拦河坝建筑物

1、8拦河坝 v81拦河坝的结构形式 v82拦河坝的稳定计算 v83拦河坝的消能防冲 v84拦河坝上下游连接建筑物 v拦河坝又称壅水坝，是有坝渠首的主要建筑 物，非汛期时能抬高河道水位，满足自流引 水所需要的高程，即正常壅水位。拦河坝不 但能挡水，而且可从坝顶溢流、宣泄河道多 余的水（包括汛期供水）。因为拦河坝不起 调节流量作用，所以坝的高度较低。 v拦河坝的类型很多，有重力坝、拱坝、支墩 坝等。在取水工程中，重力坝是常用的形式。 图8-1 河南省南湾取水工程溢流坝剖面图 1-坝身；2-粘土防渗铺盖；3-消力池；4-反滤层；5-海漫；6-防冲槽； 7-上游翼墙；8-下游翼墙；9-护坡；10-止水；

2、11-公路桥；12-边墩 8.1拦河坝的结构形式 R15 20 30 30 8.1.1坝顶高程和溢流坝断长度的确定 v坝顶高程和溢流段长度的确定与许多因素有关，其 中主要是： v满足设计水位的要求，保证渠道能引取所需的流 量； v考虑上游淤积平衡后上游洪水位不超过允许的高 程，以免造成过大的淹没损失； v坝顶溢流时，单宽流量应小于下游河道允许的数 值，以减轻下游消能防冲措施的投资。 v在中小型取水工程中，一般坝顶不设闸门。当坝顶不设闸门 时，坝顶高程的确定，可根据引取河道流量的大小，按以下 三种情况分别考虑。 v（1）当取水工程引取河道枯水期全部流量时，溢流坝的设 计水位等于取水工程水位再加0

3、.10.3m过闸水头损失。这时， 坝顶高程等于设计水位，即： v顶=设 v（2）当引水流量较小，实际引取流量小于河道枯水流量时， 河道多余水流可由冲沙泄水闸排泄，水位由冲沙泄水闸控制， 溢流坝顶设计高程与上所述相同。 v（3）当引水工程引取流量小于河道枯水期流量时，河道多 余的水量由坝顶下泄，若其溢流水深为 ，这时坝顶高程 等于设计水位减去溢流水深。即： v顶=设- min H min H 图8-2 溢流坝坝顶高程与坝前水位关系图 （a）坝顶无溢流；（b）坝顶溢流 v溢流段的长度L可根据坝顶泄流量Q及由河床地质条 件选定的单宽流量q来确定，即： v （8-1） v对于中小型取水工程，因坝较低不

4、起调洪作用，所 以通过坝顶泄量Q等于天然河道洪水流量减去取水 工程中其他建筑物，如泄洪闸、进水闸或电站等建 筑物下泄量Q1，为安全起见，将Q1乘以小于1.0的 利用系数： v （8-2） v式中： 为天然河道洪水流量，m/s； 为通过其 他建筑物的下泄流量，m/s；为流量利用系数。设 计情况=0.750.90，校核情况=1.0。 Q L q 1 QQQ 洪 Q洪 1 Q 8.1.2上游回水曲线计算 v取水枢纽筑坝后，坝上游河道水位将壅高并 向上延伸至一定距离。为了定出淹没的范围， 必须绘制回水曲线。理论上回水的影响可传 播到无穷远，但在实用上只考虑影响较大的 一部分。这部分回水曲线可采用下述近

5、似法 计算。 v （8-3） v式中，L为回水曲线水平投影的长度m；h为 坝址处的壅水高度m；i为筑坝前的水面坡降 （一般与河床坡降相同）。 2 h L i 图8-3 回水曲线图 v 在多沙河流上，溢流坝上游游淤积很快，一般 23年即淤平；如遇多沙年，一年内可淤平。 坝上游淤平后，河床坡降减缓。实测统计指出， 冲淤平衡后的坡降约为建坝前河床坡降的70， 由此回水曲线的长度也相应延长，其长度则为： v (8-5) 2 0.7 h L i 8.1.3溢流坝断面形式及尺寸的确定 v溢流重力坝的基本剖面是三角形，溢流面由 三部分组成，顶部曲线段、下游面中间直线 段和下部反弧段组成。 v顶部曲线段的形状

