第十章渡槽ppt课件

,第十章渡槽,渠道系统的水工建筑物（渠系建筑物）,渠系建筑物为保证渠道正常并安全运用，在渠道上修建的各种建筑物按其作用分类：配水建筑物：控制水位的节制闸和调节流量的分水闸、斗门等；量水建筑物：测定流量的量水堰、量水喷嘴、量水槽等；防洪及安全建筑物：保证渠道安全的泄水闸、泄洪涵洞、泄洪渡槽和沉积、排除泥沙的沉沙地、排沙闸等；隧洞：开凿穿过山岗的穿山建筑物；交叉建筑物：渠道与河流、溪谷、道路、渠道交叉时所建的渡槽、桥梁、倒虹吸管和涵洞等；落差建筑物：渠道通过坡度较陡或有集中落差的地段而修建的陡坡、跌水等；,专门建筑物：通航的船闸，利用集中落差发电的水电站和水力加工站等；便民建筑物：便民的行人桥、踏步、码头、船坞等。渠系建筑物共同点：单个工程的规模一般都不很大，但数量多，总的工程量往往是渠首工程的若干倍；建筑物位置分散在整个渠道沿线，同类建筑物的工程条件常相近。渠系建筑物的设计特点:宜采用定型化结构和装配式结构，以简化设计，加快施工进度，缩短工期，降低造价，节省劳力和保证工程质量。,第一节渡槽的组成及类型,一、渡槽的作用、组成及类型渡槽输送渠道水流跨河渠、道路、山冲、谷口等的架空交叉建筑物。古人凿木为槽用以引水；水经注疏记载2000年前，长安城“飞渠引水入城。东为仓池，池在未央宫西”公元前700余年亚美尼亚人用石块砌造渡槽。渡槽组成：槽身、支承结构、基础及进出口建筑物,荷载传递方式：槽身置于支承结构上，槽身重及槽中水重通过支承结构传给基础，再传至地基。渡槽分类：按施工方法分：现浇整体式、预制装配式、预应力渡槽。按所用材料分：木渡槽、砖石渡槽、无筋及少筋混凝土渡槽、钢筋混凝土渡槽以及钢丝网水泥渡槽等。按槽身断面型式分：U形槽、矩形槽、梯形槽、抛物线或椭圆线槽和圆形管等。按支承结构型式分：梁式、拱式、桁架拱式、悬吊式、斜拉式等。,二、渡槽轴线及槽身起止点位置的选择,位置选择的内容：渡槽轴线、槽身起止点位置基本要求：（1）渠线及渡槽长度较短，地质条件较好，工程量最省；（2）槽身起止点尽可能座在挖方渠道上；（3）进出口水流顺畅，运用管理方便；（4）适合所选的槽跨结构和进出口建筑物的结构布置要求。基本要求之间常存在着错综复杂的矛盾：特别是进出口座在挖方渠道上与槽身最短的要求不易同时实现，须通过方案比较确定。具体方案选择时，从以下几方面考虑：,1）槽址尽量选在地质良好、地形有利和便于施工的地方，以利于缩短槽身长度、降低槽墩（架）的高度，而减少渡槽工程量。2）跨越河流的渡槽，槽址应位于河床稳定、顺直的河段，避免位于河流转弯处的凹岸及基础冲刷严重处。渡槽轴线应尽量与河道水流方向正交，两岸建筑物不能过分束窄河床，加重冲刷。对于通航河道，槽下尚应满足通航流速及净空要求。3）渡槽轴线应为直线。转弯时宜采用较大弯道半径，3）渡槽进出口与上下游渠道应平顺连接，不可急转弯，以保证良好的进流及输水条件。4）渡槽进口段或上游的渠道的适宜位置上，可设节制闸和泄水闸的位置，以满足事故和检修停水和泄水的要求。（规范：13级渡槽，进口前渠道的一侧，设置泄水闸会溢流堰。）5）尽量少占耕地，少拆迁房屋，并有宽敞的施工场地。预制装配的渡槽，还要考虑吊装的地形及场地要求。