水利工程概论 水利工程概论 主讲人：XXX 教 授 专业带头人 高级工程师 一级建造师 土木工程师向家坝溪洛渡三 峡共43页 第1页 第二章 水利工程的基础知识 第五章 取水建筑物 第六章 灌溉排水工程v本教材共有9个教学章：第四章 泄水建筑物 第七章 治河防洪工程 第三章 挡水建筑物 第一章 绪 论 第八章 水利工程施工 第九章 水利工程管理水利工程概论第四章 泄水建筑物第四章 泄水建筑物学习单元知识目标能力目标素质目标4.1 了解泄水建筑物的作用和型式；掌握溢流重力坝的孔口型式、剖面设计及消能防冲设计；了解坝身泄水孔的类型、组成和各组成部分作用；能够根据重力坝的不同用途正确选择孔口型式，初步具备溢流重力坝剖面设计能力；能结合具体用途，选择坝身泄水孔的型式，掌握各组成部分的构造要求。具备独立思考、有效沟通与团队合作的能力；了解与本课程有关的时事议题，了解工程技术对环境、社会及全球的影响，了解本行业技术革新的信息；按时到课，遵守纪律，回答问题；认真完成练习布置任务，按时上交作业；养成科学严谨、实事求是的学习精神，具备一定的国际观及服务社会的信念与态度。4.2 了解并掌握河岸溢洪道的作用、类型；掌握正槽式溢洪道和侧槽溢洪道的组成、优缺点及适用条件；了解非常溢洪道的类型和作用。能够根据不同的地形地质条件选择河岸溢洪道的型式，掌握正槽式溢洪道和侧槽溢洪道的组成和各组成部分的构造要求。共43页 第2页水利工程概论共43页 第3页水利工程概论 泄水建筑物用于宣泄水库容纳不了的水量，限制库水位不超过规定的高程，以确保大坝及其它建筑物的安全。此外，为满足下游各用水部门与水生态环境的需要，需把一部分库水泄放下来。泄水建筑物主要包括：溢流坝、坝身泄水孔、溢洪道、泄洪洞和泄洪闸等。第一节 河流与流域三峡大坝坝身泄水孔溢流坝河岸溢洪道第一节 溢流坝与坝身泄水孔 第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第4页水利工程概论 一、溢流坝 工作特点 溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物，除应满足稳定和强度要求外，还需要满足泄流能力的要求。其工作包括如下：过流能力负压、振动和空蚀消能防冲有足够的孔口尺寸和较大的流量系数体型和流态良好不产生危及坝体安全的局部冲刷破坏 折冲水流不影响枢纽中其他建筑物的正常运行 机械设备布置灵活控制水流下泄第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第5页水利工程概论孔口溢流式 当闸门全开时，下泄流量与堰上水头H H0 03/23/2成正比，超泄能力较大。利用胸墙挡水，减少闸门的尺寸，降低堰顶高程。它可提前放水，腾出库容，提高调洪能力。1孔口型式的选择堰顶溢流式 孔口设计 溢流坝孔口尺寸的拟定包括孔口型式、溢流前缘总长度、堰顶高程、每孔尺寸和孔数。第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第6页水利工程概论2溢流孔口尺寸的确定 溢流段净长度和单宽流量的确定取大值取大值maxmax1）孔口净宽的确定 2）确定单宽流量：必须综合地质条件、下游河道水深、枢纽布置和消能工设计多种因素,通过技术经济比较后选定。软弱岩石q=2050m3/(sm)；中等坚硬岩石q=50100 m3/(sm)；特别坚硬岩石q=100150 m3/(sm)；地质条件好、消能效果好，可取最大值。安康水电站达282.7m3/(sm)第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第7页水利工程概论 孔口尺寸的确定 1）溢流前缘总长度L0 对于堰顶设闸门的溢流坝，用闸墩将溢流段分隔为若干个等宽的溢流孔口。设孔口数为n，则孔口净宽b=Ln。令闸墩厚度为d，则溢流前缘总长度L0为：L0=nb+（n-1）d （4-2）选择n，b时，要综合考虑闸门的形式和制造能力，闸门跨度与高度的合理比例，以及运用要求和坝段分缝等因素。我国目前大、中型混凝土坝的孔口宽度一般取用8-16 m，有排泄漂浮物要求时，可以加大到18-20 m。闸门的宽高比，一般采用bH=1.5-2.0左右。为了方便闸门的设计和制造，应尽量采用规范推荐的标准尺寸。第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第8页水利工程概论 2）溢流坝的堰顶高程 由调洪演算得出设计洪水位和相应的下泄流量Q。