各种水工建筑物核心知识点
水工建筑物——水闸
(1)节制闸
拦河或在渠道上建造,用于拦洪、调节水位、控制下泄流量。河道上的节制闸又称拦河闸。
(2)进水闸
又称取水闸、渠首闸。建在河道、水库或湖泊的岸边,用以控制引水流量,以满足灌溉、发电或供水的需要。
(3)分洪闸
常建于河道的一侧,用来将超过下游河道安全泄量的洪水泄入分洪区或分洪道。
(4)排水闸
建于江河沿岸,用来排除内河或低洼地区对农作物有害的渍水。
(5)挡潮闸
建在入海河口附近,涨潮时关闸,退潮时开闸泄水。
(6)冲沙闸(排沙闸)
常建在进水闸一侧的河道上与节制闸并排布置或在引水渠内的进水闸旁。
其他还有排冰闸、排污闸等。
按闸室结构分:开敞式、胸墙式、涵洞式等。
包括闸门、闸墩、边墙、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等。
(2)上游连接段
包括两侧的翼墙、护坡、河床部分的铺盖。
(3)下游连接段
包括护坦、海漫、防冲槽、两岸的翼墙、护坡等。
软土地基上水闸的工作特点
(2)水闸泄流时,土基的抗冲能力较低,可能引起水闸下游的冲刷。
(3)土基在渗流作用下,易发生渗透破坏。
水闸的设计步骤
壤土、中砂、粗砂和砂砾石适于作为水闸的地基。尽量避免淤泥质土和粉、细砂地基。
2. 闸孔设计
(1)堰型选择: 宽顶堰、低实用堰
(2)闸底板高程
(3)闸孔的总净宽
(4)闸室单孔宽度和闸室总宽度
3.防渗、排水设计
(1)防渗设施:构成地下轮廓的铺盖、板桩及齿墙
(2)排水设施:铺设在护坦、海漫的底部、闸底板下游段的砂砾石层
4.消能、防冲设计
(1)消能:一般采用底流消能。
(2)海漫:消力池后接海漫。要求表面有粗糙度,具有透水性,具有柔性。形式有干砌石、浆砌石、混凝土板等。
(3)防冲槽:海漫末端预留足够的粒径大于30cm的石块,在冲刷水流的作用下散铺在冲刷坑的上游面,形成护坡。
(4)翼墙与护坡
5.闸室的布置和构造
分缝与止水。
6.闸室稳定分析、沉降校核和地基处理
7.闸室结构计算
作用:
① 挡住两侧填土、维持土坝及两岸的稳定;
② 上游翼墙引导水流平顺进闸,下游翼墙使出闸水流均匀扩散,减少冲刷;
③ 保护两岸或土坡不受过闸水流的冲刷;
④ 控制闸身两侧的渗流,防止与其相连的岸坡或土坝发生渗透破坏;
⑤ 软弱地基上设有独立岸墙时,可减少地基沉降对闸身应力的影响。
水工建筑物——土石坝
可以就地取材,节约大量水泥、木材和钢材,减少工地的外线运输量。由于土石坝设计和施工技术的发展,放宽了对筑坝材料的要求,几乎任何土石料均可筑坝
能适应各种不同的地形、地质和气候条件。任何不良的坝址地基,经处理后均可筑坝。特别是在气候恶劣、工程地质条件复杂和高烈度地震区的情况下,土石坝实际上是唯一可取的坝型
大功率、多功能、高效率施工机械的发展提高了土石坝的施工质量,加快了进度,降低了造价,促进了高土石坝建设的发展
岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展提高了大坝分析计算的水平,加快了设计进度,进一步保障了大坝设计的安全可靠性
高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等土石坝配套工程设计和施工技术的综合发展,对加速土石坝的建设和推广也起了重要的促进作用。
一、土石坝的特点和设计要求
土石坝是由散粒体土石料经过填筑而成的挡水建筑物,因此,土石坝与其他坝型相比,在稳定、渗流、冲刷、沉陷等方面具有不同的特点和设计要求。1)稳定方面土石坝的基本剖面形状为梯形或复式梯形。由于填筑坝体的土石料为松散体,抗剪强度低,上、下游坝坡平缓,坝体体积和重量都较大,所以不会产生水平整体滑动。土石坝失稳的型式主要是坝坡的滑动或坝坡连同部分坝基一起滑动。坝坡滑动会影响土坝的正常工作,严重的将导致工程失事。为了保证土石坝在各种工作条件下能保持稳定,应合理设计坝坡和防渗排水设施,施工中还要认真做好地基处理,并严格控制施工质量。浸润线
在土石坝上、下游坝坡设置护坡,坝顶及下游坝面布置排水措施,以免风浪、雨水及气温变化带来有害影响
坝顶在最高库水位以上要留一定的超高,以防止洪水漫过坝顶造成事故
布置泄水建筑物时,注意进出口离坝坡要有一定距离,以免泄水时对坝坡产生淘刷。
