水工建筑物-交叉建筑物(第八章)

水工建筑物-交叉建筑物(第八章)第一页，共79页。§8.1通航建筑物§8.2渠系建筑物

第二页，共79页。§8.1通航建筑物

第三页，共79页。通航建筑物一般在下列情况下修建：①通航的河道被拦河坝、闸截断影响航运；②渠化的河道上形成了集中落差，妨碍航运。通航建筑物分为：船闸和升船机。船闸：利用水力将船只浮送过坝，通航能力大，应用最广。升船机：利用机械将船只升送过坝，耗水量少，一次提升的高度大。第四页，共79页。一、船闸㈠组成：闸室、上下游闸首、引航道等。㈡船闸的工作原理利用输水设备使闸室内水位依次与上下游齐平，使船只顺利通过。㈢船闸的类型1、按船闸的级数分：单级和多级船闸。2、按船闸的线数分：单线和多线船闸。3、按闸室的形式分：广厢式、井式、具有中间闸首的船闸。第五页，共79页。第六页，共79页。三峡五级船闸第七页，共79页。三峡五级船闸第八页，共79页。第九页，共79页。三峡五级船闸第十页，共79页。第十一页，共79页。第十二页，共79页。二、升船机㈠组成承船厢：用于装载船舶。垂直支架或斜坡道：用于运载承船厢。控制装置：驱动或制动，操纵升船机运行。㈡工作原理将船只开进有水或无水的船厢内，利用水力或机械沿垂直或斜面的方向升降船厢，达到使船过坝的目的。船只在有水的船厢内叫湿运，在无水的船厢内叫干运。第十三页，共79页。㈢类型1、垂直船机分为：提升式，平衡重式，浮筒式。2、斜面升船机三、通航建筑物形式的选择及布置㈠通航建筑物形式的选择一般根据水头的大小、地形、地质条件、运输量及运行管理条件并考虑技术经济情况而定。第十四页，共79页。㈡通航建筑物在水利枢纽中的布置1、靠岸边布置，与溢流坝、泄水坝、电站之间应有足够的导水墙。2、船闸应布置在稳定、顺直河段。3、闸室一般布置在坝的轴线下游，这样对闸室的受力条件较为有利。4、对平原地区的低水头枢纽，应当考虑河床变迁及泥沙淤积对航道进、出口影响。5、过坝公路及铁路跨越船闸时，将交通桥布置在下闸首易满足桥下净空的要求。第十五页，共79页。§8.2渠系建筑物

