新体型溢流坝及底流消能方法技术领域
本发明属于水利工程坝工设计技术领域，涉及到用于中、低水头溢流坝采
用底流消能时的工程设计，特别涉及到一种新体型溢流坝及底流消能方法。
背景技术
目前，实际工程中，中、低水头乃至少数高水头的溢流坝，都采用底流消
能，由传统的溢流坝和消力池构成。传统体型溢流坝的溢流面一般由堰顶曲线
段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。传统体型溢流坝存在的问题主要有：
剖面面积较大，以至于坝体混凝土用量庞大，另外下游底流消能工工程量也较
大。
针对传统体型溢流坝存在的部分缺陷，已有相关文献通过理论分析与试验
研究，对溢流坝剖面形状进行了合理优化。提出的优化方案能较好地适应过堰水
流的流动特性，消除了低压气囊，改善了泄流流态，保证了溢流坝的安全运行。但
是，目前这些文献对溢流坝体型的研究，基本上都侧重于对堰顶上游段曲线和
下游段曲线的研究，最终还是没有摆脱传统体型溢流坝剖面采用的三段式，所
以坝体体积仍然较大。
发明内容
本发明的目的是：为了克服实际工程中传统体型溢流坝庞大的混凝土用量，
以及下游底流消能工的巨大投资，本发明提供一种新体型的溢流坝及底流消能
方式，在保证与常规体型溢流坝泄流能力相同的条件下，可以减小了坝体的剖
面形状，特别是能明显改善溢流坝下游的消能工。
本发明的技术方案是：截去传统体型溢流坝的反弧段，堰面水流从直线段
直接入射消力池，消力池分为两级，为台阶式的，调整台阶的位置使堰面水流
刚好入射到消力池的凹槽内。
新体型溢流坝及底流消能方式的理论根据如下：
设传统体型溢流坝采用底流消能方式时的水跃共轭水深为h20，见附图3，
其计算公式为：
h
1
2
2
+
q
2
g
h
1
=
h
20
2
2
+
q
2
g
h
20
-
-
-
(
1
)
]]>
令
Y
1
=
h
20
h
1
,
]]>
Fr
1
2
=
q
2
g
h
1
3
,
]]>代入(1)得：
Y13-(1+2Fr12)Y1+2Fr12＝0(2)
设新体型溢流坝采用底流消能方式时的水跃共轭水深为h2n，见附图4，其
计算公式为：
ξh
1
2
2
+
q
2
cos
α
g
h
1
=
h
2
n
2
2
+
q
2
g
h
2
n
,
(
ξ
≤
1
)
-
-
-
(
3
)
]]>
令
Y
2
=
h
2
n
h
1
,
]]>代入(3)得：
Y23-(ξ+2cosαFr12)Y2+2Fr12＝0 (4)
因式(4)中的(ξ+2cosαFr12)小于式(2)中的(1+2Fr12)，所以Y2＜Y1，这表
明附图4中的水跃共轭水深h2n小于附图3中的水跃共轭水深h20，所以新体型溢
流坝下游消力池的深度和长度都可以减小。根据理论计算结果以及水工模型试
验结果，新体型溢流坝及底流消能方式如附图2所示。
本发明的效果和益处是：新体型溢流坝在满足设计要求并且保证与常规体
型溢流坝泄流能力相同的前提下，减小了坝体的剖面形状，减少了工程中坝体
混凝土的用量，改善了溢流坝下游的消能工，可以减少约50％的消能工工程量，
节省20-30％的底流消能工投资。
附图说明
附图1是传统体型溢流坝及底流消能方式图。
图中：1.堰顶曲线段，2.中间直线段，3.下部反弧段，4.消力池底高程，5.下
游河床高程。
附图2是新体型溢流坝及底流消能方式图。
图中：6.消力池上游段底高程，7.消力池下游段底高程。
附图3是传统体型溢流坝采用底流消能方式时的水面衔接示意图。
图中q为下泄单宽流量，v1为收缩断面处的流速，h1为跃前水深，h20为跃
后水深。
附图4是新体型溢流坝采用底流消能方式时的水面衔接示意图。
图中α为溢流坝中间直线段与水平面的夹角。
附图5是传统体型溢流坝在库水位为105.00m时的水面线示意图。
附图6是传统体型溢流坝在库水位为110.00m时的水面线示意图。
附图7是新体型溢流坝在库水位为105.00m时的水面线示意图。
附图8是新体型溢流坝在库水位为110.00m时的水面线示意图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
对传统体型和新体型的溢流坝进行了水工模型试验，对比试验结果如下：
1.传统设计的消力池如下：
下游水位高程▽80.00m，河床高程▽69.02m，消力池底板高程▽62.32m，消力
池深6.70m，消力池长82.07m，坝和消力池总长120.37m。在库水位为105.00m
和110.00m时的水面线示意图见附图5和附图6。
2.按本发明设计的消力池如下：
下游水位高程▽80.00m，河床高程▽69.02m，消力池底板上游段高程▽64.02m，
下游段高程▽65.02m，消力池深4.00m，消力池长45.08m，坝和消力池总长73.40m。
在库水位为105.00m和110.00m时的水面线示意图见附图7和附图8。
由水面线示意图可以看出，后者的水面衔接优于前者，而工程量后者远小
于前者。