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1、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
2、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4
3、3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
4、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
5、）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，
6、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，
7、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
8、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
9、；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
10、 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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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。
16、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，