二、土石坝的类型
土石坝常按坝高、施工方法或筑坝材料及防渗体位置进行分类。按坝高分类土石坝按坝高可分为低坝、中坝和高坝。我国SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定:高度在30m以下的为低坝,高度在30~70m之间的为中坝,高度超过70m的为高坝。土石坝的坝高均从清基后的地面算起。按施工方法分类1)碾压式土石坝它是用适当的土料分层堆筑,并逐层加以压实(碾压)而成的坝。这种方法在土坝中用得较多。近年来用振动碾压修建堆石坝得到了迅速的发展,本章主要阐述这种类型的土石坝。2)水力冲填坝它是以水力为动力完成土料的开采、运输和填筑全部工序而建成的坝。其施工方法是用机械抽水到高出坝顶的土场,以水冲击土料形成泥浆,然后通过泥浆泵将泥浆送到坝址,再经过沉淀和排水固结而筑成坝体。这种方法因填筑质量难以完全保证,目前在国内外很少采用。水力冲填坝的造泥及冲填布置见图。
水力冲填坝施工示意图
土石混合坝上述多种土质坝中,粗粒土改用砂砾石料筑成的坝,或用土石混合在一起的材料筑成的坝,称为土石混合坝。根据防渗体的位置和材料的不同,也可分为心墙坝、斜墙坝和人工材料防渗坝,如[图4-3(g)~(j)]所示。堆石坝除防渗体外,坝体的绝大部分或全部由石料堆筑起来的称为堆石坝。按防渗体的布置,同样也有斜墙坝、心墙坝两种[图4-3(k)、图4-3(l)]。钢筋混凝土刚性斜墙堆石坝也称为钢筋混凝土面板堆石坝。
土石坝类型
水工建筑物——拱坝
水工建筑物——河岸溢洪道
为了宣泄水库多余的水量,防止洪水漫坝失事,确保工程安全,以及满足放空水库和防洪调节等要求,在水利枢纽中一般都设有泄水建筑物。常用的泄水建筑物有深式泄水建筑物(包括坝身泄水孔、水工隧洞、坝下涵管等)和溢洪道(包括河岸溢洪道、河床溢洪道)。河岸溢洪道一般适用于土石坝、堆石坝等水利枢纽。河床溢洪道即溢流坝,通常用于重力坝枢纽。
河岸溢洪道可以分为正常溢洪道和非常溢洪道两大类,正常溢洪道常用的型式主要有正槽式、侧槽式、井式和虹吸式四种。
正槽式溢洪道
1—进水渠;2—溢流堰
3—泄槽;4—消力池
5—出水渠
6—非常溢洪道;7—土石坝
侧槽式溢洪道
1—溢流堰;2—侧槽
3—泄水槽;4—出口消能段
5—上坝公路;6—土石坝
井式溢洪道
1—喇叭口;2—渐变段;3—竖井段;4—隧洞;5—混凝土塞
虹吸式溢洪道
1—遮檐;2—通气孔;3—挑流坎;4—曲管
二、河岸溢洪道的位置选择
溢洪道的布置应结合枢纽总体布置全面考虑,避免与泄洪、发电、航运及灌溉等建筑物在布置上相互干扰。
溢洪道位置应选择有利的地形和地址条件。布置在岸边或垭口,并尽量避免深开挖而形成高边坡,以免造成边坡失稳或处理困难;溢洪道轴线一般宜取直线,如需转弯时,应尽量在进水渠或出水渠段内设置弯道。溢洪道应布置在稳定的地基上,并考虑岩层及地质构造的性状,还应充分注意建库后水文地质条件的变化对建筑物及边坡稳定的影响。
溢洪道进出口的布置,应使水流顺畅。进口不宜距土石坝太近,以免冲刷坝体;出口水流应与下游河道平顺连接,避免下泄水流对坝址下游河床和河岸的淘刷、冲刷以及河道的淤积,保证枢纽中的其他建筑物正常运行。当其靠近坝肩时,其布置及泄流不得影响坝肩及岸坡的稳定,与土石坝连接的导墙、接头、泄槽边墙等必须安全可靠。
从施工条件考虑,应便于出渣路线及堆渣场所的布置;尽量避免与其他建筑物施工相互干扰。
水工建筑物——坝下涵管
与在山岩中开挖隧洞相比,坝下涵管不需要开山凿洞,结构简单、施工方便、工期较短、造价也低,因此在中、小型工程中使用较多。同时,坝下涵管的进口通常在水下较深处,也是属于深式泄水或放水建筑物。因此,其工作特点、工程布置、进出口的形式与构造等方面与水工隧洞均有相似之处。但是,坝下涵管的管身埋设于土石坝坝下,穿坝而过,如设计施工不良或运用管理不当,极易影响土石坝的安全。根据国内外土石坝失事资料的统计分析表明,坝下涵管的缺陷是引起土石坝失事的重要原因之一。涵管的材料与土石坝的填土是两种性质差别较大的材料,如果两者结合不好,水库中的水就会沿管壁与填土之间接触面产生集中渗流,引起管外填土的渗透变形,特别当涵管由于坝基的不均匀沉陷或连接结构等方面原因,发生断裂、漏水时,后果更加严重,甚至导致坝体的失事。因此在坝下涵管的设计、施工中必须采取适当的措施,做到管身与周围土体的紧密结合,加强管身的防渗处理,保证坝下涵管及坝体安全可靠运行。对于高坝或多地震地区的坝,应尽量避免采用坝下涵管。
