第9章-水工建筑物枢纽布置设计

1、第九章 水工建筑物枢纽布置设计教学目标：1、 了解设计阶段的划分以及各阶段的主要任务2、 了解枢纽布置的原则3、 了解枢纽布置中各类建筑物的关系。教学重点及难点： 如何满足各类建筑物的要求并协调好各类建筑物之间的关系。1水利枢纽设计阶段的划分1.1设计所需要的基本资料：自然地理；地质；水文；气象；社会经济；相关规程与规范。1.2设计阶段的划分：预可行性研究、可行性研究、招标设计、施工详图设计（原先：可行性研究报告、初步设计、招标设计和施工图设计）可行性研究报告阶段：论证拟建工程在技术上的可能性、经济上的合理性、以及开发次序上的迫切性。包括以下内容：初拟主要水文参数，查清主要地质问题，选定工程地

2、址；估算淹没补偿和对环境的影响；初定工程等别、建筑物级别，主要建筑物的形式、轮廓尺寸和枢纽布置方案，装机容量和机型；估算主要工程量，初拟施工导流方案、主体工程的施工方法、施工总体布置和总进度；估算工程总投资，进行经济分析和评价，阐明工程效益。初步设计阶段：包括确定拟建工程的等别和主要建筑物的级别；选定各种特征水位；选定坝型、输水线路、主要建筑物的形式、轮廓尺寸及枢纽布置；确定装机容量，选择机组型号和其他机电设备；确定施工导流方案及主体工程的施工方法、施工总体布置及总进度、对外交通和施工设施；提出建筑材料、劳动力和风、水、电的需要量；论证对环境的影响及环境保护；进行经济分析，阐明工程效益。招标设

3、计阶段：合同文件和工程文件。前者包括：投标须知和合同条款、合同格式和投标格式；后者包括技术规范和图纸。施工祥图阶段：建筑物地基开挖图、地基处理图、建筑物结构图、钢筋混凝土结构的钢筋图、金属结构及机电设备的安装图等。2蓄水枢纽2.1坝址与坝型选择坝址、坝型选择和枢纽布置三者是互相联系的，不同的坝轴线可以选用不同的坝型和枢纽布置。如河谷狭窄，地质条件良好，宜于修建拱坝；河谷宽阔，地质条件较好，可以修建重力坝或支墩坝；河谷复盖层厚或地质条件较差且土料含量丰富，宜于修建土石坝。对同一条坝轴线，还可以考虑几种不同的坝型和枢纽布置方案。在选择坝址、坝型和枢纽布置中不仅要研究枢纽附近的自然条件，而且还要考虑

4、枢纽的施工条件、运行条件、总和效益、投资指标及远景规划等，这是水利枢纽设计中贯穿在各个阶段的一个十分重要的问题。在选择坝址、坝型时，需要考虑以下几个方面的问题。1、地质条件坝址地质条件是水利枢纽设计中的重要条件之一。坝址选择中要对以下几个方面的地质问题引起足够的重视：坝址选择中要对以下几个方面的地质问题引起足够的重视： 1）、断裂问题。 特别要注意与坝轴线几乎平行的断层及顺河大断层，了解断层破碎带中胶结情况，是否有裂隙承压水存在等，以便提出合理的处理措施； 2）、河间地块（指两段河流之间的区域）作为坝址比较理想但河流的弯曲往往与构造因素有关，因此必需注意河间地块的构造问题；3）、在顺向河谷（指

5、岩层走向和河流的流向一致）中，总有一岸是雨岩层倾向一致的顺向坡。当岩层倾角小于地形坡角，岩层中在地形上存在凌空面，这种岸坡极易发生滑动，应当注意；4)、对于岩溶地区，要掌握岩溶发育的规律，特别要注意潜伏溶洞，溶沟和溶槽，查明岩溶对水库蓄水和对建筑物的影响，并提出有效的处理措施。2、地形条件坝址选在峡谷地段，坝轴线较短，坝体工程量小；但不利于泄水建筑物的布置、施工导流和施工场地的布置，因此需要综合考虑。选用土石坝时，应注意库区有无垭口可供岸边溢洪道；上、下游有无开阔地区，可供布置施工场地，对于有泥沙及有漂木要求的河道，还应注意水流的形态，在选择坝址时，应当考虑到泥沙和漂木进入取水建筑物。对于有通

