《出水建筑物》PPT课件

第四章出水建筑物本章讨论：出水池压力水箱出水管道出水流道及断流设施需重视的两个问题：1、水力损失2、工程投资,第一节出水池一、作用与设计要求出水池的位置应结合站址、管线及输水渠道的位置进行选择。1、作用（1）汇流，有时也起分流作用；（2）消能稳流、扩散出水管水流；（3）便于设置防止倒流的设施；（4）便于设置检修和断流设施。,2、设计要求（1）稳定:抗渗稳定整体稳定结构稳定地基牢固不均匀沉陷小（2）流态好，水力损失小；（3）施工和运行管理方便；（4）节省投资。,二、出水池的结构类型1、按水流方向分：（1）正向出水池（水流顺畅、水力性能好）（2）侧向出水池（3）多向分流式出水池,2、按出水管出流方式分：（1）按管口是否淹没：淹没出流、自由出流（2）按管线布置方式：直管式、虹吸式,三、出水池流态分析问题：存在强烈的旋滚区危害：1、增加能量损失2、引起下游河道的冲刷,四、出水池尺寸的确定1、出水管出口直径D0影响：出口损失、拍门及出水池尺寸一般1.52.5m/s对于低扬程泵站，出口流速应取小值；对于高扬程泵站，出口流速可取大值。,2淹深h淹*水平出流可取小值，倾斜向上出流取大值。3池底至管口下缘距离P=0.20.3m,4出水池墙顶高程和池底高程,5出水池宽度式中：n出水管数目；隔墩厚度，m；D0出水管出口直径，m；a出水管边缘至池壁或隔墩的距离，一般取a=(0.51.0)D0。,6出水池长度（1）水面旋滚法（限制旋滚发生在出水池以内）旋滚长度与管口淹没深度、池中有无台坎及台坎的几何参数等因素有关。式中：hs管口上缘的最大淹没水深，m；系数（与台坎形式有关）。上述公式在管口流速较小时较为符合实际，当V01.5m/s时：,（2）淹没射流法假定：水流在池中沿射流方向逐渐扩散，扩散过程中断面平均流速逐渐减小，当断面平均流速等于渠首平均流速时，其扩散长度即为出水池长度。式中：v0出水管管口平均流速；v渠干渠进口平均流速。此法算得的池长一般偏短。修正公式：,7出水池与干渠的渐变段=30458干渠护砌长度,9侧向出水池尺寸的确定（1）池宽侧向出水池的宽度对泵流量的影响：当B4D0时，池宽对出流流量已无影响。单管侧向出水池：B=(45)D0,多管侧向出水池：1-1断面：B1=(45)DC2-2断面：B2=B1+DC3-3断面：B3=B2+DC（2）池长由下图，当L5D0时，流速分布已趋于均匀。所以：单管侧向出水池：L出=L2+Dc+L=L2+6DC多管侧向出水池：L出=L2+L1+L=L2+(n+5)DC+(n-1)S式中：n-管道数目；S-管道之间的净距，m。,第二节压力水箱,一、压力水箱的特点及适用场合1、结构类型（1）按出流方向分：正向、侧向（2）按几何形状分：梯形、长方形、其他（3）按水箱结构分：有隔墩（可改善流态及受力条件）无隔墩2、特点钢筋混凝土封闭式箱形结构3、适用堤后式排涝泵站,二、尺寸确定1、进口宽度2、长度：=3045,3、高度满足检修闸门安装和检修的要求。4、进人孔位置:压力水箱顶部要求:满足最大部件及人员进出;钢板制作，下垫止水橡皮确保足够的强度和密封性要求。,第三节出水管道（压力管道）一、压力管道的设计要求（1）稳定性要求；（2）强度要求；（3）密封要求；（4）水力损失小，运行费用低；（5）投资省；（6）施工、管理、维修方便。,二、线路的选择及铺设方法1线路的选择根据泵站总体布置要求，结合地形、地质条件确定。（1）地质条件好（尽量铺设在挖方上）；（2）管线短而直，尽量避免转弯、曲折；（3）控制纵向铺设角度（小于土壤的自然安息角），尽量垂直于等高线。,2铺设方式（1）明式铺设优点：施工、安装、检修方便缺点：占地多*管间净距0.8m，钢管底部应高出管道槽地面0.6m，预应力钢筋混凝土管承接插口底部应高出管道槽地面0.3m。*注意设检修孔（D1m、管道较长时，2个以上检修孔）*管槽应有排水设施，坡面宜护砌。,（2）暗式铺设（沟埋式）优点：节省土地缺点：施工、安装、检修不便*防锈、防腐（管道设计良好的防锈蚀保护层、防侵蚀措施）。*防冻（管顶最小埋深应在最大冻土深度以下）。*管坡设置排水沟、截流沟及管坡两侧土坡的防护等。,三、管材选择1、管材选择原则（1）足够的强度；（2）较小的水力损失；（3）耐久性好；（4）有利于安装、运输；（5）便于就地取材制作，价格便宜。