放水建筑物设计

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1、第六节 放水建筑物设计,一、放水建筑物的作用 二、放水建筑物的位置选择 三、竖井设计 四、分级卧管设计 五、输水涵洞设计 举例,放水建筑物主要由取水和输水两部分组成。取水建筑物的形式有卧管和竖井（图6-29,6-30），对水头较高，流量较大或兼有排沙要求的水库可采用放水塔。输水建筑物有输水涵洞，它与卧管或竖井连接，埋在坝下，与坝轴线基本垂直。小型水库的放水设备通常采用分级放水卧管，也有采用转动式、吊球式和滚轮式等深孔闸门。以下主要介绍卧管式和竖井式放水建筑物。,一、放水建筑物的作用,1对于未淤满淤地坝，能排泄小型洪水，放空库容，调节洪水径流，保证坝体安全。 2对于淤满或计划淤种的淤地坝，能及时

2、排泄沟道常流水和坝内积水，及早利用坝地发展生产。 3对于暂作蓄水防洪坝使用的淤地坝，可对下游土地放水灌溉。,二、放水建筑物的位置选择,1在地质上，应最好修筑在岩石或坚硬的地基上，以免发生不均匀沉陷，引起漏水，影响坝体安全。 2涵洞的放水高程应按淤地面积大小决定，哪个高程能较快地淤出一定面积可供利用的耕地，就可放在哪个高程上，而不同于小型水库按“寿命”决定。如果下游有引用坝内排水灌溉时，还应满足下游自流灌溉的要求。 3在平面布置上，尽可能放在沟道一侧，使水流沿坡脚流动，防止切割坝地，同时对坝地安全生产也是有利的。,竖井是淤地坝放水建筑物经常采用的一种形式它虽放水和管理不便，易漏水和遭冰冻破坏，并

3、要求有岩石或坚硬的地基，但结构简单,易为群众掌握。 竖井一般采用浆砌石修筑，布置在坝体上游坡脚。其断面形状多采用圆环形，也有方形的。其内圆直径(d)为0.5-2.0m壁厚随竖井的高度而异，一般为0.3-0.6m。 为便于放水，在竖井上沿高度每隔0.5m左右设一对放水孔，相对交错排列，并用木插板控制孔口开闭。孔口尺寸多为2030cm和3030cm两种。竖井底部与输水涵洞相连。,三、竖井设计,1 放水孔尺寸 (1)按孔口出流公式计算(一个高程一对放水孔放水时)：,式中：一个放水孔的孔口面积(m2)； Q设计放水流量(m3/s)； 流量系数,0.65(方形) H1 孔口中心至水面距离(m)。 0.6

4、2(圆形) ；,（2）上下两对放水孔同时放水时：,式中；H2第二对孔口中心至水面距离(m),2 消力井的最小容积 当水流由放水孔自由下落到井底时，流速很大，具有很大的动能，冲击力也很大，如不处理，则会造成对涵管等的冲刷破坏，所以在井底设消力井消能。消力井的断面尺寸应根据放水流量及竖井高度来计算确定。根据实验，每m3容积的消力井的消能量为7.58.0kw。为了达到充分消能的目的，消力井应具有足够的尺寸。当求出水流实际具有的能量后，即可根据每m3的消能量确定消力井的体积。 水流能量E9.8lQH (kw) 式中：H作用水头(m)，可近似采用正常蓄水位与竖井底部高程的差值。,消力井的最小容积V为：

5、VE/89.81QH/8=1.23QH =1/4D2 深度=长宽高 为了防止因不均匀沉陷而发生竖井与涵洞连接的裂缝，竖井除应选在岩石或硬土地基上外；对于较高的竖井或地基较差时，还应在竖井底部修筑井座，以减小对地基的压力，其高度为1.5-3.0m，厚度可为井壁的两倍。竖井结构可参看教材图6-33。,卧管是修筑在坝体上游山坡上的浆砌石或混凝土放水管，如图6-29所示。卧管的构造简单，管理运用方便，不易漏水，而且卧管可使用砖、石等材料建筑，不需用金属闸门和启闭设备等，因此在淤地坝和小型水库中应用比较广泛。卧管适用于5-25m水头，放水流量在0.1-4.0m3/s的范围。,四、分级卧管设计,（一）卧管