6、航要求的枢纽，则应注意通航建筑物于河道的连接。3、建筑材料坝址附近应有足够数量符合质量要求的建筑材料。对于料场分布、开采条件、埋藏深度、施工期淹没问题应认真考虑。4、施工条件要便于施工导流；要求坝址附近特别是下游有较开阔的地形，以便布置施工场地；距交通干线较近，对外交通方便；可与永久电网连接，解决施工用电的困难。5、综合效益 对不同坝址要综合考虑防洪、灌溉、发电、航运、过木和旅游等各部门的经济效益。2.2、枢纽布置枢纽布置就是枢纽中各个水工建筑物的相互位置，是枢纽设计中的一项重要内容，由于这项工作需要考虑的因素多，涉及面广，因此，需要从设计、施工、运行管理、经济等各方面进行全面论证，综合比较，

7、最后从若干个比较方案中选定最好的枢纽布置方案。1、枢纽布置的一般原则1）、坝址、坝型选择和枢纽布置应与施工导流、施工方法和施工期限等结合考虑，要在较顺利的条件下缩短工期。2）、枢纽布置应满足个建筑物在布置上的要求，保证各个建筑物在任何工作条件下都能正常工作。 3）、在满足建筑物强度和稳定的条件下，降低枢纽总造价和年运转费用。 4）、枢纽中个建筑物布置紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少联结建筑。 5）、尽可能使部分建筑物早期投产，提前发挥效益（如提前蓄水，早期发电或灌溉）。 6)、枢纽的外观应与周围的环境协调，在可能条件下注意美观。2、各类建筑物在枢纽布置中的要求1)、挡水建筑物 除

8、拱坝外，通常布置成直线，这样坝轴线较短，坝身体积小，对建筑物的受力状态有利，并便于与相邻的建安转物的联结。但有时受地形和地质条件的限制，也可将坝轴线布置成折线。2)、泄水建筑物泄水建安转物包括溢流坝、岸边溢洪道、泄水空、泄水隧洞等。溢流坝前缘应正对上游来水的主流方向，特别当坝轴上游不远处有河道转弯时更要注意；下游出口方向最好与原河道的主河槽水流方向一致。溢流坝应尽量建在坚硬完整的岩基上，以利于解决下游消能防冲问题。当溢流坝与厂房段并列布置时，一般应尽量将前者布置在深槽，以保证泄水流畅。为了减少下游水流对对其它建筑物的影响，有时需在溢流坝与这些建筑物之间布置导墙。岸边式溢洪道应尽量布置在高程较低

9、的垭口处。要求进口水流平顺；溢溜堰及泄槽的布置要结合地形、地质及水流条件综合考虑；出口出应采用适当的消能外，还应防止对水电尾水及航道出口的干扰。泄洪隧洞的布置，主要取决于地形、地质、施工及枢纽布置等条件。进口应力求使水流平顺，出口布置应注意消能及防止对其它建筑物的影响。当河流含沙量大，坝前淤积严重时，应采取排沙措施。冲沙孔常布置在厂房进口附近，其高程应满足运用上的要求。3)、水电建筑物水电站进口前水流应顺直，不发生漩涡及横向水流，进口高程由水利计算确定。 坝后式厂房应尽可能靠近坝下，以减小引水管路的工程量和水头损失。对河床式水电站，由于泄水建筑物占据了主河槽，厂房多布置在岸边，但应避免由于泥沙

10、淤积造成尾水位壅高，从而降低发电水头。如溢流坝采用挑流或面流的消能方式，则在布置上要采取适当措施以减小下游河床的冲刷、淤积、回流等对尾水的影响。当河床狭窄，不能并列布置溢流坝及厂房时，可以采用坝内式厂房、厂房顶溢流式、挑越式或地下厂房等布置方式。这些星式可以减少枢纽布置，减少工程量，但坝体及厂房结构比较复杂。引水式电站的厂房位置主要取决于地形和地质条件，一般多为裁弯取直，利用河道天然落差，增加发电水头。4)、灌溉和引水建筑物（详见下节）引水建筑物可包括进水闸、坝身引水管或引水隧洞。引水建筑物的取水口应位于用水地区的一侧，其高程取决于用水地区的高程。为适应灌溉需要，可采取适当措施分层取用表层水。