第十六页，共79页。水利枢纽中方便船只、鱼类通过而设置的建筑物称为过坝建筑物。渠系建筑物：为了安全合理地输配水量以满足农田海溉、水力发电、工业及生活用水的需要，在渠系上修建的水工建筑物。主要包括渠道、渡槽、倒虹吸管、涵洞、跌水等。一个灌区内的灌溉或排水渠道，一般分为干、支、斗、农四级，构成渠道系统，简称渠系。第十七页，共79页。渠系建筑物第十八页，共79页。林州红旗渠第十九页，共79页。渠系建筑物的分类与功用配水建筑物：节制闸、分水闸。交叉建筑物：渡槽、倒虹吸管、涵洞。落差建筑物：跌水、陡坡。量水建筑物：量水堰、量水槽。防洪冲砂建筑物：沉沙池、排沙闸泄水闸或退水闸。便民利民建筑物：农桥、码头。第二十页，共79页。渠系建筑物的特点量大面广、总投资多。同一类型建筑物的工作条件、结构型式、构造尺寸较为近似。因此，对其体型结构的合理设计具有十分重要的经济意义。第二十一页，共79页。一、渠道渠道是灌溉、发电、航运、给水、排水等水利工程中广为采用的输水建筑物。渠道分为干、支、斗、农、毛五级。第二十二页，共79页。第二十三页，共79页。㈠渠道选线1、地形条件：平原地区的渠道路线，最好是直线，选在挖方与填方相差不多的地方，应尽量避免深挖高填，转弯也不应过急，对于衬砌的灌溉、动力渠道，转弯半径大于2.5B；对于不衬砌的渠道，大于5B。山坡地区的渠道，应尽量沿等高线方向布置，以免过大的挖填方量。当渠道通过山谷、山脊时，应对高填、深挖、绕线、渡槽、穿洞等方案进行比较。第二十四页，共79页。2、地质条件渠道线路应尽量避开渗水严重、流砂、沼泽、滑坡以及开挖困难的岩石地带。3、施工条件施工时的交通运输、水和动力供应，机械施工场地以及取土和弃土的位置等条件均应加以考虑。第二十五页，共79页。㈡渠道的纵横断面1、渠道的纵断面（确定i）选用渠道纵坡时考虑：地面坡度、土壤情况、流量大小、水源含砂量。2、渠道的横断面当渠道流量Q、比降i、糙率n及边坡系数m为已定时，可按以下步骤计算渠道的实用经济断面。第二十六页，共79页。首先按水力最优断面计算水深hm。然后根据具体情况，选取α值。α值一般取1.01～1.04，（使得渠道断面既与最优水力断面相近，又使水深和相应底宽有一选择范围）根据表格查出b，h，求v。第二十七页，共79页。流速v要在不冲不淤的范围内。一般为1.0～1.5m/s，为了防止渠道杂草丛生，大型渠道的最小平均流速通常应大于0.5m/s，小型的渠道可以不小于0.2～0.3m/s。第二十八页，共79页。㈢渠道的防渗措施1、混凝土衬砌防渗2、沥青护面防渗3、三合土护面防渗4、土料夯实护面防渗第二十九页，共79页。二、渡槽㈠形式与组成1、型式⑴梁式渡槽①简支式：适用：跨度一般小于8～15m，最常用。优点：结构简单，吊装方便，接头止水容易解决。缺点：跨中弯距大，底板受拉，抗裂防渗不利。第三十页，共79页。第三十一页，共79页。第三十二页，共79页。第三十三页，共79页。第三十四页，共79页。②悬臂式：a、双悬臂：等弯距和等跨。b、单悬臂：跨度一般小于15～20m，每节槽身长25～40m。梁式渡槽的经济跨度约为墩架高的0.8～1.2倍，一般当墩架高达15m以上时，采用梁式渡槽不一定经济。可考虑采用拱式渡槽，增大跨度，减少墩架个数。第三十五页，共79页。渡槽的侧墙兼作纵梁时,矩形槽常用过水断面的深宽比h/b常取0.6～0.8。槽身横断面的高宽比H/B一般也取0.6～0.8。⑵拱式渡槽①跨度可达30～100m或更大，可采用单跨拱或多跨拱。②类型：按材料分为砌石、砼和钢筋混凝土。按主拱圈的结构型式分为板拱、肋拱和双曲拱。第三十六页，共79页。a、砌石板拱：净跨小于30m为宜；就地取材，结构简单，便于施工，但自重大，对地基要求高，需搭设脚架。b、肋拱：主拱由2～4根拱肋组成，一般用钢筋砼或少筋砼，也有用砌石，适用于缺乏石料或跨度较大的工程。