水工建筑物第九章过坝建筑物.ppt

第九章 过坝建筑物 渠首及渠系建筑物,过坝建筑物：通航、过木、过鱼（鱼道、鱼闸）。本章只介绍通航建筑物。渠首工程包括：无坝渠首枢纽和有坝渠首枢纽。渠系建筑物包括：渠道、渡槽、倒虹吸管、涵洞、跌水等。,9-1 通航建筑物,通航建筑物：船闸和升船机。,船闸是利用水力将船队（舶）浮送过坝，通过能力大，应用最广；,升船机是利用机械力将船舶升送过坝，耗水量少，一次提升高度大。本节侧重介绍船闸。,（一）组成,一、船闸,船闸由闸室、闸首和引航道组成，见图10-1。,图101 船闸示意图,1闸室；2上闸首；3下闸首；4闸门；5阀门；6输水廊道；7门龛；8检修门槽；9上游引航道；10下游引航道,（1）闸室介于上、下闸首及两侧边墙间一个供过坝（闸）船队（舶）临时停泊的场所。,（2）闸首闸首的作用是将闸室与上、下游引航道隔开，使闸室内维持上游或下游水位，以便船队（舶）通过。位于上游端的叫上闸首，下游端的叫下闸首。,（3）引航道连接闸首与主航道的一段航道，设有导航及靠船建筑。其作用是保证船队（舶）顺利地进、出船闸，并为等待过闸的船队（舶）提供临时的停泊场所。,（二）过闸程序,过闸的程序如图102所示。当上行船队要通过船闸时，首先由下游输水设备将闸室的水位泄放到与下游水位齐平，然后开启下闸首闸门，船队驶入闸室，随即关闭下闸首闸门，由上游输水设备向闸室充水，待水面与上游水位齐平后，开启上闸首闸门，船队上驶离开闸室。此时，若在上游有船队等待过闸，则待上行船队驶出闸室后，即可驶入闸室，然后关闭上闸首闸门，由下游输水设备向下游泄水，待闸室水位与下游水位齐平后，开启下闸首闸门，船队即可驶出闸室进入下游引航道，这就是船队过闸的全过程。,图102 船队(舶)过闸程序示意图,（三）船闸的类型,1按船闸的级数分类,（1）单级船闸 只有一级闸室的船闸称为单级船闸。H=1520m(基岩H=30m)。（2）多级船闸 图103是我国三峡双线5级船闸总体布置示意图，上下游总水头H=113m，是世界上规模最大和水头最高的船闸。世界上级数最多的船闸是俄罗斯的卡马船闸，共6级。,2按船闸的线数分类,（1）单线船闸 在一个枢纽内只有一条通航线路的船闸称为单线船闸，大多采用这种型式。（2）多线船闸 在一个枢纽内建有两条或两条以上通航线路的船闸称为多线船闸。我国三峡和葛洲坝水利枢纽分别采用的是双线和三线船闸。三峡工程双线5级船闸的单级闸室尺寸为280m34m5m（最小水深），年单向通过能力为5000万t，一次通过时间约为2小时40分。,3按闸室型式分类,（1）广厢船闸闸首口门的宽度小于闸室宽度，闸门尺寸缩窄，可降低造价；但船队（舶）进出闸室需要横向移动，使操作复杂化，延长过闸时间。（2）具有中间闸首的船闸当过闸船队（舶）不均一，为了节省单船过闸时的用水量及过闸时间，有时在上、下闸首之间增设一个中间闸首，将闸室分为前后两部分。见图10-5。,图105 具有中间闸首的船闸,1中间闸首；2上闸首；3下闸首；4前闸室；5后闸室,当水头较高，且地基良好时，为减少下游闸门的高度，可选用井式船闸。见图10-5。在下闸首建胸墙，胸墙下留有过闸船队（舶）所必须的通航净空，采用平面提升式闸门。