11、当枢纽采用堰闸或无坝取水时，取水口一般应选在弯道下游段凹岸一侧；对取水口的引水角，门前排沙、以及进水闸后排沙（如沉沙池、排沙闸等）均需要布置得当。水利枢纽设计需要通过论证比较，选出最优方案。所谓好的方案，应当是技术上先进和可能，经济上合理，施工期短，运行可靠，管理方便。2.3枢纽布置实例3引水枢纽3.1引水枢纽作用以及类型引水枢纽的作用是把河流中的水引入渠道，以满足灌溉、发电、工业及生活用水等需要；并防止粗粒泥沙进入渠道。引水枢纽位于引水渠道首部，又称渠首工程。根据是否有拦河闸（坝）又分为有坝引水枢纽和无坝引水枢纽。无坝引水枢纽：它是一种最简单的引水方式，在河道上选择适宜地点开渠并修建必要的建

12、筑物引水，称无坝引水枢纽。通常由进水闸、冲沙闸、沉沙池、河道整治建筑物及泄水排沙渠等组成。无坝引水枢纽在大江、大河的下游或山区河流上采用较多。有坝引水枢纽：当河道水量比较丰富，但水位较低，不能自流灌溉；或引水量较大，无坝引水不能满足要求时，则应修建拦河坝（闸），以抬高水位，保证引取灌溉所需的流量。通常由溢流坝（亦称壅水坝）或拦河闸、进水闸、防沙冲沙措施、船闸、阀道、鱼道、电站等组成。由于工作可靠被广泛使用。3.2各自特点无坝引水枢纽的优点是工程简单、投资少、施工容易、工期短及收效快，而且不影响航运、发电及渔业，对河床演变影响小。有坝引水枢纽的特点，其优点是引水保证率高，而且不受引水率限制。缺点

13、是工程量大、造价高，且破坏了天然河道的自然状态，改变了水流、泥沙运动的规律，尤其是在多泥沙河流上，会引起渠首附近上下游河道的变形，影响渠首的正常运行。上游水位抬高，流速减小，挟沙能力减低，故河流中的推移质泥沙淤积在上游，使河床逐渐抬高。溢流坝运行初期，上游河床的淤积，下泄的水流含沙量减小，具有很大的冲刷力，使坝下游河床发生冲刷现象。当坝前泥沙淤平后，泥沙被挟带到下游，由于上游大量引水结果，下游河道流量相应减小，而含沙量增大，水流挟沙能力降低，使下游河床淤积。3.3无坝引水枢纽布置1无坝引水枢纽位置选择无坝渠首应设在河道坚固、河流弯道的凹岸，以引取表图95引水口位置层较清水流，防止泥沙入渠。设在

14、弯道顶点以下水深最深、单宽流量最大、环流作用最强的地方。这个地点距弯道起点的距离（L）可按下式初步拟定。 （91）式中m系数，一般取m=0.81.0时； B河道设计水位时水面宽度，m；R弯道中心半径，m。（2）分汊河段上，一般不宜设置引水口。2无坝引水枢纽的布置形式无坝引水枢纽布置形式，可分为一首制渠首和多首制渠首两类。（1）一首制渠首1）弯道凹岸渠首：它适用于河床稳定，河岸土质坚固的凹岸。由进水闸、拦沙坎及沉沙设施等建筑物组成：进水闸、拦沙坎、冲沙闸、沉沙设施。2）导流堤式渠首：在不稳定的河流上及山区河流坡降较陡，引水量较大的情况下，采用导流堤式渠首来控制河道流量，保证引水。导流堤式渠首由导

15、流堤、进水闸及泄水冲沙闸等建筑物组成。（2）多首制渠首：在不稳定的多泥沙河流上，采用一个引水口时，常常由于泥沙的淤塞而不能引足所需的水量，严重时甚至使渠首废弃。这时应采用多首制渠首。3.4有坝引水枢纽布置在弯曲河道上应选择弯道凹岸；在顺直河段，引水口应选在位于主流靠近河岸的地方；在多泥沙河流上应选在河床稳定的地段；兼顾干渠底高程应选择河岸坚固、高度适宜的地段，避免增加渠首土石方开挖量；当河流有支流流入时，应选择支流汇入处的上游，如为了引更多水量，亦可选在其下游，但应充分考虑相互影响。（1）沉沙槽（冲沙槽）式渠首：正面排沙、侧面引水的布置型式。渠首由溢流坝、冲沙闸、泄洪闸、沉沙槽、导水墙、进水闸

