水工建筑物第六章.ppt

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1、水工建筑物 第6章,第6章 河岸溢洪道 6.1 河岸溢洪道的特点 溢洪道是水利枢纽中的一项主要建筑物,它承担泄洪起着保护大坝安全的重要作用。设河岸溢洪道的原因：1）土坝本身不能泄水 2）河谷狭窄，厂坝争位 3）坝身泄水能力不足,另设泄洪道（如薄拱坝或支墩坝等轻型坝）。,刘家峡水电站溢流坝泄洪,天生桥面板堆石坝河岸溢洪道,6.2 河岸溢洪道的类型 6.2.1 按结构型式分类 1.正槽式溢洪道,优点:结构简单,施工方便,工作可靠,水流平顺,泄水能力大。当枢纽附近有马鞍形垭口时宜采用。,2.侧槽式溢洪道,适用于坝址两岸地势较高,岸坡较陡的中小型水库。,3.竖井式溢洪道 由进水喇叭口、渐变段、竖井和泄

2、水隧洞等部分组成。,缺点：水流条件复杂，易产生负压空蚀。应用较少。,4.虹吸式溢洪道 由具有虹吸作用的曲管和淹没在上游水位以下的进口所组成。,适用于上游淹没高程有严格限制的情况。,6.2.2 按泄水方式分类 1.开敞式溢洪道 其特点：Q=f(H3/2），超泄能力大，工作可靠，适应性强。2.封闭式溢洪道 其特点：Q=f(H1/2)，没有超泄能力闸门承受水压力大，操作检修困难。6.2.3 按设计标准分类（1）正常溢洪道 按设计洪水标准和校核洪水标准修建。,（2）非常溢洪道 按可能最大洪水标准，在溢洪道的底板上加设自溃堤。,平时可挡水，当水位超过一定高度时，又能迅速将其冲溃泄洪。,6.3 正槽式溢洪

3、道,6.3.1位置选择（1）地形条件 高程适宜和地质条件良好的垭口；（2）地质条件（3）安全运行条件 出口尽可能远离下游坝脚。,6.3.2正槽溢洪道的设计 一、引 水渠 作用：使 水流平顺 地由水库 进入控制 段。设计要求：水流平顺，水头损失小,增 加泄水能力,减少 工程量。,1.平面布置 引水渠在平面布置上尽量是直线(水流平顺，可防止旋涡和横向水流）如受地形、地质等条件限制，引水渠必须较弯，其转弯半径不得小于46倍渠底宽。,2.横断面 引水渠的横断面常采用梯形断面，其尺寸一定要大于控制段的过水断面，以降低流速，减小水头损失。横断面的侧坡视土壤和岩石的性质而定。3.纵断面 引水渠的纵坡一般采用

4、平坡（I0）或底坡不大的逆坡。当控制段的溢流堰为实用堰时，渠底应低于堰顶，其值不小于0.5倍堰面定型设计水头，以保证堰顶水流稳定和具有较大的流量系数。,二.控制段 作用：控制溢洪道的过水能力，包括溢流堰和两侧连接建筑。设计要求：要有足够的泄水能力。,按其断面形式与尺寸分：宽顶堰、实用堰、薄壁堰。按其在平面布置形状分:直线堰、折线堰、曲线堰、环形堰。按堰轴线与来水方向相对关系分：正交堰、斜堰、侧堰。,三、堰型选择常用的堰型为宽顶堰、实用堰、驼峰堰等。,（1）宽顶堰 特点:结构简单，施工方便；但流量系数m较 低（0.320.385）。适用：泄流量 不大 或附近 地形较平缓的中、小型工程。,（2）实

5、用堰 特点：流量系数比宽顶堰大,在相同泄流量条件下，需要的泄流前缘较短,但施工复杂。适用：岸坡较陡的大中型工程，地面高程低于设计堰顶高程的溢洪道等。,（3）驼峰堰 特点：堰体低，流量系数较大,设计施工方便，对地基要求低。适用：较软弱的地基。,四、溢流堰的设计 设计要点:尽量增大流量系数,在泄流时不产生空穴水流或诱发危险震动的负压。（1）堰顶水头H的确定,应以溢流堰上游（4-6）H处的水位作为计算标准。,（2）宽顶堰的堰宽 即沿水流方向的堰坎长度。,若L10H，则水流状态不属于宽顶堰流，而是明渠非均匀流。当一个平坡或缓坡接一陡坡时，水流由缓流变为急流。,其能量方程：,假定h,求Q：,将各值代入能