当前世界上水头最大的单级船闸俄罗斯的乌斯季卡缅诺戈尔斯克船闸就是采用的井式船闸，H=42m。,（3）井式船闸,图106 井式船闸纵剖面示意图,1闸室；2胸墙；3平面闸门；4人字闸门,（四）船闸的基本尺寸及引航道 船闸的基本尺寸包括：闸室有效长度、有效宽度及门槛水深。,（1）闸室有效长度,（1）,式中 船队的计算长度m；富裕长度m，顶推队，拖带船队，对非机动船，m。,（2）闸室有效宽度 是指闸室边墙内侧最突出部分之间的距离。式中 同闸次过闸船队（舶）并列 停泊的总宽度 m；富裕宽度 m，当 时，当 时，。,（3）门槛水深设计最低通航水位至闸首门槛最高处的水深，按规定 其中，T 为设计最大船队（舶）满载时的吃水深度。,（4）引航道的长度与宽度,长度：约为过闸船队（舶）计算长度的3.54倍。当引航道的宽度与航道的宽度不一致时，尚需增设过渡段，其长度不小于两者宽度差值的10倍。宽度：是指设计最低通航水位时，设计最大船队（舶）满载吃水船底处的宽度，应为一侧(或两侧)等候过闸船队（舶）的总宽度与设计最大船队(舶)宽度之和加富裕宽度，富裕宽度可采用设计最大船队（舶）宽度的1.5倍。引航道的最小水深视船闸的等级而定，对、级船闸，应不小于设计最大船队（舶）满载吃水深的1.5倍。引航道的横断面一般为梯形，边坡依土质稳定条件来确定，通常为1：21：3。引航道平面布置示意图如图108。,图108 引航道平面布置示意图,1闸室；2闸首；3引航道,（五）过闸时间、通过能力和耗水量,（2）平衡重式升船机图1010（b）。利用平衡重来平衡承船厢的重量，运行原理与电梯相似。其优点是：过坝历时短，通过能力大，运行安全可靠，耗电量小。缺点是：工程技术复杂，钢材用量多。目前世界上最大的平衡重式升船机是三峡工程升船机，最大,二、升船机,1垂直升船机（1）提升式升船机图1010（a）。类似于桥式起重机，船舶进入承船厢后，用起重机提升过坝。由于提升动力大，只适用于提升中、小型船舶。我国丹江口水利枢纽的升船机即属于此种类型，最大提升力450t，提升高度为83.5m。,（3）浮筒式升船机图1010（c）。将金属浮筒浸在充满水的竖井中，利用浮筒的浮力来平衡升船机活动部分的重量，电动机仅用来克服运动系统的阻力和惯性力。这种升船机工作可靠，支撑平衡系统简单，但提升高度不能太大，且浮筒井及一部分设备经常处于水下，不便于检修。目前世界上最大的浮筒式升船机是德国的新亨利兴堡升船机，提升高度14.5m，承船厢尺寸90m12m，厢内水深3.0m，载船吨位1350t。,垂直行程113m，承船箱尺寸120m18m3.5m（水深），可通过3000t级的客货轮，通过时间约为40分钟，设备总起重能力达11800t。,图1010 垂直升船机示意图(a)提升式；(b)平衡重式；(c)浮筒式,1承船厢；2传动机械；3平衡砣；4钢索；5钢排架；6支架；7浮筒；8上闸首；9下闸首,2斜面升船机 斜面升船机是将船舶置于承船厢内，沿着铺在斜面上的轨道升降，运送船舶过坝。斜面升船机由承船厢、斜坡轨道及卷扬机设备等部分组成。图109是斜面升船机示意图。俄罗斯克拉斯诺雅尔斯克斜面升船机是目前世界上运载量最大（2000t）、提升高度最大（118m）的斜面升船机。我国已建成最大提升高度为80.0m的湖南柘溪水电站的斜面升船机，载船吨位50t。