6、和尺寸决定着过坝水流的 流态和泄流能力； v中间直线段坡度取决于坝体稳定和强度要求， 而对取水工程的低坝(30m以下，多数在10m 以下)，主要是稳定要求； v反弧段尺寸主要由下游消能防冲要求所确定。 v上游坝面取决地基状况及坝体稳定和强度要 求，多数情况采用铅直面。 图8-4 溢流坝剖面 v(一)溢流重力坝的剖面布置 v溢流坝的实用剖面由基本剖面(基本三角形)与溢流 面曲线拟合修改而成。图8-5是三种实用剖面。 v图8-5(a)为溢流坝剖面与三角形基本剖面相切而成。 三角形剖面是在基本荷载作用下，满足强度与稳定 的最小三角形剖面。 v图8-5(b)是在上游面扩大坝的底宽，使坝的剖面加 大，坝

7、底中间做一槽，增加摩阻力。这种剖面一般 用于软基或软弱风化严重基岩，稳定不易满足要求 情况。 v图8-5(c)用于地基较好情况。为避免由于溢流曲线 的要求而使断面过分肥大，可使堰顶部伸向上游， 将堰顶做成突出的悬臂。这样可使工程量显著减少， 并能满足设计要求。 图8-5 溢流坝的实用剖面 v（二）溢流坝剖面形式及其尺寸的确定 v1坝顶曲线段 v溢流面曲线的选择是剖面设计中的主要问题 之一。良好的流面曲线应具有阻力小，流量 系数大的特点。采用非真空线型，可避免空 蚀与震动且工程量小。 现多采用WES曲线。 vWES曲线具有流量系数大， =0.502，泄 流平稳，震动轻微，剖面比克奥曲线瘦窄、 经

8、济，见图8-6(b)，加之WES曲线是用方程 式表示的，所以施工放样方便且精度较高。 m 图8-6 WES型剖面堰 （a）WES型剖面图；（b）克奥剖面与WES型剖面比较图 v对于开敞式溢流堰堰顶下游的堰面WES曲线可用下 式表示： v (8-6) v式中： 为定型设计水头；k、n为与上游堰面的倾 斜度有关的参数；x、y为以溢流坝堰顶为坐标原点 的坐标，x以向下游为正，y以向下为 正； ，见图8-6（a）。 v堰顶上游的堰面曲线： v上游坝面为铅直面时，R1、R2、R3等参数见图8-7。 1nn xkHy tan/xy H v图8-7 上游面为铅直面的堰顶上游段堰面曲线 v堰顶水头H等于 时，

9、流量系数 =0.502， 当H不等于 时，流量系数m可按表8-1推 算。 v表8-1 流量系数表（ ） H 0 m H HH v2直线段 v直线段的坡度、由坝体稳定要求决定，一般 为1:0.71:0.85。 v3反弧段 v直线段的下部与反弧段相切，以便将水流平 顺地导入下游。 v反弧半径R按照上游坝高P和水头H参照表8-2 确定，当坝高P小于10m时，反弧半径R可取 0.5P。当坝高较低，溢流水头较高时，溢流 曲线可能与反弧段直接连接，下游坝坡不设 置直线段。 表8-2 反弧半径R值（单位：m） v对于很低的坝，往往因稳定要求所需剖面较 大，坝顶需要加宽，应采用梯形剖面。为了 加大流量系数，常