16、及防洪堤等建筑物组成（2）人工弯道式渠首：在不稳的河床上，修建人工弯道，根据弯道环流分沙的原理，就可以正面引水、侧面排沙（3）底部冲沙廊道式渠首：根据水流泥沙分层原理，进水闸引取表层较清的水流，底层含沙量较多的水流经底部冲沙廊道排到下游。（4）底栏栅式渠首：引水廊道设在坝内，廊道顶盖有栏栅，当河水从坝顶溢流时，一部分水流经过栏栅流入廊道，然后由廊道的一端流入渠道，河流中的推移质由坝顶栏栅滑到坝的下游，而随水流进入廊道的细沙则经过设在干渠的冲沙道排泄到河道下游。沉沙槽式渠首 人工弯道渠首底部冲沙廊道式渠首 底栏栅式渠首（5）两岸引水式渠首：当两岸均有灌溉要求时，应考虑两岸引水式渠首布置。有如下三

17、种布置形式。1）溢流坝两侧沉沙槽式渠首：溢流坝两岸分别建造沉沙槽，如图915（a）所示，其优点是渠首布置简单，造价较低。缺点是当多泥沙河流主流摆动时，总有一岸引水条件恶化，以致引水不畅。适用条件是河道稳定；或河水满槽、水量丰富、有足够的冲沙流量，使两岸引水口前的河床均能借冲沙闸形成深槽，保证两岸引水。2）拦河闸式渠首：拦河闸具有较大排沙能力，能保持天然河道自然稳定状态，有利于两岸引水防沙，缺点是造价较高。见图915（b）。 （b） 图915两岸引水式渠首(a) 溢流坝两侧沉沙槽式渠首 (b) 拦河闸式渠首1溢流坝；2进水闸；3冲沙闸； 1拦河闸；2进水闸；3冲沙闸；4拦沙坎；5沉沙槽；6导水墙

18、 4拦沙坎；5沉沙槽；6导水墙4 沉沙池4.1沉沙地的作用在多泥沙河流上取水时，虽在取水口采取了防沙措施，但水的含沙量和粒径还不能完全满足用水的要求。因此可在进水口下游设置沉沙池，通过扩大过水断面，减小流速，沉淀不符合用水要求的泥沙。灌溉用水时，应沉淀粒径大于0.03mm0.05mm的泥沙。对发电引水，沉淀粒径大于0.25mm的泥沙即可。沉沙池的沉沙率一般在80%90%。4.2沉沙池的类型按其池厢的平面形状可分为：厢式沉沙池、条渠沉沙池及曲线形沉沙池等几种形式。(1)厢式(又称直线形)沉沙池 它是一种规则整齐的厢槽沉沙设施，按沉沙室的多少可分为单室、双室、多室及有侧渠等四种。(2)曲线形沉沙池

19、 这种沉沙池是利用弯道环流的原理，将沉沙池做成具有90内角的弯曲渠道。(3)条渠沉沙池 利用天然洼地作为沉沙区，在沉沙区内用围堤或格堤分成若干个条 渠，使粗沙沉积4.3厢式(直线式)沉沙池的设计1. 厢式沉沙池的工作情况厢式沉沙池是一个断面尺寸远大于引水渠的静水池。由于断面突然扩大，入池流速显著减小(一般为0.2 m/s0.3m/s)，挟沙能力大大降低，使泥沙在池中沉积。1引水渠2进口联接段3进水栏4沉淀室 5分水墙 6出口连接段 7冲沙廊道 2.厢式沉沙池基本尺寸的确定厢式沉沙池的基本尺寸包括池厢的长度、宽度及深度。(1)池厢长度L的确定 L与池内设计流速、工作水深、泥沙粒径大小、地形条件等

20、有关，通常可用下式计算： (9-2)式中 L池长,m；沉沙池内平均流速,m/s；设计粒径的泥沙沉降速度，m/s。如无试验资料，可按表9-1选用；沉沙池首部工作水深，m。（，为设计淤积高度，H0.3H）；考虑紊流影响的系数，一般采用1.21.5。(2)沉沙池首部深H的确定 沉沙池首部水深可按下式确定： (9-3)式中 z沉沙地上游与排沙通道下游的水面落差，m；q沉沙池的单宽冲沙流量,m3/s；沉沙池的冲沙流速,m/s；i沉沙池底纵坡，一般在0.020.05范围内选定，也可按计算；水电站的沉沙池的深度一般为4m5m，灌溉沉沙池的深度常用2.5m 3.0m。（3）沉沙池宽度确定 沉沙池宽度一般可用下