,第二节渡槽的水力设计、荷载及荷载组合,一、渡槽水力设计渡槽的水力设计的已知条件：槽址中心线、槽身起止点位置选择渡槽轴线及槽身起止点位置时已初步确定了进、出口建筑物及槽跨结构的型式和布置。上、下游渠道的断面尺寸渠道通过各级流量的渠水深、渠底高程渠系规划时分配给该渡槽的允许水头损失。水力设计时，应首先定出进、出口渐变段的布置形式与长度，拟定槽身净宽B和净深H，应考虑槽身及槽跨结构的型式，因为结构型式不同，对深宽比H/B的要求不相同。,渡槽水力设计的任务：在渡槽的过水流量Q和槽身及支承结构型式基本选定的前提下，在渠系规划时初拟合理的比降，考虑最不利的水头损失情况，为渡槽预留可能的允许水头损失值Z。具体设计任务：拟定合理的槽身比降i结合槽身及槽跨结构的型式，确定槽身净宽b和净深h通过水头损失及水面衔接的计算，确定渡槽进口高程1、出口高程2、衔接形式。渡槽水力设计的计算步骤：一般按通过最大流量Qmax来拟定槽身的纵坡i、净宽b和净深h，然后按通过设计流量Q0计算水流通过渡槽的总水头损失值（即总水面降落值）Z，如Z等于或略小于规划定出的允许水头损失，则可最后确定i、b和h值，进而定出有关高程。,一）水力计算方法和计算公式,1.渡槽过水能力计算判断过流流态，采用相应的水力学公式进行计算：当渡槽长度L15H时（长槽，H为槽内水深），渡槽过水流量可按明渠均匀流公式计算：,当渡槽长度L15H时，可按淹没宽顶堰计算。槽身为矩形断面时的计算公式：图槽身为U形或梯形断面时的计算公式：流速系数，常取为0.890.95；z0渡槽进口水头损失，m；A槽身过水断面面积，m2。渡槽过水能力，应以加大流量进行验算。如水头不足或为了缩小槽宽，允许进口水位有适量的壅高，其值可取为（13）H,2、水头损失与水面衔接计算,（1）大中型渡槽图1）进口段水面降落zj水流经过进口段时，过水断面减小，流速逐渐加大，水流的位能一部分转化为动能，另一部分消耗于因水流收缩而产生的水头损失，因此形成进口段水面降落zj，取1-1和2-2断面建立能量方程求得：v、v1-槽身断面平均流速、上游渠道断面平均流速，m/s；1-进口渐变段（含节制闸）局部水头系数之和，即进口渐变段水头损失系数与门槽水头损失系数之和；J1-2-进渐变段的平均水力坡降；L1-进口渐变段长度，m。,2）槽身段水面降落值z1：图渡槽为长槽时，槽身段水流为均匀流，则：Z1=il渡槽为短槽时，槽身段水流为非均匀流，计算水面线确定z13）出口段水面回升值z2水流经过出口段时，随着过水断面的扩大，流速逐渐减小，水流的动能一部分消耗于因水流扩散而产生的水头损失，另一部分转化为位能，因此形成出口段水面回升z2，取3-3和4-2断面建立能量方程求得：,4）总水头损失z：图Z=zj+z1-z2Z渠道规划中允许的水头损失。（2）中小型渡槽进口段的水面降落：出口段的水面回升：槽身段水头损失计算同大中型渡槽。,2槽底纵坡i、槽身净宽b和净深h的设计,（1）槽底纵坡i渡槽水力设计的关键：合理选定i值。因：Z=zj+z1-z2，其中zj-z2=0.10.3m；故：长槽Z值主要决定于槽底纵坡i。i值的影响因素多方面，且常互相矛盾：i值大些，槽中流速将增大，故沿程损失及进口水头损失将迅速加大，自流灌溉面积将减小，影响灌溉效益；有通航要求的渡槽，流速大将产生不利影响；i值大些，可以减小槽身断面，节省材料，施工吊装方便；单位槽长的总荷载小，整个渡槽的工程量及工程总投资将减小。