泄水建筑物分类功能与案例讲义[全面]

1、第4章泄水建筑物,4.1泄水建筑物的分类和作用,一、按功能分类,二、按枢纽布置地位分类,三、按泄水方式分类,泄水建筑物按泄水方式可分为以下五类： 坝顶溢流式 大孔口溢流式 坝身泄水孔 明流泄水道 泄水隧洞,四、泄水建筑物的作用,按功能可分为以下三类：,4.2 溢流坝,（1）泄洪建筑物 （2）泄水孔（放水孔） （3）施工泄水道,一、溢流坝的工作特点 溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物，除应满足稳定和强度要求外，还需要满足泄水的要求。,(1)坝顶溢流式,二、溢流坝的孔口形式,(2)大孔口溢流式,三峡工程,L,L,L,L,L,Q,溢流孔口尺寸的确定 (1)单宽流量的确定 设L为溢流段净宽（不包括闸墩

2、的宽度），则通过溢流孔口的单宽流量为： q =,1) 溢流前缘总长L0应为：,(2)孔口尺寸,当采用大孔口泄洪时，可用下式计算出堰顶水头H0,当采用开敞式溢流时，可利用下式，计算出堰顶水头H0,2）溢流坝的堰顶高程,三、溢流坝的闸门和启闭机 1.闸门的类型与作用 水工闸门按其功用可分为 工作闸门、 事故闸门、 检修闸门。,四、溢流坝的闸墩和工作桥 1.闸墩的作用 闸墩的作用是将溢流坝前缘分隔为若干个孔口，并承受闸门传来的水压力（支承闸门），也是坝顶桥梁和启闭设备的支承结构。,五、溢流坝的横缝的布置,缝设在闸墩中间 缝设在溢流孔跨中,六、溢流面曲线及剖面 1.溢流面曲线 溢流面曲线由顶部曲线段、

3、中间直线段和下部反弧段三部分组成。 设计要求：有较高的流量系数； 水流平顺，不产生空蚀。,堰面曲线方程如下：,式中：Hd定型设计水头，按堰顶最大作用水头Hmax 的75%95%计算,X,Y,对于设有胸墙溢流堰的堰面曲线：,Hd 定型设计水头，一般取孔口中心至校核洪水位的75%95%； 孔口收缩断面上的流速系数，一般取 =0.95。,反弧段 溢流坝下游反弧段的作用是使溢流坝面下泄的水流平顺地与下游消能设施相衔接。 直线段 中间的直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度一般与非溢流坝段的下游坡相同。具体应由稳定和强度分析及剖面设计确定。,2.溢流拱坝剖面 自由跌流式 鼻坎挑流式 滑雪道式,溢流拱坝

4、-坝顶溢流布置,自由跌流 结构最简单，多用于单宽流量较小的拱坝。 下跌水流落点据坝址较近，坝下冲刷容易危及坝基，需有较好的基岩、较深的水垫，并应经常采取保护措施。,湖南半江拱坝,鼻坎挑流 溢流堰顶适当向上下游悬臂挑出。 挑流落水点较跌流远，但离坝仍近，仍需有一定的水垫，必要时采取河床底部的防冲措施，单宽流量仍需加以限制。,流溪河拱坝,滑雪道式 适用于下泄流量较大，要求下泄水流落点远离坝址，或利用厂房顶溢流的拱坝。 我国已建的乌江渡重力拱坝、东江拱坝、紧水滩拱坝等都采用了这种形式。,乌江渡拱坝,七、溢流坝的下游连接,1.挑流消能,2.底流消能,2.底流消能,3.面流消能,4.消力戽消能,4.3坝

5、身泄水孔,一、重力坝的泄水孔,1.作用：预泄水库、排沙、导流、发电供水 2.工作条件：孔内流速高，易引起空蚀、闸门振动，孔道体形设计重要；深水闸门水压力大、启闭力大，门体结构、止水、启闭设备复杂，检修不便。 3.类型： 1）按所处高度分：中孔、底孔 2）按布置层数分：单层、双层 3）按流态分：有压、无压,有压孔泄流时孔内保持满流有压 工作闸门在出口，以稳定孔内水流保持有压，有利门后补气减免空蚀，孔身断面尺寸小 关门时水压力大,对坝体、防渗不利 进口设事故闸门兼作检修闸门，平时兼用作挡水 孔断面：圆形，有利改善受力和提高过水能力,4.坝身泄水孔的形式,无压孔： 工作门、检修门均设于进口 工作门后

