水工建筑物复习纲要(武汉大学)Word下载.docx
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(1)水的方面
(a)闸室稳定问题
•上下游水头差形成的水压力。
•在水的推力作用下,闸室在自重和水重的作用下必须维持自身的稳定。
•包括整体抗滑稳定和结构构件稳定(如底板、闸墩、胸墙等构件的稳定)。
(c)高速水流问题
•消能难度较大
水闸在开闸泄水时,下泄的高速水流具有较大的能量,可能对河床和河岸产生不利冲刷。
水闸泄水消能的最危险工况,不一定发生在最大泄流量时。
因此,给消能设计带来较大的复杂性和不确定性。
•可能形成折冲水流
(2)地基方面
(a)平原地区土基的特点:
•土层分布复杂,可能夹有压缩性大、承载能力低、抗震强度差的软土;
•可能含有结构松散、易于液化、抗冲能力低的粉砂或细砂层;
•抗冲刷能力差,允许渗透坡降低,对防渗、消能不利。
(b)软土地基对闸室本身的稳定和沉降将带来严重的影响,因此,在水闸设计时,应:
•采用适当措施,进行地基处理;
•适当控制渗流;
•加强消能防冲措施。
(3)结构方面
水闸的闸室结构与大体积的重力坝或散粒体的土坝有较大差别。
(a)构件方面
•水闸由闸墩、底板、胸墙等薄壁构件组成的空间结构体系,因此对闸室构件在强度和刚度方面均有一定要求。
(b)受力方面
•闸室整体结构和某些构件受力条件复杂,承受水压力、自重、地基反力等不同性质的荷载。
(c)结构分析方面
•在进行闸室结构设计计算时,一般并不采用相对复杂的有限元法,而是将整个结构视为板、梁、柱等独立构件构成,分别对这些构件用结构力学、材料力学方法进行设计计算。
三、水闸的类型
(一)按水闸承担的主要任务分类
•拦河闸、进水闸、泄水闸、排水闸、挡潮闸、分洪闸、冲沙闸、其他(分水闸、排冰闸、排污闸等)。
(三)按施工方法分类
可分为:
现浇式、装配式、浮运式等。
(1)现浇式
•在闸址处架立模板现场浇筑,是目前多数水闸的施工方法。
(四)其他分类方法
(1)按过闸流量划分
•过闸流量等于或大于1000m3/s者为大型水闸;
•过闸流量在100~1000m3/s间者为中型水闸。
•过闸流量小于100m3/s者为小型水闸。
•葛洲坝二江泄水闸,过闸流量达83900m3/s,属特大型水闸,或称巨型水闸。
(2)按设计水头或闸高划分
•闸高在8~10m以上者为大型水闸;
•闸高在8~10m以下者为中、小型水闸等。
一、闸室段
•
1—闸门;
2—底板;
3—闸墩;
4—胸墙;
5—工作桥;
6—交通桥
闸室段的作用:
控制水流;
联接两岸和上、下游段。
闸室段的组成:
闸门、闸墩、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等。
.
