泄水建筑物PPT课件

1 本科毕业设计课程指导 三 泄水建筑物设计 指导老师 刘伟指导地点 B1 201指导时间 2016年4月18日 2 参考文献 水工建筑物水力学混凝土重力坝设计规范SL319 2005碾压式土石坝设计规范SL274 2001溢洪道设计规范SL253 2000面板堆石坝设计规范SL228 2013水工隧洞设计规范SL279 2002水力计算手册水工设计手册 第七卷泄水与过坝建筑物 3 泄水建筑物 定义 主要作用为泄洪 排沙 施工期导流及初期蓄水时向下游输水 防止河道断流 同时又要兼顾水电进水口前冲沙 排漂及排冰等 4 泄水建筑物 常见的形式 低水头水利枢纽的滚水坝 拦河闸 泄水闸 和冲沙闸 高水头水利枢纽的溢流坝 溢洪道 泄水 底 孔 泄水涵管 泄水隧洞 由河道分泄洪水的分洪闸 溢洪堤 由渠道分泄入渠洪水或多余水量的泄水闸 退水闸 由涝区排泄涝水的排水闸 排水泵站等 5 泄水建筑物 坝身式泄水建筑物 溢流坝 坝内泄水涵管岸边式泄水建筑物 岸边溢洪道 泄洪洞 泄水方式 堰流 通过溢流坝 溢洪道 溢流堤和全部开启的水闸的水流 分类 孔流 通过泄水隧洞 泄水涵管 泄水 底 孔和局部开启的水闸的水流 6 设计说明 泄水建筑物设计 泄水建筑物坝体结构设计泄水建筑物的水力设计 泄水形式 布置方案和轮廓尺寸 结构计算和水力计算 若干个 最佳设计方案 经济合理便于施工 与枢纽中其他建筑物综合分析 7 设计要点 溢流坝 溢流坝分类 溢流坝布置在主河道上 溢流表孔就其型式有开敞式和胸墙式两种 开敞式 具有超泄能力大 水流平顺 结构简单 检查维修方便和便于排除漂浮物等优点 胸墙式 对于有些防洪工程 为满足汛前预泄 腾出防洪库容的要求 可将溢流表孔降低 设计成胸墙式表孔 8 设计要点 溢流坝 主要设计内容 确定坝体断面 孔口尺寸和堰顶高程 溢流堰面曲线 闸墩及坝段宽度 说明 坝体断面选取除需满足水力学要求外 尚需满足重力坝基本断面的要求 9 设计要点 溢流坝 开敞式溢流表孔的设计 建筑物的组成 标准式溢流表孔一般由上游曲线段 堰面曲线段 直线段 反弧段以及两侧的闸墩组成 1 堰面形状 堰顶上游堰头的曲线形式 双圆弧曲线三圆弧曲线椭圆曲线 10 设计要点 溢流坝 开敞式溢流表孔的设计 1 堰面形状 堰顶下游堰面的曲线形式 堰顶下游堰面采用WES幂曲线 WES幂曲线可按下式计算 Hd可根据容许负压的大小按堰顶最大作用水头Hmax的75 95 计算 n与上游堰坡有关的指数 k当P1 Hd 1 0时 查表 当P1 Hd 1 0时 k 2 0 2 2 11 设计要点 溢流坝 开敞式溢流表孔的设计 1 堰面形状 溢流堰面下游的切点 溢流堰面下游一般设直线段 也可不设直线段 直接与反弧段相切链接 溢流堰面下游切点可按照WES幂曲线切点斜率与直线段或反弧段切点斜率相等的原则计算出 WES幂曲线切点斜率 直线段或反弧段切点的斜率为1 a a为大坝坝坡系数 由大坝的结构要求确定 12 设计要点 溢流坝 开敞式溢流表孔的设计 1 堰面形状 溢流堰面下游的切点 求得切点坐标 13 设计要点 溢流坝 开敞式溢流表孔的设计 2 闸墩型式 溢流坝闸墩根据具体情况其墩头形状可采用矩形 半圆形 尖圆形和楔形等型式 3 泄流能力 表孔敞泄泄流能力 表孔控泄泄流能力 14 设计要点 溢流坝 开敞式溢流表孔的设计 4 水面线的确定 为了设计闸墩高度 