,为减少渡槽的工程量，并满足Z渠道规划中允许的水头损失的条件下：应尽可能选择较陡的槽底纵坡。纵坡必须为缓坡，即iD/10(D为槽身直径）当槽身通过加大流量时：水面与槽身顶部或拉杆底面的高差应不小于510cm；平面上轴线弯曲的槽身弯道凹岸槽壁顶部的超高应比直段的超高加大，凹岸顶端的超高增加值：b为槽身通过加大流量时的水面宽度（m）；r为弯道半径（m）；v为通过加大流量时弯道起始断面平均流速（ms）。,3、进出口高程的确定,为使渡槽与上下游渠道的水面平顺衔接，水头损失得以合理利用，既不影响过流能力，又减少渠道冲淤，可将槽身进口底部适当抬高，出口渠底适当降低，来确定各部位的高程：图槽身进口底面高程23+H1-Zj-H槽身出口底面高程21-Z1=1-il槽身出口渠底高程42-y2槽身进口抬高值y1=1-3H1-Zj-H出口渠底降低值y2=H2-Z2-H,二、渡槽的荷载及其组合,（一）荷载种类1.基本荷载恒载，包括结构自重、固定设备重、土重及土压力；槽内水重及水压力；作用于墩台的河床流水压力、静水压力；通行的人群、车辆荷载；风荷载。2.特殊荷载地震力；漂浮物或车辆对墩台的撞击力；温度变化、混凝土收缩引起的力；施工、运输、安装时的静、动荷载及外力等。,1.风压力,渡槽上风压力组成：迎风面的压力、背风面的吸力。横向风力（垂直槽轴方向）横向风力=横向风压迎风面积横向风压：每平米迎风面积上所受横向风力的大小WK1K2K3K4W0W0基本风压值（Pa），若无风速记录时，参照全国基本风压分布图，V为设计风速（m/s），有可靠风速记录时，W0=V2/1.6；K1设计风速频率换算系数，对于特殊渡槽及重要渠道上的大、中型渡槽采用1.0；其他渡槽采用0.85；K2风载体型系数，与建筑物体型、尺度有关，查表K3风压高度变化系数，查表；K4地形、地理条件系数。,风力的作用力点：假定在迎风面积的形心上。纵向风力（顺槽轴方向）因受上部结构和墩台、进出口建筑物的阻挡，较横向风力为小，常按折减后的横向风压乘以迎风面积来计算。2、流水压力作用于河流水中槽墩单位阻水面积上的流水压力r水的重度，10kNm3；v河流的设计平均流速，ms；A槽墩（架）阻水面积，算至一般冲刷线处；K槽墩（架）形状系数，与阻水面形状有关，查表流水压力合力的着力点：设计水位线以下1/3水深处。,3、船只或漂浮物的撞击力通航河流中的槽墩（架）所受的船只撞击力，如无实际资料时，可按表采用。有漂浮物的河流中的槽墩（架）所受的漂浮物撞击力：G漂浮物重力，（kN），应根据河流中漂浮物情况，按实际调查确定；v水流速度，ms；T撞击时间（s），应根据实际资料估计；在无实际资料时，一般用1s；船只撞击力和漂浮物撞击力不能同时叠加。,第三节梁式渡槽,一、槽身结构（一）槽身结构布置与构造1、槽身纵向支承型式与跨度（1）梁式渡槽槽身支撑形式：直接搁置于槽墩或槽架上。横缝分节：为适应温度变化及地基不均匀沉陷等原因引起的槽身变形，必须设置横向变形缝，将槽身分为独立工作的若干节，槽身与进出口建筑物分开。按支承点在槽身上的位置不同分：1）简支梁式图优点：结构简单，施工吊装方便，接缝止水简单。