当采用开敞式溢流时，可利用式（4-3）计算出堰顶水头H0。设计洪水位减去堰上水头H0 即为堰顶高程。（4-3）式中 Q 下泄流量，m3s；L溢流段净长度，m；H0 堰顶作用水头，m；g 重力加速度，9.81m/s2；m 流量系数，与堰型有关；侧收缩系数，根据闸墩厚度和墩头形状确定，取=0.90-0.95；s 淹没系数，视淹没程度而定，不淹没时s=1.0。第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第9页水利工程概论当采用大孔口泄洪时，可利用式（4-4）计算出堰顶水头H0。式中 Ak出口处孔口面积，m2；H0 自由出流时为孔口中心处的作用水头，淹没泄流时为上下游水位差，m；孔口或管道的流量系数，对设有胸墙的堰顶高孔，当H0/D=2.0-2.4（D为孔口高度）时，取=0.83-0.93。的具体取值应通过计算沿程及局部水头损失后确定，具体公式详见水力学。（4-4）第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第10页水利工程概论 3溢流坝的结构布置 闸门和启闭机 水工闸门按其功用可分为工作闸门、事故闸门和检修闸门。溢流坝一般只设置工作闸门和检修闸门。工作闸门常设在溢流堰的顶部，检修闸门和工作闸门之间应留有l-3 m的净距。工作闸门事故闸门动水中启闭，要求有较大的启闭力；静水中启闭，启闭力较小；固定式有螺杆式、卷扬式和液压式三种启闭机有活动式和固定式两种。活动式多用于平面闸门，可兼吊工作闸门和检修闸门 检修闸门动水中快速关闭，闸门重，启门力较大；第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第11页水利工程概论 闸墩和工作桥图图4-3 4-3 溢流坝顶布置图溢流坝顶布置图1-交通桥；2-门机；3-启闭机；4-工作桥；5-便桥；6-工作门槽；7-检修门槽 溢流坝顶布置图分孔，承受闸门上的水压力，支撑工作桥和交通桥形状：作用：使水流平顺，减小孔口的侧向收缩；流线形、圆形。交通桥与非溢流坝顶保持一至高程。长度：高度：满足闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的工作要求。厚度：弧形闸门闸墩的厚度为1.5-3.0m；平面闸门的闸墩设有闸槽，门槽深一般为0.15-0.3m，故闸墩厚度一般为2.0-4.0m。第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第12页水利工程概论 边墩和导墙边墩和导墙示意图边墩：边墩向下游延伸形成导墙，直至鼻坎处为止，应高出掺气后的水面线11.5m，并设缝（15m）。导墙：图图4-4 4-4 边墙和导水墙边墙和导水墙 1-溢流坝；2-水电站；3-边墙；4-护坦 一方面起闸墩的作用，同时也起分隔溢坝段和非溢流坝段的作用，防止溢流坝段泄水干扰电站或其他坝段。第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第13页水利工程概论 横缝的布置 溢流坝段的横缝有两种布置方式：缝设在闸墩中间，如图4-5(a)所示，各坝段产生不均匀沉陷时不影响闸门启闭，工作可靠，缺点是闸墩厚度增大；缝设在溢流孔跨中，如图4-5(b)所示，闸墩可以较薄，但易受地基不均匀沉陷的影响，且水流在横缝上流过，易造成局部水流不顺，适用于基岩较坚硬完整的情况。图图4-5 4-5 溢流坝段横缝溢流坝段横缝布置图布置图第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第14页水利工程概论 溢流面曲线和剖面设计 1溢流面曲线 设计要求是：有较高的流量系数；水流平顺，不产生空蚀。溢流面曲线由顶部曲线段（一般为WES幂曲线）、中间直线段和下部反弧段3部分组成，如图4-6所示。堰面曲线方程为：（4-5）式中 Hd定型设计水头，取堰顶最大作用水头Hmax的75%95%；K，n 与上游面倾斜坡度有关的参数，当上游面垂直时K=2.0，n=1.85；x，y 以溢流坝顶点为坐标原点的坐标，x以指向下游为正，y以向下为正。