导墙顶高程及选定弧形闸门支铰高程 需知道水面线 水面以上的安全超高可采用0 5 1 5m 对非直线段 安全超高宜适当增加 不掺气的水面线 如何确定参看 水工设计手册 第7卷p 8 11 如水流掺气 则水深增加 边墙高度需相应增加 具体参看 水工设计手册 第7卷p 167 172 15 设计要点 溢流坝 开敞式溢流表孔的设计 5 反弧半径的确定 溢流坝下游反弧半径应结合下游消能方式来确定 对不同的消能方式应选用不同的公式 挑流消能 h为校核洪水位闸门全开时反弧段最低处的水深 m 说明 反弧段流速v 16m s时 反弧段半径可取下限 流速较大时 反弧段半径也宜选用较大值 以致取上限 16 设计要点 溢流坝 开敞式溢流表孔的设计 5 反弧半径的确定 戽流消能 E R与K的相关曲线可由图查得 对于戽流消能 反弧段半径R与流能比K有关 一般选择范围为E R 2 1 8 4 底流消能 参照挑流消能 17 设计要点 溢流坝 消能设计 消能方式的选择根据工程的实际条件 确定消能方式 要求进行充分论证挑流消能 面流消能 底流消能 消力戽消能以及消能方式的组合 18 设计要点 溢流坝 消能设计 挑流消能 消能方式 依靠水流在空中的扩散 与空气的摩擦和掺混 跌入水垫时的扩散与碰撞 以及在水股两侧形成的旋滚等 消耗分散水流的能量优点 不需要保护下游河床 设计施工简便 工程量少 能适应下游水位的较大变幅和便于检修适用范围 坚硬岩石上的高 中坝 低坝需经论证才能选用当坝基有延伸至下游的缓倾角软弱结构面 可能被冲坑切断而形成临空面 危及坝基稳定 或岸坡可能被冲塌时 不宜采用挑流消能 或须做专门的防护措施 19 设计要点 溢流坝段 消能设计 挑流消能 设计内容 1 选定挑坎的形式 连续式 差动式和扭曲式等2 反弧半径R3 坎顶高程和挑角q4 估算水舌挑距 冲坑最大深度以及对建筑物和岸坡的影响等 20 设计要点 溢流坝段 消能设计 底流消能 消能方式 利用底流流态衔接中的水跃 消耗 分散过水建筑物下泄水流能量特点 在水跃区修建护坦或消力池 当河渠为土基或较差的岩基时 在水跃区后还需修建海漫 护坡以及防冲槽 防冲墙等适用范围 中 低坝或基岩较软弱的河道 高坝采用底流消能需经论证 但不宜用于排漂和排冰 21 设计要点 溢流坝段 消能设计 底流消能 设计内容 根据下游河道水深ht和收缩断面水深hc的共轭水深h c的关系 判别上下游水面衔接状态 据以选取适当的工程措施 以实现底流消能的目的工程措施 消力池或护坦等水力计算内容 消力池的深度以及长度或护坦的长度 22 设计要点 溢流坝段 消能设计 面流消能 消能方式 通过面层主流的扩散 紊动 掺气和砍下游形成的底部漩滚等 消耗分散水流的能量优点 工程构造简单 易于施工和适于排泄漂浮物 且不易造成下游河床的严重冲刷适用范围 水头较小的中 低坝 河道顺直 水位稳定 尾水较深 河床和两岸在一定范围内有较高抗冲能力 可排漂和排冰 23 设计要点 溢流坝段 消能设计 面流消能 设计目的 确定坎台的尺寸 使设计的各级流量均能发生需要的面流流态衔接设计步骤 按坎高a 0判别是否产生面流选择坎台高度a对上述选择的坎台高度a进行流态复核计算冲坑深度和校核鼻坎下游防冲齿墙的深度是否安全 24 设计要点 溢流坝段 闸门 闸墩以及导墙的设计 闸门 平板闸门或弧形闸门 要求根据工程的特点 结合两类闸门的优缺点和适用条件 