6、量方程，用试算法求解。,（3）堰面定型设计水头Hd的选择 根据实验研究认为:当堰顶水头H=1.4Hd时,堰面负压不致产生有害的影响，所以Hd一般采用堰顶最大水头的0.60.75倍。,（4）实用堰的高度 实用堰一般为低堰（0.3P1/Hd1）其流量系数m介于重力坝和宽顶堰之间,且随P1/Hd的减小而减小,随水头增加而降低。,因此建议:上游堰高P10.5Hd，下游堰高P20.7Hd。,五、泄水槽,泄槽的水力特征：底坡陡，故为急流。由于流速高，因此会产生明渠中高速水流的问题：冲击波、水流掺气、空蚀、压力脉动，应采取相应的措施。,1.平面布置（1）为了使水流平顺，减少冲击波的发生，沿水流平面宜尽量采用

7、直线、等宽、对称布置。（2）当泄槽长度大，受地质、地形条件限制，不能完全做成直线，需要转弯，转弯半径大于等于10b（b：陡槽直线段的平均宽度）。（3）为了减小泄槽末端的单宽流量，以利于消能防冲，有时在泄槽末端设扩散段。其扩散角：,一般68。,2.纵剖面布置（1）最好使用单一的陡坡，一般大于临界坡度。（2）为适应地形、地质条件，减少开挖量，可以采用变坡，使坡度变化不宜太多。在变坡处应做水流衔接设计。,3、横断面 泄水槽的横剖面形状与地质条件紧密相关。岩基上多做成矩形或接近矩形的断面，但在节理发育和破碎带的岩基或土基上，有时也作成梯形。泄水槽的边墙或衬砌高度应按掺气后的水深加超高来确定。掺气后的

8、水深估算：,4.弯道设计 泄槽弯曲段通常采用圆弧曲线,弯曲半径应大于10倍槽宽。弯曲区，由于离心力的作用，导致外侧水深加大，内侧水深减小，造成断面内的流量分布不均。同时集中的急流受到边墙转折的限制，形成冲击波。因此，弯曲区设计的主要问题在于：使断面内流量分布均匀；消除或抑制这种冲击波。,由弯道离心力及急流冲击波共同作用而产生的横向水面超高：,水面超高近似计算：,5.边墙高度的确定 计算水深(考虑冲击波)掺气后增加的水深安全超高（一般取0.1-1.5m）。降低边墙高度的措施：（1）采用较大的曲率半径和限制超高值,弯道最小半径：,矩形断面弯道最大许可超高：,（2）设置缓和曲线过渡段（3）使槽底横向

9、倾斜,6.泄水槽的衬砌,目的：为了保护地基不受冲刷、岩石不受风化以及防止高速水流钻入岩石缝隙，将岩石掀起，泄水槽一般都需进行衬砌。对衬砌的要求：1）衬砌材料应能抵抗冲刷，因泄槽流速高；2）衬砌表面应光滑平整，以免引起负压和空蚀；,3）衬砌接缝处就作好止水，防止高速水流钻入泄槽底板，将底板掀起；4）衬砌底板下应作好排水，以减小地下水形成的扬压力；5）在各种力作用下能保持稳定，平时溢洪道不过水，故衬砌还要承受温度变化和风化剥蚀的作用；6）寒冷地区,衬砌材料要有一定的抗冻要求。,（1）岩基上泄槽的衬砌 石灰浆砌石水泥浆勾缝，适用V10m/s 的小型水库溢洪道；水泥浆砌条石，适用V15m/s，中小型

