[工学]09第九章 过坝建筑物.ppt

水工建筑物课件 西安理工大学水利水电学院西安理工大学水利水电学院 水利水电工程系教研室水利水电工程系教研室 20072007年年1 1月月 第九章 过坝建筑物 渠首及系建筑物 过坝建筑物：通航、过木、过鱼（鱼道、鱼闸）。 本章只介绍通航建筑物。 渠首工程包括：无坝渠首枢纽和有坝渠首枢纽。 渠系建筑物包括：渠道、渡槽、倒虹吸管、涵洞、 跌水等。 9-1 9-1 通航建筑物通航建筑物 通航建筑物：船闸和升船机。 船闸是利用水力将船队（舶）浮送过坝，通 过能力大，应用最广； 升船机是利用机械力将船舶升送过坝，耗水 量少，一次提升高度大。本节侧重介绍船闸。 （一）组成 一、船闸 船闸由闸室、闸首和引航道组成，见图10-1。 图101 船闸示意图 1闸室；2上闸首；3下闸首；4闸门；5阀门 ； 6输水廊道；7门龛；8检修门槽；9上游引航道；10 下游引航道 （1）闸室介于上、 下闸首及两侧边墙间一个供过坝 （闸）船队（舶）临时停泊的场所。 （2）闸首闸首的作用是将闸室与上、下游 引航道隔开，使闸室内维持上游或下游水位，以便 船队（舶）通过。位于上游端的叫上闸首，下游端 的叫下闸首。 （3）引航道连接闸首与主航道的一段航道 ，设有导航及靠船建筑。其作用是保证船队（舶） 顺利地进、出船闸，并为等待过闸的船队（舶）提 供临时的停泊场所。 （二）过闸程序 过闸的程序如图102所示。 当上行船队要通过船闸时，首先由下游输水设备将 闸室的水位泄放到与下游水位齐平，然后开启下闸 首闸门，船队驶入闸室，随即关闭下闸首闸门，由 上游输水设备向闸室充水，待水面与上游水位齐平 后，开启上闸首闸门，船队上驶离开闸室。此时， 若在上游有船队等待过闸，则待上行船队驶出闸室 后，即可驶入闸室，然后关闭上闸首闸门，由下游 输水设备向下游泄水，待闸室水位与下游水位齐平 后，开启下闸首闸门，船队即可驶出闸室进入下游 引航道，这就是船队过闸的全过程。 图102 船队(舶)过闸程序示意图 （三）船闸的类型 1按船闸的级数分类 （1）单级船闸 只有一级闸室的船闸称为单级船闸。H=1520m( 基岩H=30m)。 （2）多级船闸 图103是我国三峡双线5级船闸总体布置示意图 ，上下游总水头H=113m，是世界上规模最大和水头最 高的船闸。世界上级数最多的船闸是俄罗斯的卡马船 闸，共6级。 2按船闸的线数分类 （1）单线船闸 在一个枢纽内只有一条通航线路 的船闸称为单线船闸，大多采用这种型式。 （2）多线船闸 在一个枢纽内建有两条或两条以上通航线路的船 闸称为多线船闸。我国三峡和葛洲坝水利枢纽分别采 用的是双线和三线船闸。三峡工程双线5级船闸的单 级闸室尺寸为280m34m5m（最小水深），年单向 通过能力为5000万t，一次通过时间约为2小时40分。 3按闸室型式分类 （1）广厢船闸 闸首口门的宽度小于闸室宽度，闸门尺寸缩窄，可 降低造价；但船队（舶）进出闸室需要横向移动， 使操作复杂化，延长过闸时间。 （2）具有中间闸首的船闸 当过闸船队（舶）不均一，为了节省单船过闸时的 用水量及过闸时间，有时在上、下闸首之间增设一 个中间闸首，将闸室分为前后两部分。见图10-5。 图105 具有中间闸首的船闸 1中间闸首；2上闸首；3下闸首；4前闸 室；5后闸室 当水头较高，且地基良好时， 为减少下游闸门的高度，可选用井式船闸。 