6、孔身顶升高，泄流时孔内有自由水面无压流 闸门前：短有压段 泄水时孔内承受静水压力，关门时孔内无水，明流段可不钢板衬砌，施工方便 但孔断面尺寸大，对坝体削弱大,5.坝身泄水孔布置,布置原则：正常运用前提下 尽量一孔多用： 灌溉+发电；防空+排沙+导流 具体布置： 泄洪孔主槽部位，较宽河谷宜在非溢流坝段中，深孔出口不宜在溢流坝面上 孔口不能太大，泄量大时可布置为双层，但注意交汇处空蚀,进口高程：满足泄洪要求下尽量高些，减小门压力和洞长，具体而言： 灌溉孔应与灌区在同一侧孔进口根据坝后渠首确定，或根据泥沙、水温情况分层设进水口 发电进水口应根据发电和泥沙要求确定，一般设于水库最低水位以下一倍孔口高度

7、处，并高程最终泥沙高程1m以上。 排沙孔尽量靠近电站、灌溉进水口 放空、导流孔进口一般较低,6.有压泄水孔,组成：进口段（进口曲线段、闸门槽段、渐变段、平压管、通气孔）洞身段、出口段 1）进口段曲线： 进口曲线段椭圆or圆弧 椭圆长轴水平or上倾约12度 顶曲线：A=h（孔高or孔径 侧曲线：A=B（孔宽） 圆弧半径：R2D,有压泄水孔,2）闸门槽段 矩形锐缘闸门适于V10m/s 矩形收缩形门槽适于v大时 门槽形式尺寸 宽深比 =1.6-1.8 错距=（0.05-0.08）W 导角半径r=0.01D 下游边墙坡率1:1-1:12,有压泄水孔,3）渐变段 孔身圆形断面，R大、受力条件好 闸门处断

8、面矩形 需设渐变段矩形圆形 渐变段长=(1.5-2.0)D(孔径or孔宽) 且边壁收缩率=1:5-1:8 渐变方式：矩形四角加圆弧,有压泄水孔,4）通气孔 作用：检修前，检修门闭 工作门开启放水时，向孔内补气 断面积： 一般=泄水孔断面积的0.5%-1% 并大于平压管、检修排水管的断面积 通气孔进口须与大气连通，并与启闭机室分开。,有压泄水孔,5）平压管 作用：检修完毕提起检修门前向 二门间充水，平衡检修门前水压 减小启门力 管径d由管流公式确定： 平压管充水时，通气孔排气,有压泄水孔,6）泄水孔底坡i 一般缓坡，按施工运输、检修排水要求确定 沿孔轴线底坡变化时，采用圆弧曲线连接 曲线半径5D

9、,有压泄水孔,7）出口段 出口渐变段圆形出口矩形断面 且出口断面收缩防止空蚀 收缩率：A出口/A孔身=0.85-0.9 收缩方式：顶部设压坡段，坡比1:10-1:15,有压泄水孔,8）水力计算 1）泄水能力孔流公式 ）孔内压坡线孔顶沿程测压管水头线 规范要求：任意断面不得小于2m高水柱,7.无压泄水孔,组成：进水口段、无压明流段、 出口段、通气孔 1）进水口段： 顶部1/4椭圆段（AB段）： 长半轴a=h2（检修门处孔高） 短半轴b=a/3 在曲率=s1处接压坡段s1=BC S1斜率=1:4.5、5.5、6.5（检修门前 S2斜率= 1:4、5、6（检修门后）,无压泄水孔,2）无压段 洞顶净空

10、 孔顶矩形：净空高度=（0.3-0.5）h max不掺气 孔顶拱形：拱脚距水面高度=（0.2-0.3） h 不掺气 底坡i 直线：iik 抛物线：y=15.5y1/2 或y=x2/6H H工作闸门孔口中心线处水头,无压泄水孔,3）通气孔二个 检修门后通气孔、平压管同于有压孔 工作门后设通气孔，正常泄流时补气 通气孔断面积: aA10% 或a=0.09VwA/Va Vw水流断面平均流速；Va通气孔允许风速； A工作闸门处泄水孔断面,无压泄水孔,4）水力计算 过水能力有压孔流 式中计入至工作闸门处水头损失 =0.8-0.85（有门槽）或=0.9-0.95(当压力短管长度10h孔高) 无压段水面线计

11、算 5）出口 只设闸墩、水流扩散消能设施,二、拱坝的泄水孔 按其在坝身高度上的相对位置分中孔、底孔两种。,中孔在坝身的中、上部；其特点是当库水位低时仍有一定泄流能力。 底孔设置在坝身底部，用来放空水库、冲沙排淤、辅助泄洪及施工导流等。,4.4 岸边溢洪道 溢洪道是水利枢纽中的一项主要建筑物,它泄洪起着保护大坝安全的重要作用。 设河岸溢洪道的原因： 1）土坝本身不能泄水 2）河谷狭窄，厂坝争位 3）坝身泄水能力不足,另设泄洪道（如支墩 坝等轻型坝）,溢洪道通常是开敞的，其宣泄能力与堰上水头的3/2次方成正比，故超泄能力大；其次，闸门承重水头压力较小，操作方便，工作安全可靠。,一、岸边溢洪道的型式