6、的布置 卧管是用浆砌石或混凝土做成的倾斜管道，卧管的坡度由放置的山坡坡度或坝坡而定。一般为1:2-1:4,以利管身稳定。 卧管顶部盖板一般为混凝土板，台阶高差一般为0.4-0.5m，放水孔直径为15-60cm。当放水流量较大时，可布置两条或几条卧管，也可以在同一台阶上布置二个放水孔。孔口用混凝土塞或木塞控制。 放水时自上而下逐级打开，水流进入卧管后，常使水流呈无压流状态，而且由于坡度陡，流速很大，为了保证在卧管内不发生真空，需要在卧管最高处设置通气孔，卧管的底部流速很大，因此，在卧管末端必须做消力池，经消能后，再经过埋在坝下的涵洞与下游灌溉或排洪渠道相连接。,（二）卧管的水力计算 1 设计放水

7、流量的确定 淤地坝放水建筑物的设计放水流量的大小，主要根据放空库容和坝地防洪保收要求来决定。 （1）对于淤满年限在5年以下的淤地坝，只考虑保收。 可按在35天内能够放完溢洪道坎顶以下1.5m深的蓄水量，保证未淤满坝地种植的高杆作物不致因长时间淹没而死亡。,（2）淤满年限在5年以上的淤地坝，应根据防洪、保收两者计算放水流量，取两者中的最大值作为设计放水流量。 保收。在35天内能够放完溢洪道坎顶以下1.5m深的蓄水量。,防洪。依据调洪计算的要求，在35天内放完相当于拦泥库容的10-20的水量，作为设计放水流量，即,2 卧管放水孔尺寸的确定 水流从放水孔流入卧管，由于卧管内经过通气，其压力为大气压，

8、因而这时的水流状态为自由式孔口出流，其流量计算公式为：,式中：H作用水头，即放水孔中心至水面垂直高度 (m)； 流量系数，与进口形状有关，圆形0.62； 放水孔断面积(m2)，放水孔一般采用圆形孔口， 孔径为D，则：=1/4D2,卧管放水时，多以每次同时开启上下两孔为宜（3孔调节）。两孔同时放水时流量公式为： 式中：Hl、H2分别为第1、2两孔的作用水头; 一个放水孔的底部面积(m2)。 当放水孔为圆形时， =1/4D2 =0.785 D2 ，代入上式，则有： 圆形放水孔的直径D为：,3 卧管加大流量的确定 如果采用同时开启上、下两孔的运用方式，则需按3孔调节法计算卧管的加大流量，作为确定卧管

9、、涵洞及消力池断面尺寸的依据。 3孔调节法以3孔为一组，每次两孔同时放水。若水位下降，1、2孔同时放水不能满足设计流量时，则要开l、3孔同时放水；水位再下降，1、3两孔同时放水也不能满足时，则开2、3孔同时放水，直至水位下降至第一孔水深等于零时为止。这时原第二孔就变为第一孔了。采用这种调节方式，能保证在任何库水位时，放出的流量均接近或稍大于设计流量，故称为卧管的加大流量。 加大流量根据流量变化曲线求得，较为麻烦。为简化计算，可近似按设计流量加大20-25来考虑。 Q加=QB=(1+20%25%)Q放,4 卧管断面尺寸的确定 水流由孔口进入卧管后，以无压流的形式沿卧管流动，所以卧管断面尺寸设计按

10、无压流计算。卧管的断面形式有方形、圆形两种，其断面尺寸大小与通过的流量、卧管的纵坡及糙率有关。水流在卧管内流动，近似于明渠陡坡水流，一般可用明渠均匀流公式进行计算。即： 式中：i卧管设计纵坡，一般为1:21:4； 卧管的过水断面积(m2)，卧管断面一般采用矩形，卧管宽度一般采用水孔直径的1.5倍(b=1.5D)；其他符号同前。,根据试验，水流从进水孔跌入卧管时，水柱跃起的高度约为正常情况下水深的2.5-3.5倍(h跃=(2.53.5)h0),为了保证水柱跃高不淹没进水孔，卧管高度应较正常水深加高至3-4倍(h卧=(34)h0)，以保持管内通气顺畅。 对于混凝土圆管，正常水深为管径的40 (h0

11、=40%DD=h0/40%=2.5h0) 。,5 消力池断面尺寸的确定 消力池是卧管与涵管的连接建筑物，消力池使水流平稳进入涵洞。消力池是浆砌石筑成的长方形结构，其水力计算与溢洪道下游消力池计算相同。 池长Lk=(0.70.8)Lj=(0.70.8)Lj=6.9(h“- h) =(4.835.52) (h“- h) 池深d=1.25（h“-ht） 池宽B0=B+0.4。 B卧管宽度； h“跃后水深； h跃前水深(卧管水深)； ht尾渠水深,五、输水涵洞设计,输水涵洞常用的断面形式有圆形、矩形和拱顶矩形3种。 根据其水流状态的不同，又可分为有压和无压输水涵洞两种。有压流时，水流充满整个过水断面流