见图10-5。在下闸首建胸墙，胸墙下留有过闸 船队（舶）所必须的通航净空，采用平面提升 式闸门。当前世界上水头最大的单级船闸 俄罗斯的乌斯季卡缅诺戈尔斯克船闸就是采用 的井式船闸，H=42m。 （3）井式船闸 图106 井式船闸纵剖面示意图 1闸室；2胸墙； 3平面闸门；4人字闸门 （四）船闸的基本尺寸及引航道 船闸的基本尺寸包括：闸室 有效长度、有效宽度及门槛水深。 （1）闸室有效长度 （1） 式中 船队的计算长度m ； 富裕长度m ， 顶推队 ， 拖带船队， ，对非机动船， m。 （2）闸室有效宽度 是指闸室边墙内侧最突出 部分之间的距离。 式中 同闸次过闸船队（舶）并列 停泊的总宽度 m ； 富裕宽度 m ， 当 时， ， 当 时， 。 （3）门槛水深设计最低通航水位至闸首 门槛最高处的水深，按规定 其中，T 为设计最大船队（舶）满载时 的吃水深度。 （4）引航道的长度与宽度 长度：约为过闸船队（舶）计算长度的3.54倍。当引航 道的宽度与航道的宽度不一致时，尚需增设过渡段，其长度不 小于两者宽度差值的10倍。 宽度：是指设计最低通航水位时，设计最大船队（舶）满 载吃水船底处的宽度，应为一侧(或两侧)等候过闸船队（舶） 的总宽度与设计最大船队(舶)宽度之和加富裕宽度，富裕宽度 可采用设计最大船队（舶）宽度的1.5倍。引航道的最小水深视 船闸的等级而定，对、级船闸，应不小于设计最大船队（ 舶）满载吃水深的1.5倍。引航道的横断面一般为梯形，边坡依 土质稳定条件来确定，通常为1：21：3。 引航道平面布置示意图如图108 。 图108 引航道平面布置示意图 1闸室；2闸首；3引航道 （五）过闸时间、 通过能力和耗水量 （2 2）平衡重式升船机）平衡重式升船机 图图10101010（b b） 。利用平衡重。利用平衡重 来平衡承船厢的重量，运行原理与电梯相似。其优点是来平衡承船厢的重量，运行原理与电梯相似。其优点是 ：过坝历时短，通过能力大，运行安全可靠，耗电量小：过坝历时短，通过能力大，运行安全可靠，耗电量小 。缺点是：工程技术复杂，钢材用量多。目前世界上最。缺点是：工程技术复杂，钢材用量多。目前世界上最 大的平衡重式升船机是三峡工程升船机，最大大的平衡重式升船机是三峡工程升船机，最大 二、升船机二、升船机 1 1垂直升船机垂直升船机 （1 1）提升式升船机）提升式升船机 图图10101010（a a） 。类似于。类似于 桥式起重机，船舶进入承船厢后，用起重机提升过坝。桥式起重机，船舶进入承船厢后，用起重机提升过坝。 由于提升动力大，只适用于提升中、小型船舶。我国丹由于提升动力大，只适用于提升中、小型船舶。我国丹 江口水利枢纽的升船机即属于此种类型，最大提升力江口水利枢纽的升船机即属于此种类型，最大提升力 450t450t，提升高度为，提升高度为83.5m83.5m。 l （3）浮筒式升船机图1010（c）。将金属浮 筒浸在充满水的竖井中，利用浮筒的浮力来平衡升船机 活动部分的重量，电动机仅用来克服运动系统的阻力和 惯性力。这种升船机工作可靠，支撑平衡系统简单，但 提升高度不能太大，且浮筒井及一部分设备经常处于水 下，不便于检修。目前世界上最大的浮筒式升船机是德 国的新亨利兴堡升船机，提升高度14.5m，承船厢尺寸 90m12m，厢内水深3.0m，载船吨位1350t。 