(1)闸门
闸门的作用:
用于控制上游水位和调节下泄流量。
闸门的类型:
工作闸门和检修闸门
工作闸门用于正常运用时挡水、控制下泄流量。
检修闸门用于对闸室进行检修时挡水。
•弧形闸门和平板闸门
(3)底板
底板的作用:
底板是闸室段的基础,将闸墩、上部结构的重量、以及底板自重和所承受的水重一起传给地基。
•建在软基上闸室主要由底板与地基间的摩擦力来维持稳定。
•底板还具有防冲、防渗的作用。
二、上游连接段
7—上游防冲槽;
8—铺盖;
9—上游翼墙;
10—上游护岸;
上游连接段的作用:
•主要作用是引导水流从河道平稳地进入闸室,
•兼有防冲、防渗作用。
上游连接段的组成:
•一般包括上游翼墙、铺盖、护底、上游防冲槽和上游两岸护坡等。
(1)上游翼墙
•引导水流,使之平顺地流入闸孔;
•抵御两岸填土压力,保护闸前河岸不受冲刷;
•并有侧向防渗的作用。
(2)铺盖
•主要起防渗作用,其表面应进行保护,以满足防冲要求。
•当铺盖上游较长时,应在铺盖与上游防冲槽之间设置护底以保护上游河床不被冲刷。
(3)上游防冲槽
•铺盖或其防护的上游端有时设置上游防冲槽,以保护铺盖不致损坏。
(4)上游两岸护坡
•上游两岸要适当进行护坡,其目的是保护河床两岸不受冲刷。
•三、下游连接段
11—护坦;
12—海漫;
13—下游防冲槽;
14—下游翼墙;
15—下游护岸
下游连接段的作用:
•消除下泄水流的动能,
•顺利与下游河床水流连接,避免发生不利冲刷现象。
下游连接段的组成:
•一般包括护坦(包括消力池)、海漫、下游防冲槽(防淘墙)、下游翼墙、护底和两岸护坡等。
(1)护坦(含消力池、辅助消能工)
•消力池是消刹水能的主要区域;
•护坦是消力池底板,保护河床底部,从而保护闸室的安全;
(2)海漫海漫用于进一步消除水流余能,保护河床免受冲刷。
(3)下游翼墙下游翼墙导引水流均匀扩散,并有挡土、防冲作用。
(4)下游防冲槽下游防冲槽的作用是防止海漫末端冲刷,避免河床局部冲刷向上游发展。
(5)下游护坡和护底下游护坡和护底的作用与上游相同。
四、水闸的布置
(1)闸轴线:
拦河闸闸轴线一般选在河道较狭窄处,以节省工程量。
(2)位置:
拦河闸一般布置在主河床上,使水闸建成后的下泄水流尽量符合天然河道的水流特性。
(3)闸室前缘宽度:
泄水闸前缘总宽度由过闸洪水流量确定。
(4)闸、坝结合:
•在某些宽阔河道上,拦河闸的宽度远小于闸址处的河道宽度,此时可在闸轴线其余部分用拦河坝或水电站厂房挡水。
(1)型式
1)开敞式
a)宽顶堰:
结构简单,施工方便,地基应力均匀,泄流能力大且稳定,还利于冲砂、排污、泄冰、通航。
适用于土基水闸。
b)低堰
实用堰型:
在非淹没出流时,泄流能力大于宽顶堰,对缩短水闸宽度有利。
泄流能力受尾水淹没影响明显,泄流能力不如宽顶堰稳定。
适用于岩基、闸前水深很大、要求限制单宽流量或拦截泥沙进入下游渠道的情况。
驼峰堰型:
堰的上游不淤沙;
流量系数大,壅水小,可减小上游淹没损失。
适用于地基较好的情况。
2)胸墙式
上游水位变幅较大,过闸流量有限制,高水位时要求控制流量,则在孔口顶部设固定挡板以减小闸门高度。
3)封闭式
又称涵洞式水闸。
当水头较高时较经济。
常用于穿过堤防的水闸。
有压:
多用于排水和排沙闸;
无压:
多用于小型分水闸。
过闸流量验算
•第四节水闸的消能防冲
一、水闸消能防冲的特点
与高水头泄水建筑物相比较,水闸的消能防冲具有以下显著特点:
•
(1)上游水头小
•
(2)上、下游水位落差小,水流佛氏数低
•(3)大流量泄流不一定是最危险工况
•(4)地基条件较差