通过充分论证进行选择 闸墩 确定溢流坝段的分缝方式 墩中分缝或跨中分缝 确定闸墩形状及厚度 25 设计要点 溢流坝段 闸门 闸墩以及导墙的设计 导墙 确定导墙长度 高度和厚度 导墙高度根据校核洪水泄流时溢流面水面曲线来确定 底流消能时 导墙至少要延伸到护坦末端挑流消能时 导墙只要要延伸到挑流鼻坎末端 26 设计要点 坝身泄水孔 深孔 有压或无压 深孔型式 根据运行要求确定 进水口中心线的高程 根据放空要求进行设计 孔口尺寸 27 设计要点 溢洪道 28 设计要点 溢洪道 溢洪道布置 应根据地形 地质 工程特点 枢纽布置 坝型 施工及运用条件 经济指标等综合因素进行全面考虑溢洪道布置应结合枢纽总体布置全面考虑避免泄洪 发电 航运及灌溉等建筑物在布置上的相互干扰 29 设计要点 溢洪道 溢洪道的型式 滑雪道式溢洪道 可以和坝体结合在一起 也可以设在坝体以外 30 设计要点 溢洪道 溢洪道的型式 岸边式溢洪道 在坝体外的岸边 特别是在天然垭口处设置岸边溢洪道 有开敞式 正槽 侧槽 井式和虹吸式等 土石坝一般采用超泄能力较大的开敞式溢洪道岸坡陡峭 地质条件良好 又有适宜地形的中 高水头水利枢纽 可采用井式溢洪道中小型水利枢纽可采用虹吸式溢洪道 31 设计要点 溢洪道 溢洪道的位置 应选择有利的地形和地质条件布置在岸边或垭口 并宜避免开挖而形成高边坡当两岸坝肩山势陡峻而布置上又需要较大的溢流前缘宽度时 可采用侧槽式或其他型式的进口溢洪道轴线宜取直线 如需转弯时 宜在进水渠或出水渠段内设置弯道 32 设计要点 溢洪道 进水渠 布置原则1 选择有利的地形 地质条件2 在选择轴线方向时 应使进水顺畅3 进水渠较长时 宜在控制段之前设置渐变段 其长度视流速等条件确定 不宜小于2倍堰前水深4 渠道需转弯时 轴线的转弯半径不宜小于4倍渠底宽度 弯道至控制堰 闸 之间宜有长度不小于2倍堰上水头的直线段 33 设计要点 溢洪道 进水渠 设计内容应根据地形条件 合理选择进水渠轴线 确定进水渠形式及进水渠宽度 底坡及边坡坡度 34 设计要点 溢洪道 控制段 控制堰 闸 轴线需满足下列要求 1 统筹考虑进水渠 泄槽 消能防冲设施及出水渠的总体布置要求2 建筑物对地基的强度 稳定性 抗渗性及耐久性的要求3 便于对外交通和两侧建筑物的布置4 当控制堰 闸 靠近坝肩时 应与大坝布置协调一致5 便于防渗系统的布置 堰 闸 与两岸 或大坝 的止水 防渗排水系统应形成整体 35 设计要点 溢洪道 控制段 设计内容 控制泄量的堰 闸 及两侧连接建筑物1 堰型选择 薄壁堰 宽顶堰 实用堰 驼峰堰等2 溢流孔口尺寸的拟定 溢流堰堰顶高程 溢流前沿长度 设计方法与溢流重力坝相同3 闸门 闸墩的设计 36 设计要点 溢洪道 泄槽 布置1 在选择泄槽轴线时 宜采用直线 当必须设置弯道时 弯道宜设置在流速较小 水流比较平稳 底坡较缓且无变化的部位2 泄槽的纵坡 平面及横断面布置 应根据地形 地质条件及水力条件等进行经济技术比较确定1 泄槽纵坡宜大于水流的临界坡 当条件限制需要变坡时 纵坡变化不宜过多 且宜先缓后陡2 泄槽横断面宜采用矩形断面 当结合岩石开挖采用梯形断面时 边坡不宜缓于1 1 5 并应注意由此引起的流速不均匀问题3 泄槽沿轴线宜为等宽 当需要变化泄槽宽度时 变化角度查相关规范确定 37 设计要点 溢洪道 泄槽 设计内容1 泄槽的平面布置2 