垂直行程垂直行程113m113m，承船箱尺寸，承船箱尺寸120m18m3.5m120m18m3.5m（水深（水深 ），可通过），可通过3000t3000t级的客货轮，通过时间约为级的客货轮，通过时间约为4040分钟，分钟， 设备总起重能力达设备总起重能力达11800t11800t。 图1010 垂直升船机示意图 (a)提升式；(b)平衡重式；(c)浮筒式 1承船厢；2传动机械；3平衡砣；4钢索；5钢排架； 6支架；7浮筒；8上闸首；9下闸首 2斜面升船机 斜面升船机是将船舶置于承船厢内，沿着铺在斜 面上的轨道升降，运送船舶过坝。 斜面升船机由承船厢、斜坡轨道及卷扬机设备等 部 分组成。图109是斜面升船机示意图。 俄罗斯克拉斯诺雅尔斯克斜面升船机是目前世界 上 运载量最大（2000t）、提升高度最大（118m）的斜 面 升船机。我国已建成最大提升高度为80.0m的湖南柘 溪 水电站的斜面升船机，载船吨位50t。 9-2 9-2 渠首及渠系建筑物渠首及渠系建筑物 一、渠首建筑物一、渠首建筑物 1.1.无坝取水枢纽无坝取水枢纽 当引水比（引水流量与天然河道流量之比）不大、当引水比（引水流量与天然河道流量之比）不大、 防沙要求不高、取水期间河道的水位和流量能够满足或基防沙要求不高、取水期间河道的水位和流量能够满足或基 本满足要求时，只需在河道岸边的适宜地点选定取水口，本满足要求时，只需在河道岸边的适宜地点选定取水口， 即可从河道侧面引水，而无需修建拦河坝（闸）的取水方即可从河道侧面引水，而无需修建拦河坝（闸）的取水方 式，称为无坝取水。常见的无坝取水枢纽的布置有以下式，称为无坝取水。常见的无坝取水枢纽的布置有以下3 3 种型式：种型式： （1）利用弯道环流原理，将取水口建在弯道凹岸 顶点下游一定距离，以引取表层较清的水，排走底沙。 一般由进水闸、导沙坎及沉沙池等组成，见图1014（ a）。 （2）在多泥沙河流上，为减少泥沙入渠，可采用 引渠式取水。将进水闸设在岸边的引渠内，与取水口保 持一定的距离，引渠兼作沉沙渠。在取水口处设导沙坎 ，由冲沙闸冲洗渠内泥沙。冲沙闸与引水渠中线的夹角 一般选用3060 图1014 无坝渠首 （a）山东打鱼张渠首；（b）导流堤式渠首 1导沙坎；2引水渠；3进水闸；4东沉沙条渠；5西沉沙条渠 ； 6泄水闸；7导流堤 （3）如河道流量较小或山区河流坡降较 陡，为提高引水比，可采用导流堤式渠首。在取 水口前修建不拦断河流的导流堤以壅高水位，用 泄水闸泄洪排沙，如图1014（b）所示。 图1015是我国四川都江堰工程布置示 意图。渠首由鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口及金刚堤、 百丈堤等组成。 图1015 都江堰工程布置示意图 2.2.有坝取水枢纽有坝取水枢纽 （1 1）沉沙槽式。利用导水墙与进水闸翼墙在闸）沉沙槽式。利用导水墙与进水闸翼墙在闸 前形成的沉沙槽沉淀粗颗粒泥沙，丰水期开启冲沙前形成的沉沙槽沉淀粗颗粒泥沙，丰水期开启冲沙 闸，将泥沙排向下游，见闸，将泥沙排向下游，见图图10161016（a a）。 （2 2）人工弯道式。利用人工弯道产生的环流，）人工弯道式。