c、双曲拱：组成部份：拱肋，预制拱波，现浇拱板，横糸梁或隔板。第三十七页，共79页。2、渡槽由进口段、出口段、槽身和支承结构等部分组成。⑴进、出口段应与渐变段、渠道平顺连接。①渠道与槽身以直线相连；②设置渐变段；渐变段长一般为4～6倍渠道水深，出口段略长于进口段。⑵槽身一般为矩形或U形。⑶下部支承结构：重力墩、排架、支承拱等。第三十八页，共79页。㈡总体布置及型式选择1、渡槽宜布置在地质条件良好、地形有利地段。应尽量缩短槽身，降低槽墩高度。槽身短，墩架低，水流畅。2、跨越河流时，应尽量正交，具有足够的高度满足通航要求；3、尽量使进出口在挖方渠道上，槽身伸入渠道一段长度，以防渗。进出口应与渠道平顺相连，槽址避免选在河流的急转弯处。第三十九页，共79页。4、考虑支承结构。地形地质条件；建筑材料情况；施工条件。墩架高，跨度大的宜用拱式。槽身底坡一般比前后渠道更陡些，以避免淤积及减小断面。常用1/200～1/1500。槽内设计流速1～2.5m/s。第四十页，共79页。㈢渡槽的水力计算1、槽身长大于15～20倍的槽内水深h时为长槽，按明渠均匀流计算；否则为短槽，按淹没宽顶堰公式计算，但工程上一般均按明渠均匀流公式计算。z：渡槽设计水头差b、h：槽净宽、水深ε、φ：侧收缩糸数，流速糸数。第四十一页，共79页。2、矩形槽水力最优断面水深h/底宽b=0.5；实用断面h/b=0.6～0.8，侧墙的超高0.2～0.6m；也可用经验公式计算。3、水头损失及水面衔接⑴进口水面降落Z1原因：①局部水头损失；②槽身流速大于上游渠道流速,部份位能转化为动能。Z=(1+K1)(V2-V02)/2g扭面K1=0.1，八字墙为0.2，急变为0.4V0、V、V1——上游渠道、槽身、下游渠道流速第四十二页，共79页。⑵槽身沿程水头损失：Z1=i×L⑶出口水面回升：Z2=0.041(V2-V12)K2：出口局部水头损失系数。取0.2V1：下游河道流速第四十三页，共79页。4、渡槽总水头损失(渡槽上下游水面高差)Z=(Z-Z2)+Z1一般(Z-Z2)约为0.1～0.3m，总水头损失主要取决于Z1=i×L。进口渠底抬高y1=h1-z-h2Δ1=Δ3+y1出口渠底降低y2=h3-Z2-h2Δ2=Δ1-Z1Δ4=Δ2-y2一般y1和y2均为正值，不希望y2出现负值。第四十四页，共79页。第四十五页，共79页。三、倒虹吸管渡槽与倒虹吸相比的主要优点：水头损失小，且底部能过较大的山洪，易于管理维修。跨越建筑物多用渡槽，但以下情况下倒虹吸可能比渡槽经济合理：第四十六页，共79页。第四十七页，共79页。第四十八页，共79页。南水北调中线工程孟良河渠道倒虹吸第四十九页，共79页。1、渠道流量小，水头充裕，且水流含砂量小。2、渠道跨越宽深河谷。(倒虹吸与20~30m高的渡槽相比，约可节省造价30~50％，且施工方便)3、渠道与路河相交，高差小于2~5m时。第五十页，共79页。倒虹吸管有传统鞍座式圆管外，还有美国垦务局用柏氏变形仪实测系数法计算的三种管型，即内马蹄形外城门形、内圆外城门形和内圆外马蹄形三种管型。倒虹吸的缺点是：1、水头损失大；2、运行管理不如渡槽方便。第五十一页，共79页。㈠总体布置与构造型式倒虹吸由三部份组成：进口段，管身段，出口段。布置原则：进出口平顺，管身短直，岸坡稳定，管基密实。设计流速1.5~3m/s，可采用单管或多管。第五十二页，共79页。1、管路纵剖面布置型式⑴竖井式：适用于低水头(H<3~5m)，小流量。⑵斜管式：土基上管坡不陡于1：1.5~1:2，转弯处设镇墩；管顶埋深应低于路面、渠底、1m以下，或位于河谷冲刷线以下0.7~1m以下。第五十三页，共79页。第五十四页，共79页。第五十五页，共79页。第五十六页，共79页。2、进口段布置包括：渐变段，闸门，拦污栅，沉砂池，进水口。