《水工建筑物第六章》ppt课件

'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4—6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平坡（I＝0）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（0.32－0.385）。适用：泄流量不大或附近地形较平缓的中、小型工程。 （2）实用堰特点：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L＞10H，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0.6～0.75倍。 （4）实用堰的高度实用堰一般为低堰（0.3≤P1/Hd≤1）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P1≥0.5Hd，下游堰高P2≥0.7Hd。 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：θ一般≤6°～8°。 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：①使断面内流量分布均匀；②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①石灰浆砌石水泥浆勾缝，适用V＜10m/s的小型水库溢洪道；②水泥浆砌条石，适用V＜15m/s，中小型水库溢洪道；③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：①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。②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0.3～0.5m,也可用到0.7～1.0m。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：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1—1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0.01～0.05。（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=(1.2～1.5)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sinθ=tanθ=Δy/Δx,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 '