,9-2 渠首及渠系建筑物,一、渠首建筑物,1.无坝取水枢纽,当引水比（引水流量与天然河道流量之比）不大、防沙要求不高、取水期间河道的水位和流量能够满足或基本满足要求时，只需在河道岸边的适宜地点选定取水口，即可从河道侧面引水，而无需修建拦河坝（闸）的取水方式，称为无坝取水。常见的无坝取水枢纽的布置有以下3种型式：,（1）利用弯道环流原理，将取水口建在弯道凹岸顶点下游一定距离，以引取表层较清的水，排走底沙。一般由进水闸、导沙坎及沉沙池等组成，见图1014（a）。（2）在多泥沙河流上，为减少泥沙入渠，可采用引渠式取水。将进水闸设在岸边的引渠内，与取水口保持一定的距离，引渠兼作沉沙渠。在取水口处设导沙坎，由冲沙闸冲洗渠内泥沙。冲沙闸与引水渠中线的夹角一般选用3060,图1014 无坝渠首（a）山东打鱼张渠首；（b）导流堤式渠首,1导沙坎；2引水渠；3进水闸；4东沉沙条渠；5西沉沙条渠；6泄水闸；7导流堤,（3）如河道流量较小或山区河流坡降较陡，为提高引水比，可采用导流堤式渠首。在取水口前修建不拦断河流的导流堤以壅高水位，用泄水闸泄洪排沙，如图1014（b）所示。图1015是我国四川都江堰工程布置示意图。渠首由鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口及金刚堤、百丈堤等组成。,图1015 都江堰工程布置示意图,2.有坝取水枢纽,（1）沉沙槽式。利用导水墙与进水闸翼墙在闸前形成的沉沙槽沉淀粗颗粒泥沙，丰水期开启冲沙闸，将泥沙排向下游，见图1016（a）。（2）人工弯道式。利用人工弯道产生的环流，以减少泥沙入渠，见图1025。（3）冲沙廊道式。利用含沙量沿水深分布不均的特点，在进水闸底部设冲沙廊道，从上面引取表层较清的水，泥沙经由冲沙廊道排向下游，见图1016（b）。,（4）底栏栅式。在溢流坝体内设置输水廊道，顶面有金属栏栅。过水时，部分水流由栏栅间隙落入廊道，然后进入渠道或输水隧洞。这种布置型式可防止大于栅条间隙的沙石进入廊道，适用于坡陡流急，水流挟有大量推移质的山区河流，见图1016（c）。,图1016 有坝渠首,(a)沉沙槽式渠首：1沉沙槽；2导水墙；3导沙坎；4溢流坝；5冲沙闸；6进水闸；7渠道(b)底部冲沙廊道式渠首：1溢流坝；2渠道；3冲沙廊道(c)底栏栅式渠首：1底栏栅坝段；2金属栏栅；3输水廊道；4溢流坝；5进水闸,二、渠系建筑物,为了满足农田灌溉、水力发电、工业及生活用水的需要，在渠道（渠系）上修建的水工建筑物，统称渠系建筑物。,1.分类（1）渠道。是指为农田灌溉、水力发电、工业及生活输水用的、具有自由水面的人工水道。一个灌区内的灌溉或排水渠道，一般分为干、支、斗、农四级。（2）调节及配水建筑物。用以调节水位和分配流量，如：节制闸、分水闸等。,（3）交叉建筑物。渠道与山谷、河流、道路、山岭等相交时所修建的建筑物，如：渡槽、倒虹吸管、涵洞等。（4）落差建筑物。在渠道落差集中处修建的建筑物，如：跌水、陡坡等。（5）泄水建筑物。为保护渠道及建筑物安全或进行维修，用以放空渠水的建筑物，如：泄洪闸、虹吸泄洪道等。（6）冲沙和沉沙建筑物。为防止和减少渠道淤积，在渠首或渠系中设置的冲沙和沉沙设施，如：冲沙闸、沉沙池等。