12、 （1）正槽式 （2）侧槽式 （3）竖井式 （4）虹吸式,二、岸边溢洪道位置的选择,应全面考虑地形、地质、枢纽布置、施工、 运行条件，通过几个方案的技术经济比较来 确定。,1、地形：利用枢纽附近合适的马鞍形垭口，如无垭口可利用中缓的岸坡；在坡陡情况下，选用侧槽式。,3、枢纽布置：溢洪道进口应位于水流顺畅处，且与土石坝应存有相当的距离；如太近，则须加设导墙（或加强临近坝坡的护坡），溢流堰前加引水渠应较短，以减少水头损失，提高泄水能力。,下游出口，应与土石坝的坝脚及其它建筑物保持一定的距离，太近则须增设合适的防护建筑物。,2、地质：力争布置在较坚固稳定的岩基上，如土基应布置在挖上，还须进行地基处理

13、，如岩基有断层，破碎带等应摸清情况，采取合理的加固措施，如风化层太厚或挖方过多会引起山坡坍塌，可考虑采用隧洞泄洪。,4、施工条件：开挖方量是较大的，对出渣路线及堆料场都要合适地布置，有可能利用开挖的土石方量来填筑土石坝，避免各建筑物施工相互干扰。,三、正槽溢洪道简介 正槽式溢洪道通常习惯上也叫开敞式溢洪道，由进（引）水渠、控制段、泄槽、出口消能段和尾水渠等部分组成，如图所示。,正槽溢洪道布置图,（1）进水渠 进水渠也称引水渠，它是水库与控制段的连接段，具有引水和调整水流的作用。 （2）控制段 控制段一般包括溢流堰、闸墩、边墩和上部结构等。溢流堰一般较低，常采用实用堰、宽顶堰或驼峰堰,堰顶设置工

14、作闸门，可提高控制泄流能力，泄流时开启闸门即可得到较大的初期泄量。,(a)宽顶堰 (b)实用堰 (c)驼峰堰 正槽式溢洪道上常用的三种溢流堰型,（3）泄水槽 泄槽是开敞式溢洪道的控制段与消能工之间的泄水渠道，因渠底坡度较陡，又称陡槽。泄槽主要由槽底板和两侧的边墙组成。 （4）出口消能段及尾水渠 正槽溢洪道常用挑流鼻坎消能形式。这样冲刷坑将远离泄洪建筑物，有利安全。,某溢洪道结构,四、非常泄洪措施 实践证明：可能出现的最大洪水比设计中采用的 万年一遇的洪水还要大，其原因： 1、设计采用的万年一遇洪水是调查资料经过 处理后得到的，历史上是否出现过比这更 大的洪水，很难说 2、人类对生态环境的破坏，

15、尤其是乱砍滥伐 森林，使洪水径流、汇流的时间更短，洪 水更集中，峰值更大。,为此，从工程安全和经济利益全面考虑，大中型水库除有正常（主要）溢洪道之外，加设非常（辅助）溢洪道是非常必要的。 由于这种特大洪水毕竟是极少出现的，泄流时间也比较短，所以，非常溢洪道的构造应尽可能的简单，以节省投资。,一般情况:泄槽不必衬砌,下游不作消能设施, 并允许溢洪道及其附属建筑物局部破坏，只 要求保证大坝安全，水库不出现重大事故。 目前常用的非常溢洪设施： 加高主副坝，提高水库蓄水能力； 加大原溢洪道的泄量； 增设非常（泄洪）溢洪道； 破副坝，保主坝。,非常溢洪道,漫流式 自溃式 漫顶自溃式 引冲自溃式 爆破引溃

16、式,返回,返回,4.5 水闸 一、水闸的功能 平原地区的取排水，需低水头的挡水泄水建筑物。水闸和滚水坝为常用水工建筑物，称闸坝工程。 二、水闸的类型 水闸按规模有大（Q1000m3/s）， 中（Q=1000100、m3/s）； 小（Q100m3/s）。 （一）水闸按其所承担的任务分类 1、拦河闸（节制闸） 2、进水闸（渠首） 3、泄水闸 4、排水闸 5、分洪闸 6、挡潮闸 7、冲沙闸,（二）按闸室结构分类 1、开敞式 2、胸墙式 3、涵洞式,三、水闸的组成及构造 （一）上游连接段 （二）闸室段 （三）下游连接段,四、水闸的工作特点,建在软土地基上的水闸的工作特点 1.软土地基的压缩性大、承载能力低，在闸室自重和外荷载作用下，地基易产生较大的沉降或沉降差，造成闸室倾斜、闸底板断裂，甚至发生塑性破坏，引起水闸失事。 2.水闸泄流时，水流具有较大的能量，而土壤的抗冲能力较低，就可能引起水闸下游的冲刷。 3.在上下游水头差作用下，闸基及两岸连接部分将产