10、常将坝顶弯角用圆弧连接。 梯形断面的顶宽b、底宽B和坝高P与溢流水 深H有关，可近似地用下式计算： v式中 v0行近流速(ms)， v g重力加速度(9.81ms2)； v 坝体材料在水中的相对密度，浆砌 石1.3，混凝土为1.4。 2 0 0.55()( ) 1 ()( ) 2 bHPHP m v BHPm g 顶宽 底宽 表8-3 溢流坝的底宽 建筑在软基上的溢流坝，由于坝与地基摩擦系数较岩基为小， 故坝底宽度B较大，初步拟定时，可参考表8-3。 8.2拦河坝的稳定计算 v8.2.1地基防渗设施 v地下轮廓布置的原则是滞渗与导渗相结合。即挡排 原理：尽量挡住水漏入，但仍然有少部分渗进来，

11、但要尽快将它排走。 v初步拟定地下轮廓的长度时，一般采用勃莱建议的 方法，即L=CH，其中L为防渗长度（m）；C为渗 径系数，其数值与地基土质及渗流出口排水条件有 关。 v然后根据改进阻力系数法计算出地基渗透压力图形。 v防渗设备包括水平铺盖、垂直板桩和齿墙。一般铺 盖是用粘土、粘壤土、混凝土、钢筋混凝土或沥青 混凝土建造。铺盖的防渗系数应较地基土壤的渗透 系数小100倍以上。铺盖的长度可取为（35）H （H为水头）。 v排水设备可将渗水，以减少渗透压力，增加坝体稳 定性。因此，有计划地排到下游要求排水设备应有 很好的透水性，并与下游畅通。常用的是平铺式排 水，即在地基表面铺设直径为12cm的

12、卵石、砾石 或碎石，厚度为0.20.3m。 8.2.2溢流坝稳定计算 v作用在溢流坝上的力及荷载组合如下。 v1作用在溢流坝上的力 v坝体所受的力主要是自重、上下游水压力(包括水 重)、扬压力和泥沙压力，一般取单位长(m)的坝段 来计算。 v(1)坝体自重。坝体自重按拟定的断面尺寸及坝体材 料的容重来计算。 v(2)静水压力。作用在坝体的上、下游静水压力可分 为水平压力和垂直水重来计算。 v(3)扬压力。扬压力包括渗透压力和浮托力两部分。 (4)泥沙压力。 图8-9 坝体上作用力示意图 P1、P2、P3水平水压力；W垂直水压力；PF浮托力； Pu渗透压力；Pe泥沙压力；Pe铺盖土壤压力 v2荷

13、载组合 v(1)设计情况的荷载组合。分挡水和溢流两种 情况。挡水情况的荷载组合包括自重、设计 水位的上下游水压力、扬压力和泥沙压力。 溢流情况的荷载组合包括自重、坝顶宣泄设 计洪水量时的上下游水压力、扬压力和泥沙 压力。 v(2)校核情况的荷载组合。包括自重、宣泄非 常洪水流时的上、下游水压力，扬压力和泥 沙压力。 8.2.3坝体抗滑稳定验算 v验算坝体抗滑稳定采用安全系数法，有以下两种方 法。 v(1)仅考虑坝底与岩基(或软基)间的摩擦力时，稳定 (抗剪强度)计算公式又称纯剪公式为 v式中：Kc为抗滑安全系数；W为作用于1m宽坝段 上所有垂直力的代数和，包括自重、水重、泥沙重 和扬压力；P为

14、作用于1m宽坝段上所有水平力的 代数和，包括上下游水平方向水压力和泥沙压力；f 为摩擦系数，应由现场试验确定。 c fW K P v(2)若考虑坝底与岩基(或软基)的摩擦力及粘 着力时，应按下列抗剪断公式验算坝体的抗 滑稳定性 v式中：Kc为抗摩安全系数；c为坝底与岩基 接触面上的粘着力，或软基上坝底齿墙间土 壤的粘着力；f为坝底与岩基间的摩擦系数或 软基上坝底齿墙间土壤内摩擦系数；A为岩基 上坝基底面积或软基上坝底齿墙间土体剪切 面的面积。 c fWc A K P 8.2.4基底压力验算 v以中型为主取水工程溢流重力坝一般可不作坝体 应力分析，而只校核基底压力即可。主要是验算 坝基上下游边缘