利用人工弯道产生的环流， 以减少泥沙入渠，见图以减少泥沙入渠，见图10251025。 （3 3）冲沙廊道式。利用含沙量沿水深分布不均）冲沙廊道式。利用含沙量沿水深分布不均 的特点，在进水闸底部设冲沙廊道，从上面引取表的特点，在进水闸底部设冲沙廊道，从上面引取表 层较清的水，泥沙经由冲沙廊道排向下游，见层较清的水，泥沙经由冲沙廊道排向下游，见图图1010 1616（b b）。 （4 4）底栏栅式。）底栏栅式。 在溢流坝体内设置输水廊道，顶面有金属栏栅在溢流坝体内设置输水廊道，顶面有金属栏栅 。过水时，部分水流由栏栅间隙落入廊道，然后进。过水时，部分水流由栏栅间隙落入廊道，然后进 入渠道或输水隧洞。这种布置型式可防止大于栅条入渠道或输水隧洞。这种布置型式可防止大于栅条 间隙的沙石进入廊道，适用于坡陡流急，水流挟有间隙的沙石进入廊道，适用于坡陡流急，水流挟有 大量推移质的山区河流，见大量推移质的山区河流，见图图10161016（c c）。 图1016 有坝渠首 (a) 沉沙槽式渠首：1沉沙槽；2导水墙；3导沙坎；4溢流坝 ；5冲沙闸；6进水闸；7渠道 (b) 底部冲沙廊道式渠首：1溢流坝；2渠道；3冲沙廊道 (c) 底栏栅式渠首：1底栏栅坝段；2金属栏栅；3输水廊道；4 溢流坝；5进水闸 二、渠系建筑物二、渠系建筑物 为了满足农田灌溉、水力发电、工业及生活为了满足农田灌溉、水力发电、工业及生活 用水的需要，在渠道（渠系）上修建的水工建筑用水的需要，在渠道（渠系）上修建的水工建筑 物，统称渠系建筑物。物，统称渠系建筑物。 1. 1.分类分类 （1 1）渠道。是指为农田灌溉、水力发电、工业）渠道。是指为农田灌溉、水力发电、工业 及生活输水用的、具有自由水面的人工水道。一个及生活输水用的、具有自由水面的人工水道。一个 灌区内的灌溉或排水渠道，一般分为干、支、斗、灌区内的灌溉或排水渠道，一般分为干、支、斗、 农四级。农四级。 （2 2）调节及配水建筑物。用以调节水位和分配）调节及配水建筑物。用以调节水位和分配 流量，如：节制闸、分水闸等。流量，如：节制闸、分水闸等。 （3）交叉建筑物。渠道与山谷、河流、道路 、山岭等相交时所修建的建筑物，如：渡槽、倒虹 吸管、涵洞等。 （4）落差建筑物。在渠道落差集中处修建的 建筑物，如：跌水、陡坡等。 （5）泄水建筑物。为保护渠道及建筑物安全 或进行维修，用以放空渠水的建筑物，如：泄洪闸 、虹吸泄洪道等。 （6）冲沙和沉沙建筑物。为防止和减少渠道 淤积，在渠首或渠系中设置的冲沙和沉沙设施，如 ：冲沙闸、沉沙池等。 （7）量水建筑物。用以计量输配水量的设施 ，如：量水堰、量水管嘴等。 2.渠道 按用途可分为：灌溉渠道、动力渠道（引 水发电用）、供水渠道、通航渠道和排水渠道等 。在实际工程中常是一渠多用，如：发电与通航 、供水结合，灌溉与发电结合等等。 设计的主要内容有：选定渠道线路、确 定断面形状和尺寸、拟定渠道的防渗设施等。 渠道选线的一般原则是： 尽量避开挖方或填方过大的地段，最 好能做到挖方和填方基本平衡； 避免通过滑坡区、透水性强和沉降量 大的地段； 在平坦地段，线路应力求短直，受地 形条件限制，必须转弯时，其转弯半径不宜小于 渠道正常水面宽的5倍； 通过山岭，可选用隧洞，遇山谷，可 用渡槽或倒虹吸管穿越，应尽量减少交叉建筑物 。 3.