21、式确定: B = Q / vHp (9-4)式中: 冲沙池的设计流量,m3/s.5 水利枢纽中的过坝建筑物过坝(闸)建筑物是指为通航、过木、过鱼而设置的建筑物。其中，过鱼建筑物指鱼道、鱼闸等，在已往应用中，难于按设计要求将鱼引入鱼道或鱼闸，因而近代多采用其他鱼道过坝(闸)设施。鉴于此，本部分只介绍通航建筑物。为使船队(舶)顺利通过建于河道上的闸、坝和在渠化过程中形成的集中落差，需要修建通航建筑物。5.1通航建筑物通航建筑物分为船闸和升船机两大类：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。5.2船闸船闸的作

22、用是利用水力条件将船浮送过坝，其运输量大，运费低，安全可靠，但耗水量大。1、船闸组成：上下游引航道、上、下游闸首、闸室。(1)闸室。闸室是介干船闸上、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。它由闸墙及间底板所构成，并以闸首内的闸门与上、下游引航道隔开。闸墙及间底板可以是浆砌石的、混凝土、或钢筋混凝上的；二者可以是连在一起的整体式结构，也可以是不连在一起的分离式结构：为了保证闸室充水或泄水时船队(舶)的稳定，在闸墙上设有系船柱或系船环。 (2)闸首。闸首的作用在于将闸室与上、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

23、。在闸首内设有工作闸门(用来封闭闸首口门，将闸室与上、下游引航道隔开)检修闸门，输水系统(专供闸室灌、泄水用，如输水廊道等)，阀门及启闭机系统。此外，在闸首内还设有交通桥及其他辅助设备。闸首由钢筋混凝土、混凝土或浆砌石做成，边墩和底板通常做成整体式结构。(3)引航道。它是连接船闸闸首与主航道的一段航道设有导航及靠船建筑。其作用在于保证船队(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。与上闸首相接的称为上游引航道，与下闸首相接的称为下游引航道。2、船闸类型船闸的类型：单级、多级船闸。前者适用于水头不大于20M的情况；后者适用于高水头的水利枢纽；双线和单线船闸。(1)单级船闸

24、。只有级闸室的船闸称为单级船闸。这种形式船闸的过闸时间短、船队(舶)周转快、通过能力较大、建筑物及设备集中、管理方便。当水头不超过l520m(在岩基上不超过30m)时，宜采用这种形式。(2)多级船闸。当水头较高时，若仍采用单级船闸，不仅过闸用水量大，灌、泄水时进入闸室或引航道的水流流速较高，对船队(舶)停泊及辅水系统的工作条件不利，而且还钭使闸室及闸门的结构复杂化。为此，可沿船闸轴线将水头分为若干级，建造各级船闸。世界级数最多的船闸是原苏联的卡马船闸，共6级。幻灯片23、船闸的基本尺寸及引航道的尺度和宽度船闸基本尺寸：包括闸室有效长度、有效宽度及闸槛上的有效水深。(1)闸室有效长度。是指船队(

25、舶)过闸时，可供安全停泊的闸室长度。当采用分散式输水系统时，应是上闸首门龛下游边缘或帷墙的下游面至下闸首门龛或防撞装置上游边缘的距离。式中，船队(舶)的计算长度富裕长度，对顶推船队， m，对拖带船队，m，对非机动船m。 当采用首部输水系统时，闸室的有效长度应是上闸首镇静段末端列下闸首门龛或防撞装置上游边缘的距离，镇静段的长度一般用612m。(2) 闸室有效宽度。(板书)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，当，当。(3)门槛水深。是指设计最低通航水位至闸首门槛最高点处的水深(m)。按规定 其中，为设计最大船队(舶)满载时的吃水深度。(4)引

26、航道的长度与宽度。单线船闸常用的引航道布置有对称型；反对称型和非对称型。是反对称型的引航道平面布置。引航道的长度约为过问船队计算长度的354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。引航道的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15倍，引航道的最小水深视船闸的等级而定，对I、级船闸，应不小于设计最大船队(舶)满载吃水深的15倍。引航道的横断面一股为梯形，边坡依土质稳定条件来确定，通常为1：21：3。幻灯片35.3升船机1