15、的应力，对于软基上的坝，还应 控制坝底上下游压应力的比值不大于1.53.0， 以免产生过大的不均匀沉陷。 v溢流坝基底压应力可用偏心受压公式计算： v式中：W为所有荷载（外力）对于坝底截面形 心的力矩代数和；为地基允许压应力；B为溢 流坝顶净宽。 2 6 y WW BB 8.3拦河坝的消能防冲 v为了保证溢流坝的安全使用，防止河床冲刷， 一般采取两方面的措施，一是尽可能消除水 流的动能，二是保证河床及河岸不受水流剩 余动能的冲刷。 v在软基上普遍采用底流式消能。 v建筑在岩基上水头较大的溢流坝，则采用挑 流消能。 v下面着重介绍底流式和挑流式消能。 8.3.1底流式消能 v底流消能是在坝趾以下

16、设置消力池，或辅以 其他辅助消能设施。底流消能工作可靠、消 能效果好，下游流态也较平稳，可适用于各 种不同高度的坝和各种河床地质情况，但由 于其工程量较大，多用于中、低坝和地质条 件差的软基。 v消力池的设计主要是计算确定消力池的深度、 长度和底板的厚度。 图8-10 挖深式消力池深度计算 0 0.250.25 2 2 11 3 22 2 32 0 2 22 222 8 111 81 22 0 2 22 cs cc c c cc sc dhhz hhbbaq hFr ghbb aq hT h g aqaq z ghgh 挖深式消力池。消力池的池深d应满足下列条件 v（二）消力池长度计算 v消力

17、池长度包括斜坡段的水平投影长度和平 底段长度两部分： v式中： 为消力池长度，m； 为消力池斜 坡段水平投影长度； 为水跃长度校正系数， 可采用0.70.8； 为自由水跃长度，m。 6.9() sjsj jcc LLL Lhh sj L s L j L v（三）护坦厚度计算 v消力池底板厚度应根据抗冲和抗浮的稳定性 分别计算 v按抗冲要求时： v式中：t为消力池底板始端厚度，m； v 为闸孔泄水时的上、下游水位差，m； v 为消力池底板计算系数，可采用 0.150.20，q为消力池进口处的单宽流量， m/(sm)。 1 tkqH H 1 k v按抗浮要求时： v式中： 为消力池底板安全系数，可

18、采用1.11.3； U为作用在消力池底板底面的扬压力， ；W为作 用在消力池底板顶面的水重， ； 为作用在 消力池底板上的脉动压力， ， 为消力池底板 的饱和重度。 v护坦的厚度应在上两式中取最大值。消力池末端厚 度可取t/2。但消力池最小厚度不得小于0.5m。 2 m b UWP tk 2 k kPa kPa b m P kPa 8.3.2挑流式消能 v挑流式消能是在溢流坝下游坝脚部分建造高 出下游水位的鼻坎，对于溢流拱坝则是在坝 顶建造鼻坎，将下泄的高速水流向空中抛射 出去，最好落在距坝脚较远的河床中形成冲 刷坑，待冲刷稳定后形成较厚水垫，对水流 不仅起撞击作用又起缓冲消能作用。 图8-11 挑流式消能 22 11112 1 sincoscossin2 ( tan LLL Lvvvg hh g LT 图8-11中水舌抛距估算公式： 挑坎高程等于或略低于下游最高水位为宜。挑坎的顶部若做成尖状， 易气蚀破坏，一般做成小圆弧，半径r在0.120.08m。 8.4拦河坝上下游连接建筑物 v8.4.1海漫 v水流在水跃的跃后段内，底流流速较大，紊动强度 也比均匀紊流为高，对河床仍具有较大的冲刷能力。 所以除河床岩质较好，足以抵抗冲刷者外，一般在 护坦后还需要设置较为简易的河床保护段，称为海 漫。 v海漫的长度主