缺点：跨中弯矩较大，槽底全部受拉，不利于防渗。,梁式渡槽布置图,（a）简支梁式；（b）双悬臂梁式；（c）单悬臂梁式；（d）连续梁式,2）双悬臂梁式图等跨双悬臂：a0.25L（L为每节槽身的总长度，a为悬臂长度）均匀荷载作用下，跨中弯矩为零，支座负弯矩较大；等弯矩双悬臂：a0.207L跨中正弯矩数值等于支座负弯矩数值，且比等跨双悬臂的支座负弯矩数值为小；上、下层均需配置纵向受拉筋及构造筋，所以总配筋量可能比等跨双悬臂梁式要多。墩架间距不等，接缝止水因错动而破坏，采用较少,3）单悬臂梁式图使用场合：双悬臂梁式向简支梁式过渡与进出口建筑物连接时。要求：悬臂的长度不能过大，以保证悬臂远端槽身在另一端支座处有一定的压力，绝对不允许出现拉力。4）连续梁式优点：槽身较简支粱槽身受力条件好，在同样跨度和荷载条件下，跨中弯矩较简支梁式小，故可加大跨度。缺点:对地基条件要求高。各支点需保证具有相同的沉降变形，若各支点产生不均匀沉降，槽身将产生较大的附加力矩，还能产生扭曲应力。,（2）跨度跨度-梁式渡槽的关键尺寸。根据经验和统计：简支梁式渡槽的常用跨度是815m，经济跨度大约为槽高（槽底据地面的高度）的0.81.2倍。双悬臂梁式渡槽由于悬臂的作用，跨度可达简支梁式的2倍左右，每节槽身的长度可达3040m。梁式渡槽的槽身多采用钢筋混凝土结构。预应力钢筋混凝土及预应力钢丝网水泥结构：节约钢材和水泥用量，改善结构的力学性能，减小截面面积，减轻自重，加大槽跨（简支梁式可达3040m）,二）槽身的构造,1.钢筋混凝土矩形槽身的构造（图）适于：各种流量。中小流量槽身多设拉杆：拉杆间距为1.52.5m；有通航要求时不设拉杆：侧墙变厚度以增加刚度，顶厚10cm，底厚15cm加肋矩形槽-沿槽长每隔一定距离加一道肋。侧墙底缘与底板底面齐平或稍低，以减小底板拉应力,大流量有通航要求的矩形槽多做成宽浅式的，为使结构合理，槽底可做成多纵梁结构，纵梁间距一般为35m。槽顶人行道：可在拉杆上直接铺板，也可在侧墙顶的一侧或两侧做外伸悬臂板而成，人行道宽一般为0.71.0m，板厚为610cm。箱式矩形槽：深宽比常用0.60.8或更大，顶板可兼做交通桥面，箱中应按无压流设计，顶板与水面之间净空0.20.6m,矩形槽身的侧墙通常都作为纵梁考虑，但其薄而高，所以设计时除考虑强度外，还应考虑侧向稳定。一般以侧墙厚度t与侧墙高度H1的比值tH1（厚高比）作为衡量指标，对于设拉杆的矩形槽，其经验数据为t/H11/121/16，常用厚度t1020cm。,2.U形槽身的构造横断面:半圆加直段,一般设拉杆比矩形槽水力条件好，纵向刚度大，重量轻，省材料。,断面尺寸经验数据：t=(1/101/15)R0；h0=(0.40.5)R0；a=(1.52.5)t；b=(12)t；c=(12)t；d0=(0.50.6)R0；s0=(12)t,(二)槽身结构计算,1、计算方法对于不同横断面形式、不同支承位置以及不同跨宽比与跨高比的槽身，其荷载作用下的应力状态不同，为了使计算成果有较好的精度，应采用不同的计算方法。对于跨宽比大于4.0的梁式渡槽槽身，可按梁理论进行计算，即沿渡槽水流方向按简支梁、双悬臂梁、单悬臂梁或连续梁计算纵向内力，在垂直水流方向截取1m长槽身按平面问题计算横向内力；对于跨宽比小于4.0的梁式渡槽槽身，应按空间问题求解内力与应力。