放水建筑物设计.ppt

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20 30cm和30 30cm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 62 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 5 8 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E 9 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 V E 8 9 81QH 8 1 23QH 1 4 D2 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3 5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3 5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3 5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 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 4 D2 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 4 D2 0 785D2 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 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 2 1 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 5 3 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 3 4 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 40 D D 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 7 0 8 Lj 0 7 0 8 Lj 6 9 h h 4 83 5 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 h 75 H 涵洞断面形状确定后 其尺寸的大小主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 H 75 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Xd d 圆断面水力半径Rd d Xd 求拱涵过水断面积 1 2 h1d 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RR 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