等三大类。重力坝和闸坝枢纽多采用坝身泄水方式;土石坝枢纽多采用岸边泄水方式;拱坝枢纽多采用组合泄水方式。坝身泄水建筑物可进一步分为坝顶表孔和坝身孔口。坝顶表孔可采用有闸门或无闸门控制的坝顶跌流，也可采用坝面或厂顶或厂前溢流，还可采用坝肩滑雪道等形式。坝身孔口可设置成中孔、深孔或底孔。岸边泄水建筑物可进一步分为设置在坝肩或岸坡上的岸边溢洪道，还可布置成堰流式进口或孔流式进口的泄水隧洞。

大量下泄水体携带巨大的能量，如何消能和抗冲磨，是风险防控的重点。随着水电工程技术的进步和技术人员的潜心研究，逐渐形成了形式多样的消能工形式。泄水建筑物的消能方式大至可分为外部消能和洞内消能。外部消能又可分为挑流、底流和面流等形式。挑流消能是指在泄水建筑物末端设挑流鼻坎，使水流向下游挑射，通过射流在空中的扩散、紊动和掺气作用，消除部分能量，然后跌落到离鼻坎较远的河槽中，在冲刷坑和一定的尾水深度所形成的水垫中消能。底流消能是一种在坝趾下游设消力池，使水流在池内产生水跃，利用水跃进行消能的方式。面流消能指在泄水建筑物尾端设置戽斗，使水流在戽斗内产生强迫旋滚，出戽水流形成一个涌浪并伴随一个底旋滚和一个下游表面旋滚而消能。洞内消能主要有旋流竖井消能、水平旋流消能以及洞内混凝土塞或孔板消能。抗冲磨材料有高标号混凝土、抗冲磨混凝土、钢板、复合材料等。应该说不同的消能方式和抗冲磨材料各有优缺点，一般情况下均通过技术经济比较、科研试验等综合论证确定。

同时，泄水建筑物设计还要考虑对下游河道的冲刷，要防止消能后的水流沿河道两岸产生危害性冲刷，必要时采用贴坡墙、防冲墙等防冲措施。要防止空中消能中引起的水雾对岸坡的冲刷，必要时采取坡面加固、喷护和排水等防护措施。施工中还要采取适当的方式和措施确保工程质量。

三峡综合枢纽、龙滩水电站枢纽是典型的重力坝坝身泄水布置;二滩、小湾水电站枢纽是典型的坝身与岸边相结合的组合泄水布置;小浪底水利枢纽、糯扎渡水电站枢纽是典型的岸边泄水布置。大坝建成后随着水库逐渐蓄水，库水位会逐渐壅高，大坝越高、上下游水位差越大，势能越高。当大坝泄洪时，大量的洪水从大坝坝身或岸边通过，形成了壮观的场面。下图即为三峡水电站泄洪的场景。

上世纪50年代以来，我国水电科技工作者针对高速水流问题、掺气减蚀方法和抗冲耐磨材料等方面进行了系统、深入的研究，取得了丰硕的成果并应用于工程实践，在高水头大流量泄洪消能技术方面达到了世界先进水平。我国已建泄量最大的是葛洲坝枢纽工程，最大泄量达11万立方米/秒，泄洪功率最大的是三峡工程，泄洪功率约98吉瓦，其泄洪流量和功率均是世界上最大的。

近年，水电工程泄水设计理念在不断更新、技术在不断发展。随技术的发展，从工程安全、方便建设、运行舒适等方面考虑，厂顶或厂前溢流以及坝肩滑雪道等布置形式已很少采用。单纯的面流消能方式也很少采用，取而代之的是溢流面混合消能方式，如消力戽和短消力池相结合的型式。泄水建筑物的设计也更注重与环境的友好融合，采取了防止水土流失、环境绿化等环境保护措施。

大型水电工程在前期论证和施工实施中均针对泄水建筑物开展大量的计算分析、试验验证和施工措施，确保泄水建筑物安全可靠。因为泄水建筑物设计或施工不当引起的工程安全问题已很少出现。目前，泄水建筑物设计还进一步向风险分析和全寿命周期管理方向发展。