跨宽比小于34的U形槽身一般属于中长壳，用有限元法计算。如跨高比小于或等于5.0，属于深受弯构件。根据SL/T19196水工混凝土结构设计规范规定：“简支深受弯构件的内力可按一般简支梁计算。连续深受弯构件的内力当L/H12.5时应按弹性理论的方法计算，当L/H12.5时可按一般连续梁用结构力学方法计算,2、纵向计算,荷载均布化换算：纵向计算中，作用于槽身的荷载一般按匀布荷载q考虑，包括槽身重力、槽中水重及人群荷载等。（拉杆等小量集中荷载也换算为匀布）（1）矩形槽内力计算：,纵向内力计算图,(a)简支梁(b)等弯矩双悬臂(c)等跨双悬臂梁,配筋计算弯矩及剪力求出后，即可按受弯构件进行正截面和斜截面强度计算，并进行正截面抗裂验算及挠度验算，最后定出侧墙及底板的厚度（还应满足横向计算的要求）和材料标号，以及纵向受力钢筋与构造钢筋的布置。槽身纵向结构计算时，矩形槽身截面可概化为工字形：槽身侧墙为工字梁的腹板，侧墙厚度之和即为腹板厚度；侧墙顶端加大部分和人行道板构成工字梁的上翼缘；槽身底板构成工字梁的下翼缘。,（2）U形槽,内力计算：同矩形槽配筋计算：,3、横向计算,（1）矩形槽身。计算对象；沿槽长方向取1.0m剪力差：Q=Q1-Q2Q分布：在截面沿高度上呈抛物线形，方向向上，绝大部分分布在两边的侧墙截面上。平衡条件：q=Qq-作用在1m槽长上的竖向荷载（包括自身重力及水的重力等）,1）设拉杆的矩形槽计算简图,假定：设拉杆处的横向内力与不设拉杆处的横向内力相同，将拉杆均匀化，且不计拉杆的抗弯作用与轴力对变位的影响，拉杆按铰接考虑。不计底板截面上的剪力，侧墙截面上的剪力不影响侧墙的横向弯矩，故将它集中置于侧墙底面而按支承链杆考虑。G0为槽顶荷载；M0为G0对侧墙中心产生的力矩；P1为作用于侧墙底部水平水压力强度；q2为底板重力与其上水压力之和。,2）不设拉杆的矩形槽，去掉侧墙顶处反映拉杆作用的水平链杆。注意：当槽内半槽水时，底板轴向拉力虽较满槽水时小，但跨中弯矩可能最大值故：跨中的横向配筋应分别按满槽水和半槽水进行计算，并取大者。,（2）有拉杆的U形槽身。作用于单位长度上的槽身荷载与有拉杆矩形槽身相同。假定：断面上的剪力分布成抛物线形，方向沿槽壳厚度中心线的切线方向。拉杆均匀化将所有荷载作用于槽壳厚度的中心线上,二、槽墩和槽架,梁式渡槽的支承结构型式：重力式槽墩、钢筋混凝土槽架、混合式墩架、桩柱式槽架。（一）重力式槽墩根据墩身结构型式分：实体墩、空心墩，墩身下一般都采用扩大基础（又称刚性基础）。1.重力式实体墩（图）墩帽顺渡槽水流方向的宽度：略大于槽身支承面所需要的尺寸，一般不小于0.81.0m；墩帽垂直渡槽水流方向的长度：约等于槽身的宽度；墩帽四周比墩顶外伸510cm；墩帽用C10C20混凝土，厚度不小于0.3m；墩帽顶面根据支承槽身的需要设置支座钢板或油毛毡垫座。,墩帽内应布设钢筋网，大、中跨度的渡槽的整个墩帽都要求布设构造钢筋以防止墩帽及墩身产生裂缝。墩身四侧常以20:140:1的坡比向下放大。,2、梁式渡槽的边槽墩常采用挡土墙式实体重力墩，又称槽台。承受槽身传来的铅直荷载和背面的填土压力，高度一般不超过56m，背面坡的坡度系数m0.250.50顶部也要设置墩帽。