10、水库溢洪道；混凝土衬砌，适用于大中型工程。混凝土衬砌厚度不宜小于30cm，衬砌用纵 横缝分开，缝距一般为10-15m。,基岩上衬砌的接缝型式：,横缝（要求高）A、搭接式 B、链槽式 施工时注意：接缝处衬砌表面要平整，防止下游块面板高于上游块面板，接缝中还必须做好止水。纵缝（要求低）可采用平接式，也要做好缝中止水衬砌的纵横缝下均均需作好排水，排水设施相互连通。,泄槽两侧边槽：A、岩石良好：采用与底板构造相同的形式，衬砌厚度30cm，且用钢筋锚固；边墙横缝一般与底板横缝一致。B、岩石较弱：边墙做成重力式挡土墙，边墙应做好排水，并与底板排水相连，边墙顶部应设马道，便于交通。,（2）土基上泄水槽的衬砌

11、通常采用混凝土衬砌，由于土基可能发生较大的沉降，而且不能采用锚筋，所以衬砌的厚度一般要比岩基上的要大，以满足稳定和强度要求。通常为0.30.5m,也可用到0.71.0m。衬砌的横缝必须采用搭接的形式，并要求保证接缝处的平整，有时还在下块上游做成齿墙，嵌入地基，以防滑动。,纵缝有时也做成搭接型式。由于土基对混凝土板的约束力比岩基小，因此可采用较大的分块尺寸，以增大衬砌的整体性和稳定性。衬砌需双向配筋（温度筋），各向含钢率约0.1%；在土基上或很差的岩基上，必须在衬砌底板之下设置层面排水,以免底板承受渗透压力。,六、出口消能段及尾水渠 溢洪道出口的消能方式与溢流重力坝基本相同。主要有两种：挑流消能

12、：适用于较好的岩基，或挑流冲刷坑不影响建筑物的安全的情况。底流消能：适用于地质较差，或溢洪道出口距坝较近的情况。随着高坝建设的增多，新型挑流消能工不 断出现，如：扭曲挑流坎、斜挑坎、窄缝式挑坎等。,挑流坎的结构型式：,（a）重力式（b）衬砌式,挑坎上常设置通气孔和排水管。,尾水渠是将经过消能后的水流，比较平稳地泄入原河道。一般是利用天然的山冲或河沟，必要时加以适当整理。,6.3.3 正槽溢洪道的水力计算,（1）计算图示11断面水深h1;（2）计算引水渠末端水深h2;（3）确定堰顶高程；（4）计算堰后收缩水深hc;（5）计算泄水槽的水面曲线；（6）消能计算。,6.4 侧槽式溢洪道 侧槽溢洪道的特

13、点：大致顺河岸等高线布置,开挖方量不大，有条件采用较大溢流前缘，可降低溢流水头；主要缺点是流态复杂。,侧槽溢洪道由溢流堰、侧槽、泄水槽、出口消能等组成。,泄水槽一般为开敞明槽，有时可以是隧洞泄水。,侧槽溢洪道只有侧槽部分的水力计算与正槽溢洪道不同。6.4.1 侧槽尺寸的拟定 一、侧槽横断面（1）形状 宜做成窄深式。（2）边坡 宜采用陡边坡。（3）断面尺寸 应沿水流方向逐渐增大。,二、侧槽的纵剖面（1）槽底纵坡 侧槽应有适宜的槽底纵坡以满足泄水能力的要求。初步拟定时，可采用0.010.05。（2）槽底高程 原则:在不影响溢流堰过水能力的条件下,尽量采用较高的槽底以减少开挖方量。常以侧槽始端最高点

14、超出溢流堰顶的高度hs=0.5H确定侧槽始端的水位，该水位减去水深可得槽首底部高程。,建议槽侧末端的水深：hL=(1.21.5)hkhk-临界水深。设置水平调整段可确保侧槽末端的水位为hL,及使水流能平顺地进入泄水槽。,6.4.2 侧槽水力计算要点 目的：有利于判断溢流坝、侧槽和泄水槽三者之间的水面衔接关系，求出侧槽的水面曲线和相应的槽底高程，保证安全泄洪。1.泄槽水面曲线的计算公式,侧槽中的水流属变量流，难以精确计算；可利用动量方程推导的近似公式计算：,若近似采用sin=tan=y/x,和h1=h2，则上式变为：,根据动量定律得：,由上式用试算法可求得水面曲线。,或：,2.侧槽水力计算的步骤（1）拟定侧槽尺寸（2）选定侧槽末端水深hL,根据bL/b0值确定hL，需计算控制断面的坎高d：,若调整段末端断面无突坎，根据下式求hk:,3.确定槽底高程,返回,