渡槽 当渠道与山谷、河流、道路相交，为连接渠道而设置 的过水桥，称为渡槽。 设计的主要内容有：选择适宜的渡槽位置和型式，拟定 纵横 断面，进行细部设计和结构设计等。 （1）位置选择 在渠系（渠道）总体规划确定之后，对长度不大的中、小型 渡 槽，其槽身位置即可基本确定，并无多大的选择余地。但对 地 形、地质条件复杂，长度较长的渡槽，常需在一定范围内对 不同 方案进行技术经济比较。定位的一般原则是： 1）渡槽宜置于地形、地质条件较好的地段 。要尽量缩短槽身长度，降低槽墩高度。进、出口应 力求与挖方渠道相接，如为填方渠道，填方高度不宜 超过6m，并需做好夯实加固和防渗排水设施。 2）跨越河流的渡槽，应选在河床稳定、水 流顺直的地段，渡槽轴线尽量与水流流向正交。 3）渠道与槽身在平面布置上应成一直线， 切忌急剧转弯。 （2）型式选择 1）梁式渡槽。渡槽的槽身直接支撑在槽 墩或槽架上，既可用以输水又起纵向梁作用。各 伸缩缝之间的每一节槽身，沿纵向有两个支点， 一般做成简支的，也可做成双悬臂的，前者的跨 度常用815m，后者可达3040m。 2）拱式渡槽。当渠道跨越地质条件较好 的窄深山谷时，以选用拱式渡槽较为有利。拱式 渡槽由槽墩、主拱圈、拱上结构和槽身组成。 主拱圈是拱式渡槽的主要承重结构，常用的主拱圈是拱式渡槽的主要承重结构，常用的 主拱圈有板拱和肋拱两种型式。主拱圈有板拱和肋拱两种型式。 板拱渡槽主拱圈的径向截面多为矩形，可用板拱渡槽主拱圈的径向截面多为矩形，可用 浆砌石、钢筋混凝土或预制钢筋混凝土块砌筑而成浆砌石、钢筋混凝土或预制钢筋混凝土块砌筑而成 。箱形板拱为钢筋混凝土结构。箱形板拱为钢筋混凝土结构。 有关水力、结构计算及细部设计可参阅有关论有关水力、结构计算及细部设计可参阅有关论 著著。 4. 4.倒虹吸管倒虹吸管 倒虹吸管的布置倒虹吸管的布置 选定倒虹吸管位置所遵循的原则与渡槽基本相同选定倒虹吸管位置所遵循的原则与渡槽基本相同 ，即，即管路与所穿过的河流、道路等保持正交，以缩管路与所穿过的河流、道路等保持正交，以缩 短管路长度；短管路长度；进、出口应力求与挖方渠道相连，如进、出口应力求与挖方渠道相连，如 为填方渠道，则需做好夯实加固和防渗设施；为填方渠道，则需做好夯实加固和防渗设施；为减为减 少开挖管身宜随地形坡度敷设，但弯道不能过多，以少开挖管身宜随地形坡度敷设，但弯道不能过多，以 减少水头损失，也不宜过陡，以便施工。减少水头损失，也不宜过陡，以便施工。 倒虹吸管可作如下布置：对高差不大的小倒虹倒虹吸管可作如下布置：对高差不大的小倒虹 吸管，常用斜管式或竖井式；对高差较大的倒虹吸管吸管，常用斜管式或竖井式；对高差较大的倒虹吸管 ，当跨越山沟时，管路一般沿地面敷设；当穿过深河，当跨越山沟时，管路一般沿地面敷设；当穿过深河 谷时，可在深槽部分建桥，见谷时，可在深槽部分建桥，见图图10321032。 倒虹吸管由进口段、管身和出口段三部分组成：倒虹吸管由进口段、管身和出口段三部分组成： （1 1）进口段。进口段包括：渐变段、闸门、拦污栅）进口段。进口段包括：渐变段、闸门、拦污栅 ，有的工程还设有沉沙池。进口段与渠道平顺衔接，以，有的工程还设有沉沙池。进口段与渠道平顺衔接，以 减少水头损失。渐变段可以做成扭曲面或八字墙等型式减少水头损失。渐变段可以做成扭曲面或八字墙等型式 （参见（参见“水闸水闸”一章），长度为一章），长度为3 34 4倍渠道设计水深。