泄槽纵断面底坡3 收缩段及扩散段设计4 水力计算及水面线推求5 泄槽横断面尺寸6 泄槽衬砌设计7 泄槽的减蚀措施 38 设计要点 溢洪道 消能设计 设计内容1 消能形式的选择溢洪道可采用挑流消能或底流消能 亦可采用面流 戽流或其他消能型式2 消能工设计 39 设计要点 溢洪道 出水渠 当消能后的泄流不能直接进入原河道时 需设泄水渠使泄流与下游河道的正常水流衔接 泄水渠的底坡要与原河道的接近 轴线方向尽量与河道的水流方向保持较小的夹角 以使出流不影响水电站和船闸等建筑物的正常运行 40 设计要点 其他建筑物设计 放空隧洞设计 描述性即可 41 设计要点 泄洪洞 泄洪洞布置形式 42 设计要点 常规泄洪洞 布置原则 详见规范及设计手册 水力学条件1 进口宜按直接进水布置 宜布置在地势开阔 水流平顺的岸坡边 2 洞身布置应尽量 短 顺 直 3 出口应尽量选在地质条件较好 开挖工程量较少 下游河道比较开阔且河岸抗冲流速相对较大的位置 4 与下游河道中泓线的夹角需考虑出口地形地质条件和水力学条件等因素 其夹角应尽量小 以使得下泄水流归槽条件较好 43 设计要点 常规泄洪洞 布置原则 详见规范及设计手册 洞线 布置型式 闸孔尺寸与进口高程 横断面型式 掺气设施 无压泄洪洞 圆拱中心角 90 180 高宽比 1 1 1 52 有压泄洪洞 常采用圆形断面 洞顶净空余幅与水流Fr数有关 且净空高度不得小于0 4m 44 设计要点 明流泄洪洞 进水口 开敞式 有压短进口 与溢洪道进水口类似 国内多采用哈焕文体型 与坝身泄水孔类似也可采用丁灼仪体型 45 设计要点 有压泄水隧洞 46 双圆弧曲线 图中R1 R2 k n a b等参数的取值见表 堰顶上游堰头为双圆弧曲线 下游为幂函数 47 双圆弧曲线 48 三圆弧曲线 堰顶上游堰头为三圆弧曲线 下游为幂函数 49 椭圆曲线 上游堰面倒悬 堰头为椭圆曲线 下游为幂函数 a b为设计系数 aHd bHd为椭圆曲线长半轴和短半轴 50 椭圆曲线 当P1 Hd 2时 a 0 28 0 30 a b 0 87 3a 说明 上游堰面采用倒悬时 应满足d Hmax 2的条件 当P1 Hd 2时 a 0 215 0 28 b 0 127 0 163 当P1 Hd取值小时 a与b相应取小值 51 挑坎型式及尺寸的选择 挑坎高程 反弧半径 挑角的确定 52 水舌挑距 冲坑最大深度 水舌挑距 冲坑最大深度 53 水面衔接状态 h c ht 远驱水跃 一般修建消力池 消力坎或综合消力池 h c ht 临界水跃 h c ht 淹没水跃 采取具有斜坡进口段的消力池或增设消力墩 齿坎等辅助消能措施 54 消力池水力计算 形成淹没式水跃的途径 增大下游水深 降低护坦高程 在下游形成消力池 在护坦末端修建消能坎壅高水位 在坎前形成消力池 55 消力池水力计算 降低护坦高程所形成的消力池 粗略估算时 可采用 1 消力池深度d的计算 56 消力池水力计算 降低护坦高程所形成的消力池 2 消力池长度LK的计算 3 消力池设计流量的选择 消力池建好后 需要在不同流量情况下工作 因此 需要选择一个设计流量作为代表 消力池长度的设计流量应为建筑物通过的最大流量 57 消力池水力计算 在护坦末端修建消能坎所形成的消力池 池长 坎高 E0保持不变 坎后水流的衔接 58 消力池水力计算 在护坦末端修建消能坎所形成的消力池 1 坎