,2、管材类型铸铁管钢管钢筋混凝土管预应力钢筋混凝土管（）铸铁管低压管（4.5105Pa）中压管（7.5105Pa）高压管（10105Pa）优点：价格便宜、安装方便、不易腐蚀缺点：性脆、壁厚、笨重适用：管径小于600mm的出水管道。,（）钢管优点：强度高、管壁薄、重量轻、接头简单、运输方便缺点：易腐蚀、使用期限短适用：高扬程泵站;管径800mm（）钢筋混凝土管优点：价格便宜、使用期长、运行管理费用低、输水性能好缺点：运输不便，密封性较差，易漏水适用：D=300mm1500mm的低压管道（）预应力钢筋混凝土管优点：节省钢材，弹性和抗渗、抗裂性好，耐压较高、输水性能好缺点：运输不便，密封性较差，易漏水,注意的几个问题:*钢管、铸铁管长期使用后，由于锈蚀，导致内壁产生锈瘤，摩擦损失加大，水头损失可增加30%50%。*水泥管内壁不会积垢，其输水性能几乎不变。*钢筋混凝土管道的设计应满足下列要求：（1）混凝土等级：预应力钢筋混凝土不得低于C40；预制钢筋混凝土不得低于C25；现浇钢筋混凝土不得低于C20。（2）现浇钢筋混凝土管道伸缩缝的宽度应按纵向应力确定，且不宜大于20m。在软硬两种地基交界处应设置伸缩缝或沉降缝。（3）预制钢筋混凝土管道及预应力钢筋混凝土管道在直线段每隔50m100m宜设一个活接头。管道转弯和分岔处宜采用钢管件连接，并设镇墩。,四、管道布置方式及管径的选择1、管道布置方式（1）平行布置优点：管轴线互相平行，管线短而直，水头损失小，施工安装方便缺点：出水池宽度较大适用：机组少、直径大的压力水管,（2）收缩布置优点：可减少出水池宽度，镇墩可以合建，工程投资可减少。,（3）串联布置适用：多台泵多个泵站串联情况,（4）并联布置优点：减少管道和出水池投资。适用：台数较多。,2、管道数确定一般在出水管道长度大于300m时宜采用并联运行的方式，长度小于100m时宜采用单机单管的运行方式，长度在100m300m之间时则需经技术经济比较。考虑到出水管道损坏时检修的可能性，当流量较大时（Q（2.53.0）m3/s），并联后的管道不少于两条，主要取决于对泵站运行可靠性的要求。如出水池建在高填方上，为减少出水池和管道支承结构的工程量，应优先考虑出水管道并联运行的方式。,3、管径确定（1）根据年运行费最小的原则确定（2）经验公式确定混凝土和铸铁管：钢管：Q设计流量,m3/s,*在初步设计阶段，可按经济流速和设计流量确定管径。经济流速建议采用：（1）H100m时，V=2.53.5m/s。,五、出水管道支承结构及管道附件（自学）1、支承结构（1）支墩形式：（a）连续混凝土支墩（现浇混凝土管、沟埋式管）（b）独立混凝土支墩（露天敷设管）作用：承受管道及水的重力、减少振动及管线变形。独立混凝土支墩设置：钢管：间距一般可取5m10m砼管：每节管设2个，在1/4和3/4处,（2）镇墩设置位置：（a）管道转弯处（b）斜坡上长管段(间隔80m100m)作用：承受管道转弯处的各种作用力*两镇墩之间应设伸缩节，伸缩节应布置在上端。形式：封闭式（将管道设于镇墩内），固定牢固。开敞式（将管道置于镇墩表面），便于检修。,2、管道附件（1）正心大小接管（2）闸阀（3）逆止阀（4）人孔管径大于800cm，管道又较长时设置人孔。孔径为500600mm。,（5）缩管接头（6）进气阀防止因水泵倒流管道内出现负压，致使管道失稳破坏。保证管道安全。（7）通气孔在拍门前应设置通气孔。作用:保证管道内压力稳定泵在启动时不超载或出现不稳定工况。（8）岔管,六、镇墩稳定计算稳定计算内容：（1）抗滑稳定（2）抗倾稳定（3）镇墩基底应力计算（4）镇墩强度计算（5）地基承载力计算,1.受力分析镇墩主要承受水管的轴向力，也承受近墩处部分管段的法向力和弯矩，镇墩荷载及有关系数查表。四种荷载组合分别为：正常运行情况：正常停机情况：事故停机情况：地震情况：,2.镇墩设计（1）外形尺寸拟定（2）稳定复核抗滑复核抗倾复核地基应力计算（3）强度复核（4）地基稳定复核,第四节出水流道,出水流道与出水管道的主要区别：（出水流道的特点）1、应用于大型低扬程泵站。2、长度短、断面形状变化复杂。3、钢筋混凝土现浇，与泵房联成整体。4、形式多样。,一、出水流道的作用与设计要求1、作用（1）转向与扩散（2）动能回收。2、形式（1）虹吸式出水流道（2）直管式出水流道（3）斜式出水流道（4）其他,3、设计要求（1）水力损失小线形变化均匀，扩散角不宜过大，以免产生脱流或旋涡；出口流速不宜大于1.5m/s，以充分回收水流动能.