要求：⑴水流平顺，减少水头损失。⑵保证在不同流量时进口均处于淹没。进口渐变段一般为扭面，长3~4倍水深h。沉砂池：长4~6h，深T=0.5D+30(cm)。宽B=(1~2)bb为渠底宽。第五十七页，共79页。3、管身段：为减少温度应力，常将管身浅埋于地下，埋深一般为0.5~1m。4、出口段布置管内及出口流速一般为2m/s左右，一般不需消能。但为使水流平顺入渠，仍可设消力池，池深0.5D+40cm，池长3~4h(h为下游渠道水深)。出口渐变段长与消力池同。第五十八页，共79页。5、管身段构造⑴管身结构①钢筋砼管：适用于水头不大于50m，管径小于3m。现浇管：每15~25m长，应设永久性伸缩缝，缝间设止水。管用量不多的小工程可考虑用现浇管。②钢管适用高水头，大直径H.D<540或H>60m。③浆砌石管仅用于水头小于3m。第五十九页，共79页。在大中型输水工程中，对中、低水头较大流量的倒虹吸管，从经济、实用、耐久和方便施工等情况出发，仍以钢筋混凝土为主；对于水头较高的倒虹吸管正在推广使用各种新(轻)型管材，如预应力钢筋混凝土管(PCCP)、玻璃钢夹砂管(HOBAS、FWQPMP)、聚乙烯管(HDPE)等；而在中小型引水工程中，球墨铸铁管、聚氯乙烯管(UPVC)等轻型管材。第六十页，共79页。⑵构造要求①较长的管应设泄水排砂孔和进人孔，以便于检修。②穿越公路时，管顶以上填土厚度应大于0.8~1m。③地基承载力小于100kPa(10T/m2)时宜采用连续式管座，大于100kPa时可用砼或浆砌石支墩。第六十一页，共79页。㈡倒虹吸管的水力计算任务：确定管径，并通过几种特征流量的水头损失计算，确定下游渠底高程和进出口的水面衔接。1、管径的确定通过设计流量时，管内流速一般为2m/s左右，按此初拟管径。管内最大流速按允许水头损失控制，最小流速要大于挟砂流速。通过小流量时的最小流速应大于1m/s。第六十二页，共79页。2、水头损失计算及下游渠底高程的确定总水头损失Z=(Z1-Z3)+Z2(Z1-Z3)约为0.1~0.3m，计算同渡槽相同。管身段水头损失：Z2=(λL/d+∑ζ)V2/2g出口渠底高程=进口渠底高程-总水头损失Z。第六十三页，共79页。局部水头损失系数ζ：进口(稍修圆)0.25，出口(流入明渠)0.25，45度弯头0.3。总局部水头损失糸数∑ζ：竖井式进口2.5斜管式1.8~2.1管身沿程水头损失糸数λ砼管可取1/45=0.02222。第六十四页，共79页。3、过水能力计算⑴设计输水能力验算Q=μω√2gZZ~设计上下游水位差μ~流量糸数⑵通过小流量，加大流量时的水头损失计算要求通小流量时进口仍应满足淹没要求，通过最大流量时进口不致壅水过高而漫顶。第六十五页，共79页。下游渠底高程的确定要选择一个适当的水头损失Z，使确定的下游渠底高程满足以下条件：⑴通过设计流量时，进口处于淹没状态，且基本上不产生壅水或降水。⑵通过加大流量时，进口段的壅水不宜超过30~50cm。⑶通过可能最小流量时，管内流速大于或等于挟砂流速，并保证进口仍处于淹没状态。第六十六页，共79页。当上下游渠道水位差值Z1与管道通过小流量时的水头损失Z2比较：Z1-Z2

较大时，可降低进口高程，在进口设置消力池。Z1-Z2

不大时，可降低进口高程，在管道口前设斜坡段或曲线段。Z1-Z2

很大时，在进口设置消力池不经济或不方便，可考虑早出口设置闸门抬高水位。第六十七页，共79页。倒虹吸管布置：1、穿越渠道斜卧式倒虹吸管，水流进出管道比较平顺，这是最常见的形式。2、穿越公路的竖井式倒虹吸管，这种形式由于施工占地少，检修方便，便于在建筑物密集的地区采用，一般多用于跨越公路的小型排灌倒虹吸管上。3、横跨式倒虹吸管，当河道或山谷比较宽阔，位置较低时采用。这种形式一般是水头高、流量大。