12、动；无压流时，仅部分断面过水，水流在洞中具有自由表面。若在相同的流量条件下，有压流所需的过水断面较小，而管壁要承受由于内水压力而产生的拉力，故其对材料和结构等要求比无压流涵洞要高。因此，在淤地坝和小型水库中多采用无压输水涵洞。 其中方形涵洞是采用较多的一种，构造简单，用块石砌筑洞底和两边侧墙，用条石盖板或混凝土盖板。它适用于流量较小、洞身填土较低的中小型淤地坝。 拱形涵洞，多适用于流量较大、洞身填土较高的大型淤地坝，一般多采用等截面半圆型砌石拱涵。,拱涵,（一）涵洞断面尺寸的确定,水流在涵洞内同样要求保持无压状态，洞内水深不应超过涵洞净高的75(h75%H)。涵洞断面形状确定后，其尺寸的大小主

13、要根据设计加大流量 Q加大及坡度i确定，一般按明渠均匀流公式试算确定。 对方形和拱顶矩形浆砌石涵洞(图6-34)，其水力要素计算可按以下简化方法确定：,1 方涵（H=B） 要使涵洞内水流保持无压流状态，应使充水度(即洞内水深与涵洞净高的比值h/H75%。 当h/H=75%时： 方涵过水断面积=0.75B2； 湿周X=2.5B； 水力半径R=0.3B。 再根据Q加、i用明渠均匀流公式试算确定B(H),2 拱涵。当水流未充满整个断面时，计算比较复杂。为简化计算，可应用图解法求圆形断面的水力各要素，步骤如下： 按拟定拱涵矩形部分高度(h1)和拱涵净宽d计算洞内水深h、半圆形过水断面的水深h2。当充水

14、度h/(h1+d/2)=75%时，即： 式中：d拱涵的净宽(m)； 则半圆拱部分的水深h2为：h2=h-h1,计算圆断面充水度h/d (目的是查图-圆形断面水力要素求解图) 式中：h拱涵内圆断面的水深，m。,按拟定的拱涵净宽d，计算圆形断面各水力要素值： 圆形断面积d =d2/4=0.78d2； 圆断面湿周Xdd ； 圆断面水力半径Rdd / Xd,求拱涵过水断面积： =1+2h1d+(- d2/8) 式中:1拱涵矩形面积(m2)，1=h1d； 2拱涵拱形部分的过水面积（m2）； 圆形断面阴影部分面积(m2)，由曲线图查算而得。方法是：根据纵坐标h/d值，作水平线交于/d曲线上一点，查出该点对

15、应的横坐标值，则阴影部分面积=(/d) d 。,求拱涵过水断面湿周X： X=X1+X2=(d+2h1)+(X-d/2) 式中：Xl矩形部分湿周(m)； X2拱形部分湿周(m)； X圆形断面阴影部分的湿周(m)，同理由曲线图查算而得。X=(X/Xd)Xd。,计算拱涵过水断面的水力半径R R/X 校核拟定的拱涵断面所通过的流量Q：根据确定的水力要素、R及糙率n、坡度i，代入公式Q实v 计算。 如果通过流量Q实等于或稍大于设计加大流量QB，则拟定的断面尺寸合适；反之，需修改拱涵的断面尺寸，重新计算。,为了减少计算的工作量，淤地坝和小型水库工程可根据QB和i，直接查表确定所需类型涵洞的断面尺寸。将各种

16、常用尺寸的圆涵、方涵、拱涵在1/100及1/200坡度下，能通过的流量列表，供设计时查用。 使用时应注意，对稍高的坝体，为了管理和检修方便，涵洞应当考虑人能够进入，因此，当按流量确定的涵洞尺寸较小时，可适当加大。,举 例,有一水库，坝高40m，库容1000万m3。放水工程采用分级卧管，根据灌溉防洪要求，设计放水流量Q设=1.5m3/s，加大流量为20%，孔口圆形，=0.62，每台2孔，台间垂直距离0.5m，每次开启2台。卧管断面采用矩形，底宽b=1.0m，纵坡1:2，混凝土护面，取n=0.017，下接消力池。涵洞采用方涵放水，纵坡1:100，浆砌块石护面，取n=0.025。 （1）试对此放水工程进行水力设计。（孔口、管身断面、消力池、涵洞尺寸） （2）