（2）线型简单，方便施工（3）满足土建结构布置要求（4）有较好的启动和运行稳定性流道高度、断流方式合适（5）土建投资省,二、虹吸式出水流道优点：运行方便可靠，水泵停机时可通过真空破坏阀破坏虹吸、切断水流。便于穿越堤防、不影响防洪堤的安全。缺点：工程量大、施工较为困难、设计不当易引起机组振动等。适用：出口水位变化不大的低扬程泵站。,1、虹吸式出水流道的虹吸形成过程与破坏（1）虹吸形成过程启动阶段堰流阶段虹吸形成阶段稳定阶段,*在虹吸形成的过程中，流道内的压力很不稳定，可能导致机组启动过程中的强烈振动。因此，需要合理设计流道，既要减少流道水力损失，又要保证启动过程中具有较强的挟气能力，尽量缩短虹吸形成的时间。*虹吸式流道满管流形成之前，由于水流需翻越驼峰，这便会增加水泵的启动扬程。,（2）虹吸破坏水泵正常停机或事故停泵时，可及时打开真空破坏阀，利用驼峰处的负压，使空气进入流道顶部、破坏真空，从而达到截断水流的目的。,2、虹吸式出水流道的设计分段：扩散段弯管段上升段驼峰段下降段出口段,设计参数：出口最低运行水位、最高水位水泵流量泵相关尺寸（叶轮直径、导叶体尺寸）泵房相关的结构控制尺寸,（1）弯曲段中、小型泵出水弯管多用等径弯管曲率半径：R=1.5D,RD？对于变截面异型（肘形）弯管，则主要控制内圆半径R1及外圆半径R2。为满足泵输水和泵站土建设计两方面要求，可取：R1=(0.51.0)D,R2=(0.81.2)D,（2）上升段由圆变方由非圆非方变方上升角：=3045（与泵体结构和泵站出口水位有关）过大:使驼峰处的弯曲角度加大增加局部阻力过小:增加上升段的长度*上升段的断面形状由圆变方逐渐变化（其渐变长度一般不小于管径的两倍）*平面方向上逐渐扩大，立面方向上则略微收缩，轴线向出水方向倾斜。,平面扩散角2：取决于出水弯管出口直径D、驼峰断面的宽度B及上升段的平面长度L2。它们之间的关系可用下式表示:2：会导致水流在平面方向产生脱壁或旋涡，增加流道的水力损失。一般取22812。?,（3）驼峰段驼峰底部的高程底的确定底=max+驼峰断面处平均流速v2的确定v2影响虹吸形成、流道阻力损失。v2，虹吸形成时间，甚至无法形成虹吸。v2，会增加阻力损失。要求：越峰流速接近于能形成虹吸的最小平均流速。驼峰断面的最小越峰流速：一般为：v2=2.02.5m/s。,高度h设计时应尽可能减小驼峰高度，但h过小，hwh过大，影响挟气。一般取h=(0.50.785)DD水泵出口直径。宽度B当h=0.785D时，B=D，上升段=0(不扩散)；hD，,hwB=(12)D下缘内壁半径r=(0.51.0)D避免水流转弯过急，增加水力损失。,（4）下降段下降段一般宽度相等，但为了减少流道出口的动能损失，有的也设计成扩散型。横断面面积逐渐增大，平均流速逐渐减小。倾角对水流流态和工程投资的影响：过大，可减少下降段的长度，节省工程投资，但易引起水流脱壁，影响虹吸形成过程，使流道内的压力不稳定，还会增加流道水力损失；过小，会增加工程投资。一般采用=4070。,（5）出口段尽量回收动能，减小出口水力损失。流道出口流速v3不宜大于1.5m/s。流道出口的顶部高程：规范规定:h淹=0.30.5m。,（6）驼峰顶部真空值的校核式中：H2驼峰顶部实际的真空值；h损驼峰至出口断面的水头损失，m。驼峰顶部的最大允许真空值：式中：H允最大允许真空值(m)，规范规定不超过7.5m；Pa当地海拔高程的大气压力，kPa；Pk临界汽化压力，kPa；A考虑水流的紊动和波浪的安全值，m。,三、直管式出水流道1、布置形式上升式平管式下降式,2、特点(1)断面形状由圆变方，平面和立面均逐渐扩大;(2)流道内的平均流速逐渐减小，各断面都为正压;(3)形状简单、施工方便;(4)采用拍门和快速闸门断流。,2、通气孔通气孔面积:式中：V-出水流道内的空气体积，m3；-风量系数，可取为0.710.815；V-最大气流速度，可取v为（90100）m/s；T-排气或进气的时间，可取t为（1015）s。,四、斜式出水流道,五、出水流道的水力设计1、一维水力设计设计方法：沿流道断面中心线的各断面平均流速均匀变化；断面平均流速等于设计流量除以断面面积。问题：凭经验，无法了解流道内的真实流动情况。2、三维优化水力设计基本思路：给定若干种出水流道边界，进行三维流场计算，以流道内不发生脱流和旋涡、出口断面的流速分布均匀为目标，逐一地优化流道边界