（7）量水建筑物。用以计量输配水量的设施，如：量水堰、量水管嘴等。,2.渠道 按用途可分为：灌溉渠道、动力渠道（引水发电用）、供水渠道、通航渠道和排水渠道等。在实际工程中常是一渠多用，如：发电与通航、供水结合，灌溉与发电结合等等。设计的主要内容有：选定渠道线路、确定断面形状和尺寸、拟定渠道的防渗设施等。,渠道选线的一般原则是：尽量避开挖方或填方过大的地段，最好能做到挖方和填方基本平衡；避免通过滑坡区、透水性强和沉降量大的地段；在平坦地段，线路应力求短直，受地形条件限制，必须转弯时，其转弯半径不宜小于渠道正常水面宽的5倍；通过山岭，可选用隧洞，遇山谷，可用渡槽或倒虹吸管穿越，应尽量减少交叉建筑物。,3.渡槽 当渠道与山谷、河流、道路相交，为连接渠道而设置的过水桥，称为渡槽。设计的主要内容有：选择适宜的渡槽位置和型式，拟定纵横 断面，进行细部设计和结构设计等。（1）位置选择 在渠系（渠道）总体规划确定之后，对长度不大的中、小型渡 槽，其槽身位置即可基本确定，并无多大的选择余地。但对地 形、地质条件复杂，长度较长的渡槽，常需在一定范围内对不同 方案进行技术经济比较。定位的一般原则是：,1）渡槽宜置于地形、地质条件较好的地段。要尽量缩短槽身长度，降低槽墩高度。进、出口应力求与挖方渠道相接，如为填方渠道，填方高度不宜超过6m，并需做好夯实加固和防渗排水设施。2）跨越河流的渡槽，应选在河床稳定、水流顺直的地段，渡槽轴线尽量与水流流向正交。3）渠道与槽身在平面布置上应成一直线，切忌急剧转弯。,（2）型式选择 1）梁式渡槽。渡槽的槽身直接支撑在槽墩或槽架上，既可用以输水又起纵向梁作用。各伸缩缝之间的每一节槽身，沿纵向有两个支点，一般做成简支的，也可做成双悬臂的，前者的跨度常用815m，后者可达3040m。2）拱式渡槽。当渠道跨越地质条件较好的窄深山谷时，以选用拱式渡槽较为有利。拱式渡槽由槽墩、主拱圈、拱上结构和槽身组成。,主拱圈是拱式渡槽的主要承重结构，常用的 主拱圈有板拱和肋拱两种型式。板拱渡槽主拱圈的径向截面多为矩形，可用 浆砌石、钢筋混凝土或预制钢筋混凝土块砌筑而成。箱形板拱为钢筋混凝土结构。有关水力、结构计算及细部设计可参阅有关论著。,4.倒虹吸管 倒虹吸管的布置 选定倒虹吸管位置所遵循的原则与渡槽基本相同，即管路与所穿过的河流、道路等保持正交，以缩短管路长度；进、出口应力求与挖方渠道相连，如为填方渠道，则需做好夯实加固和防渗设施；为减少开挖管身宜随地形坡度敷设，但弯道不能过多，以减少水头损失，也不宜过陡，以便施工。倒虹吸管可作如下布置：对高差不大的小倒虹吸管，常用斜管式或竖井式；对高差较大的倒虹吸管，当跨越山沟时，管路一般沿地面敷设；当穿过深河谷时，可在深槽部分建桥，见图1032。,倒虹吸管由进口段、管身和出口段三部分组成：（1）进口段。进口段包括：渐变段、闸门、拦污栅，有的工程还设有沉沙池。进口段与渠道平顺衔接，以减少水头损失。渐变段可以做成扭曲面或八字墙等型式（参见“水闸”一章），长度为34倍渠道设计水深。闸门用于管内清淤和检修，双管或多管倒虹吸的进口必需设置闸门，当通过小流量时，可利用部分管路过水，以增加管内流速，防止和减少泥沙在管内淤积。不设闸门的小型倒虹吸管，可在进口预留检修门槽，需用时临时插板挡水。