二、水闸消能防冲布置
•多数水闸采用底流消能方式。
•底流消能的机理:
底流消能是指借助于一定的工程措施(如修建消力池),促使下泄水流形成水跃,并将水跃控制在一定的范围,通过水跃形成的水流旋滚、摩擦、撞击、掺气和强烈紊动来消除下泄水流的能量。
•底流消能的优点:
运行可靠,下游流态比较平稳,对通航、发电尾水等影响较小。
•底流消能的缺点:
土石方开挖量、混凝土浇筑量均较大,不经济。
•底流消能的适用条件:
适用于河床地质条件差、抗冲能力低、下游有足够水深的情况。
底流消能的要素
•消力池:
要形成水跃,下游必须有足够的水深。
当下游水深不足时,应设置消力池,以形成发生水跃的必要水深。
•护坦:
消力池内水流紊乱,必须设置专门保护措施,即护坦。
•海漫:
流出消力池(护坦)的水流,仍然存在一定的余能,有可能冲刷河床,因此应对消力池后的河床设置保护措施,即海漫。
•防冲槽或防淘墙:
为保护海漫,且缩短海漫长度,还可在海漫末端设置防冲槽或防淘墙。
•因此,水闸消能防冲布置主要包含:
消力池(护坦)、海漫、防冲槽或防淘墙。
•消力池最好是采用矩形等宽断面,其宽度一般与闸室总宽一致。
这种型式的池内单宽流量分布均匀,水流流态好,消能效果好。
•为了适应下游河道地形,也可以做成扩散式,减少单宽流量。
扩散段一般与急流斜坡段布置在一起,扩散角不超过7°
。
•此外,还有渐扩式消力池,突扩式消力池等形式。
(五)护坦
(1)护坦的作用
•护坦位于消力池底部,是消力池的底板,保护消力池部位河床不受冲刷。
•在消力池范围内,水流流态非常紊乱,底部流速大,压力脉动和流速脉动大,需要有相当坚固的结构保护河底。
护坦就是保护河床不受水流冲刷,进而保证闸室安全的重要设施,即使是平底板消力池也需要用护坦护底。
(2)护坦的材料
•护坦一般为100#~150#混凝土。
四、其他消能防冲设施
(一)海漫
(1)海漫的作用
•海漫的作用就是要消除水流的余能,调整流速分布,均匀地扩散出池水流,使之与天然河道的水流状态接近,以保护河床免受冲刷。
(2)海漫的结构
•海漫的结构应该具有一定的柔性的,能够适应地基的不均匀沉陷;
•海漫应该是透水的,能够顺利地排出渗水,降低扬压力;
•海漫表面应做成粗糙的,以加大与水流的摩擦,有利于消除余能和调整流速分布;
•海漫一般做成等于或缓于1:
10的斜坡,活做成水平段+缓坡段;
•海漫下面应设垫层,以利于适应河床地基变形。
(4)海漫的构造
•海漫的构造和抗冲(抗磨)能力应与其上通过的水流流速相适应。
常用的构造形式有:
(a)干砌石海漫
(b)浆砌石海漫
(二)防冲槽或防淘墙
(1)防冲槽及防淘墙的作用
•经过海漫后的水流,依然存在一定的能量,有可能冲刷河床,并冲毁海漫,甚至危及消力池安全;
•如果要完全消除水流余能,需要很长的海漫,不经济。
•因此,为了避免河床可能遭受的不利冲刷,保护海漫及消力池的安全,常常在海漫末端设置防冲槽或防淘墙。
(2)防冲槽及防淘墙的型式
•防冲槽内由一定粒径的块石填充而成,当海漫末端发生河床底部冲刷时,防冲槽内的块石会向下滚落,自动补充到被冲刷的河床上,防止冲刷进一步向上游发展,影响海漫的安全。
•防冲槽的深度根据可能冲刷深度确定。
防冲槽多采用宽浅式,顶宽10~17m,槽深1.5~2.0m。
•防淘墙一般垂直插入基础土壤中,其底部高程应低于可能冲刷深度。
•可能冲刷深度根据单宽流量、河床地质条件(河床土质允许不冲流速)、海漫末端河床水水深等因素确定。
(三)辅助消能工
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