倍渠道设计水深。 闸门用于管内清淤和检修，双管或多管倒虹吸的进口必闸门用于管内清淤和检修，双管或多管倒虹吸的进口必 需设置闸门，当通过小流量时，可利用部分管路过水，需设置闸门，当通过小流量时，可利用部分管路过水， 以增加管内流速，防止和减少泥沙在管内淤积。不设闸以增加管内流速，防止和减少泥沙在管内淤积。不设闸 门的小型倒虹吸管，可在进口预留检修门槽，需用时临门的小型倒虹吸管，可在进口预留检修门槽，需用时临 时插板挡水。拦污栅用于拦污和防止人畜落入渠内被吸时插板挡水。拦污栅用于拦污和防止人畜落入渠内被吸 进倒虹吸管。进倒虹吸管。 （2 2）出口段。出口段的布置型式与进口段基本）出口段。出口段的布置型式与进口段基本 相同。单管可不设闸门；若为多管，可在出口段预留相同。单管可不设闸门；若为多管，可在出口段预留 检修门槽。出口渐变段比进口渐变段稍长。由于倒虹检修门槽。出口渐变段比进口渐变段稍长。由于倒虹 吸管的作用水头一般都很小，管内流速仅在吸管的作用水头一般都很小，管内流速仅在2.0m/s2.0m/s左左 右，因而渐变段的主要作用在于调整出口水流的流速右，因而渐变段的主要作用在于调整出口水流的流速 分布，使水流均匀平顺地流入下游渠道。分布，使水流均匀平顺地流入下游渠道。 （3 3）管身。管身断面可为圆形或矩形。圆形管因水力条件和）管身。管身断面可为圆形或矩形。圆形管因水力条件和 受力条件较好，大、中型工程多采用这种型式。矩形管仅用于水受力条件较好，大、中型工程多采用这种型式。矩形管仅用于水 头较低的中、小型工程。根据流量大小和运用要求，倒虹吸管可头较低的中、小型工程。根据流量大小和运用要求，倒虹吸管可 以设计成单管、双管或多管。管身与地基的连接及管身的伸缩缝以设计成单管、双管或多管。管身与地基的连接及管身的伸缩缝 和止水构造等与土坝坝下埋设的涵管基本相同。在管路变坡或转和止水构造等与土坝坝下埋设的涵管基本相同。在管路变坡或转 弯处应设置镇墩。为防止管内淤沙和放空管内积水，应在管段上弯处应设置镇墩。为防止管内淤沙和放空管内积水，应在管段上 或镇墩内设冲沙放水孔（可兼作进人孔），其底部高程一般与河或镇墩内设冲沙放水孔（可兼作进人孔），其底部高程一般与河 道枯水位齐平。管路常埋入地下或在管身上填土。当管路通过冰道枯水位齐平。管路常埋入地下或在管身上填土。当管路通过冰 冻地区，管顶应在冰冻层以下；穿过河床时，应置于冲刷线以下冻地区，管顶应在冰冻层以下；穿过河床时，应置于冲刷线以下 。管身所用材料可根据水头、管径及材料供应情况选定，常用浆。管身所用材料可根据水头、管径及材料供应情况选定，常用浆 砌石、混凝土、钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土等，其中，后两砌石、混凝土、钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土等，其中，后两 种应用较广。种应用较广。 图1032 带有沉沙池的倒虹吸管进口布 置 1上游渠道；2渐变段；3沉沙池；4拦污栅； 5进口闸门；6进水口；7冲沙闸；8启闭台；9便桥 5.涵洞 当渠道与道路相交而又低于路面时可设置输 水用的涵洞；当渠道穿过山沟或小溪，而沟溪流