拦污栅用于拦污和防止人畜落入渠内被吸进倒虹吸管。,（2）出口段。出口段的布置型式与进口段基本相同。单管可不设闸门；若为多管，可在出口段预留检修门槽。出口渐变段比进口渐变段稍长。由于倒虹吸管的作用水头一般都很小，管内流速仅在2.0m/s左右，因而渐变段的主要作用在于调整出口水流的流速分布，使水流均匀平顺地流入下游渠道。,（3）管身。管身断面可为圆形或矩形。圆形管因水力条件和受力条件较好，大、中型工程多采用这种型式。矩形管仅用于水头较低的中、小型工程。根据流量大小和运用要求，倒虹吸管可以设计成单管、双管或多管。管身与地基的连接及管身的伸缩缝和止水构造等与土坝坝下埋设的涵管基本相同。在管路变坡或转弯处应设置镇墩。为防止管内淤沙和放空管内积水，应在管段上或镇墩内设冲沙放水孔（可兼作进人孔），其底部高程一般与河道枯水位齐平。管路常埋入地下或在管身上填土。当管路通过冰冻地区，管顶应在冰冻层以下；穿过河床时，应置于冲刷线以下。管身所用材料可根据水头、管径及材料供应情况选定，常用浆砌石、混凝土、钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土等，其中，后两种应用较广。,图1032 带有沉沙池的倒虹吸管进口布置,1上游渠道；2渐变段；3沉沙池；4拦污栅；5进口闸门；6进水口；7冲沙闸；8启闭台；9便桥,5.涵洞 当渠道与道路相交而又低于路面时可设置输水用的涵洞；当渠道穿过山沟或小溪，而沟溪流量又不大时，可用一段填方渠道，下面埋设用于排泄沟、溪水流的涵洞，见图1035。前者称为输水涵洞，后者称为排水涵洞。涵洞由进口段、洞身和出口段三部分组成。进口、出口段是洞身与渠道或溪沟的连接部分，其型式选择应使水流平顺地进、出洞身，以减少水头损失。为防止水流冲刷，进口段需做一段浆砌石或干砌石护底与护坡，长度不小于35m。出口段应结合工程的实际情况决定是否采用适当的消能防冲设施。,6.跌水及陡坡,（1)跌水 根据落差大小，跌水可做成单级或多级。单级跌水落差较小，一般不超过5m。单级跌水由进口连接段、跌水口、跌水墙、侧墙、消力池和出口连接段组成，见图1038。1）进口连接段。是上游渠道和跌水口的连接部分，常做成扭曲面或八字形。连接段应做防渗铺盖，长度不小于23倍跌水口前水深，为防止冲刷，表面应加护砌。,图1038 单级跌水,1进口连接段；2跌水口；3跌水墙；4侧墙；5消力池；6出口连接段,2）跌水口。又称控制缺口，用于控制上游水位，使通过不同流量时，上游渠道水面不致过分壅高或降低。跌水口可做成矩形或梯形。梯形缺口较能适应流量变化，在实际工程中用得较广。有时在缺口处设闸门，以调节上游水位。3）跌水墙。用于承受墙后填土的土压力，可做成竖直的或倾斜的。4）消力池。用于消除水流中的多余能量，消力池断面可做成矩形或梯形，其深度和长度由水跃条件确定。,5）出口连接段。位于消力池出口和下游渠道之间，用于调整流速和进一步消除余能。出口连接段的长度应比进口连接段略长。出口段及其以后的一段渠道（一般不小于消力池长度）需加护砌。如落差较大，可采用多级跌水。（2）陡坡 陡坡和跌水的主要区别在于前者是以斜坡代替跌水墙。一般说来，当落差较大时，陡坡比跌水经济。,