坐标原点的上游段采用复合圆弧或椭圆曲线，椭圆曲线方程式为：（4-6）式中 aHd、bHd椭圆曲线的长轴和短轴，若上游面铅直，a、b可按下式选取：a/b=0.87+3a，a=0.283.0 第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第15页水利工程概论 、设有胸墙的溢流面曲线如图4-7所示，当校核洪水情况下最大作用水头与孔口高度比值HmaxDl.5时或闸门全开仍属孔口出流时，可按孔口射流曲线设计：式中 Hd定型设计水头，取孔口中心至校核洪水位的75%-95%；孔口收缩断面上的流速系数，一般取 =0.96，若有检修门槽时 =0.95；若1.20.5，应核算B-B截面的应力，如果拉应力较大，可设缝将鼻坎与坝体分开。宽，如图4-8(b)所示。图图4-8 4-8 溢流坝剖面设计图溢流坝剖面设计图第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第18页水利工程概论 消能工的形式与设计 1概述 消能工形式：常用的消能工形式有底流式消能、挑流式消能、面流式消能、消力戽消能及联合式消能（宽尾墩一挑流、宽尾墩一消力戽、宽尾墩一消力池等）。设计洪水标准：消能防冲建筑物设计的洪水标准，可低于大坝的泄洪标准。具体数值如下表：永久性泄水建筑物级别永久性泄水建筑物级别12345设计洪水标准/重现期（年）10050302010消能防冲建筑物设计洪水标准注：需考虑在小于设计洪水时可能出现的不利情况，保证安全运行。第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第19页水利工程概论 2.挑流消能 挑流消能是通过挑流鼻坎将高速水流自由抛射远离坝体，并利用水舌在空中扩散、掺气以及水舌跌入下游水垫内的紊动扩散消耗能量，如图4-9所示。这种消能方式具有结构简单、工程造价省、施工检修方便等优点；但下泄水流会形成雾化，尾水波动较大，且下游冲刷较严重，冲刷坑后形成堆丘等。适用于水头较高、下游有一定水垫深度、基岩条件良好的高、中坝，低坝经过严格论证也可采用这种消能方式。挑流鼻坎的型式连续式差动式原理：特点：适用条件：第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第20页水利工程概论 3.底流消能 底流消能是在溢流坝坝趾下游设置一定长度的护坦，使过坝水流在护坦上发生水跃，通过水流的旋滚、摩擦、撞击和掺气等作用消耗能量，以减轻对下游河床和岸坡的冲刷，如图4-10所示。底流消能原则上适用于各种高度的坝以及各种河床地质情况，尤其适用于地质条件差，河床抗冲能力低的情况。原理：图图4-10 4-10 陆水水电站底流式消能布置图陆水水电站底流式消能布置图(单位：单位：m m)1-一级消力池；2-二级消力池；3-趾墩；4-消力墩；5-尾墩；6-导水墙；7-电站厂房 底流消能运行可靠，下游流态比较平稳。对通航和发电尾水影响较小。但工程量较大，且不利于排冰和过漂浮物。特点：适用条件：第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第21页水利工程概论 4.面流消能 面流消能是在溢流坝下游面设置低于下游水位、挑角不大(挑角小于10-15)的鼻坎，使下泄的高速水流既不挑离水面也不潜入底层，而是沿下游水流的上层流动。水舌下有一水滚，主流在下游一定范围内逐渐扩散，使水流流速分布逐渐接近正常水流情况，故此称为面流式消能（图4-11）。图图4-11 4-11 面流式消能面流式消能 水头较小的中、低坝，且下游水深较大，水位变幅小，河床和两岸有较高的抗冲能力，或有排冰和过木要求的情况。原理：特点：工程量小，但消能效果较差，且易冲刷两岸。适用条件：第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第22页水利工程概论图图4-12 4-12 戽流式消能布置图戽流式消能布置图 在坝后设一大挑角（约45）的低鼻坎（即戽唇，其高度a一般约为下游水深的l6），其水流形态的特征表现为三滚一浪（图4-12）。工程量比底流式消能的小，冲刷坑比挑流消能的浅，不存在雾化问题；但消能效果较差，且易冲刷两岸，底部旋滚可能将砂石带入戽内造成磨损。原理：适用条件：特点：5.消力戽消能1-戽内旋滚；2-戽后底部旋滚；3-下游表面旋滚；4-戽后涌浪与面流式消能基本相同，但不能过木排冰。第一节 溢流坝与坝身泄水孔共43页 第23页水利工程概论二、重力坝的泄水孔二、重力坝的泄水孔 坝身泄水孔的作用 坝身泄水孔的进口全部淹没在设计水位以下，其作用有：预泄洪水，