墩身下部设排水孔及反滤层，出口高出地面1030cm。,3.混凝土空心墩壁厚约20cm节约材料，自重小刚度大，砼预制块砌筑或砼现浇，在槽高比较大的渡槽中已广泛采用。为了施工等需要，墩身下部和墩帽中央设置进人孔。,（二）钢筋混凝土槽架,一）型式：单排架、双排架和A字架等1、单排架适应高度：15m以内；两根肢柱与等距离布置的横梁组成的单跨多层刚架结构。,2、双排架：空间结构，在较大的竖向及平向荷载作用下，其强度、稳定及地基应力较单排架容易满足，适应高度一般为1525m；3、A字形架：A字形槽架适应高度大，但施工较复杂。由两片互相平行的铅直平面A字形架组成。,二）槽架与基础的连接,形式：固接、铰接。固接情况：排架竖向钢筋直接伸入基础内现场浇筑；肢柱就位于处理好的基础杯口内（凿毛和清洗），浇灌C20细石混凝土并捣实，（a）。铰接情况：柱底填5cm厚的C20细石混凝土，肢柱就位后四周再填5cm厚的C20细石混凝土，上部再填沥青麻丝。,（三）混合式墩架及桩柱式槽架,1.混合式墩架上部是排架，下部是重力墩。位于河道中的槽架，最高洪水位以下常做成重力墩而成为混合式墩架。2.桩柱式槽架桩式基础向上延伸而成的。当地基条件很差时采用双柱式，按柱径变化：分为等截面和变截面两种形式。,2、槽架结构计算,1）单排架计算条件：满槽水加横向风荷、空槽加横向风荷、施工吊装。作用于排架上的铅直荷载：图槽身传给排架的铅直荷载G（槽身重力及槽内水重）；槽身上的横向风荷通过支座传给支柱的轴向压力和拉力G/排架的重力（换算为节点荷载），每一节点荷载等于相邻上半柱和下半柱及横梁重力之半的总和。作用于排架的水平荷载有：通过摩阻作用传至排架顶部的槽身横向风荷P/1；排架支柱上横向风压力Pi（换算为节点荷载）；动水压力Pd。,满槽水加横向风荷条件下，背风面支柱承受的轴向压力最大，应分别对横槽向和顺槽向进行计算。横槽向按排架内力计算成果配置受力钢筋；空槽加横向风荷条件下，迎风面支柱的轴向压力最小，按横向内力计算成果配置受力钢筋。实际配置的受力钢筋应按迎风面支柱计算和背风面支柱计算成果中之大者进行配置。,第四节拱式渡槽,1976年9月底完工。全长（包括上口渐变段）212米，主拱跨106米，地面距拱顶底部28.70米，为等截面悬链无铰拱，拱卷厚2米，用四层细料石砌成。主拱卷上有12个腹拱，为2.5米半圆拱，拱厚0.5米，槽深为矩形钢筋混凝土结构。净宽3.55米，高3.1米，纵坡1/610,设计水深2.7米，设计过水流量30立方米每秒。槽身两侧顶部设有1米宽人行道。槽身共9节，每节长20米。,险峰渡槽,拱式渡槽的组成：槽身、支撑结构支承结构：墩台、主拱圈、拱上结构（图）拱-轴线为曲线，在铅直荷载作用下拱脚产生水平推力的结构。荷载传递：拱上结构将槽身等上部荷载传给主拱圈，主拱圈将拱上铅直荷载转变为轴向压力传给墩台。一、拱上结构及槽身拱上结构型式：实腹式和空腹式。（一）实腹式拱上结构及槽身（图）实腹式拱上结构常用于：中小跨度，槽身断面：矩形主拱圈：一般采用板拱。,旗岭渡槽,主拱圈,墩台,拱上结构（排架）,槽身,东江深圳供水改造工程，是目前全国最大的渡槽。,实腹式拱上结构按构造分：砌背式、填背式。1、砌背式：槽身与主拱圈之间用浆砌石或埋石混凝土