坝下涵管的线路选择及工程布置的一般原则为经济合理、安全可靠、运行方便。在进行坝下涵管的位置选择时,主要应考虑以下几个方面的问题。1.地质条件应尽量将涵管设在岩基上。如不可能时,对于坝高在10m以下的涵管也可设于压缩性小、均匀而密实的土基上,但必须有充分的技术论证。涵管上部所受的外荷载沿管轴线方向变化较大,将可能产生不均匀沉陷,而引起管身断裂,因此,必须避免将管身部分设于岩基上、部分设于土基上,以防止因地基的不均匀沉降而使得管身断裂。不得将涵管直接建在坝体填土中。在进出口的位置,要注意山坡地质的稳定性,防止山坡塌方堵塞涵管。2.地形条件涵管应布置在与进口高程相适应的位置,以免增加过多的挖方工程量。涵管进口高程的确定,可根据运用要求、河流泥沙情况及施工导流等因素来考虑。3.运用条件涵管的布置要尽量从方便运用来考虑,引水灌溉的坝下涵管最好与灌区布置在同一岸侧,如两岸均有灌区,可在两岸各设一个涵管,以免修建过河交叉建筑物。涵管不宜离溢洪道太近,以免泄水时相互干扰。4.水流条件涵管的轴线应为直线,且与坝轴线垂直,以使水流顺畅,并缩短管线,减小工程量,降低水头损失。当为了适应地形、地质的变化,涵管必须转弯时,轴线应以光滑曲线连接,其转弯曲率半径应大于管径的5倍。在进行涵管布置时,应综合考虑以上条件,并注意与其他建筑物之间的相互位置关系,拟定若干方案,经过经济技术比较后加以确定。
三、坝下涵管的进出口建筑物
1.进口建筑物坝下涵管多见于小型水库,且涵管多用于引水灌溉,因此其进口建筑物最好选择分层取水的结构形式,以便在引水灌溉时引取水库表层温度较高的清水,有利于农作物的生长。分级卧管式进口
(1)分级卧管式此种进口形式广泛地应用于引水灌溉工程中,它是由斜卧在坝前岸坡上的进水卧管、卧管下部的消力井组成的(图7-33)。在卧管上设有多级台阶,每个台阶上设圆孔进水口,孔径10~50cm,用木塞或平板门控制引水。卧管应布设在坚实的地基或岩基上,坡度不宜太陡,坡度以1∶2.5~1∶3为宜,以免水流过急影响管身稳定,卧管上端应高于最高水位,并在顶端设通气孔,以保证管内的无压水流状态。引水时,打开靠近水面的进水孔,使表层水进入卧管,并经底部的消力井消能后较平稳地转向,流入坝下涵管。(2)塔式这种进口形式与隧洞的塔式进口建筑物基本相同。考虑到引水灌溉的要求,大多做成分层取水的封闭塔(图7-34)。塔的位置可有三种布置方式,第一种是将塔布置在坝体内靠近坝顶附近,优点是塔身受风浪、冰冻的影响小,稳定性好,产生不均匀沉陷和断裂的可能性小,交通桥短。但由于塔身位于坝体中部,如果塔身与涵管的结合处漏水,将会引起坝体的渗透变形,而且塔的上游侧涵管检修不便,塔的下游侧较短,可能会出现渗径不足。另一种布置方式是将进水塔布置在上游坝脚处,其优缺点与上述布置恰恰相反。还有一种布置方式是将塔设在前述两种位置之间,由于这种方式容易造成塔身与斜墙防渗体结合部的漏水,因此这种方式不适用于斜墙坝。(3)斜拉闸门式沿库区山坡或上游坝面布置斜坡,在斜坡上设置闸门运用的轨道,进水口在斜坡的底部(图7-35),启闭机安装在山坡平台上或坝顶。这种布置方式的特点是构造简单、操作方便、造价低、启闭力小,但由于闸门是倾斜安置,不易利用自重来关闭闸门,检修困难。对于多泥沙河流及水头较高时不宜采用。1—工作桥;2—通气孔;3—控制塔
4—爬梯;5—主闸门槽;6—检修门槽
7—截水环;8—伸缩缝;9—渐变段
10—拦污栅;11—黏土心墙;12—消力池
13—岩基;14—坝顶;15—马道
16—干砌石;17—浆砌石;18—黏土
斜拉闸门式
1—斜拉闸门;2—支柱;3—通气孔
4—拉杆;5—混凝土块体;6—截水环
7—涵管;8—消能井
2.出口建筑物坝下涵管的出口建筑物包括渐变段及消能设施两部分。渐变段的构造与隧洞相同,由于涵管的流量不大、水头较低,涵管出口的消能方式往往为底流式水跃消能方式。
四、坝下涵管的管身形式及构造1.坝下涵管的管身形式坝下涵管也分为有压涵管与无压涵管两种类型。从防止管身漏水以免影响土石坝安全来考虑,最好将涵管做成无压的。管身断面通常有圆形、矩形及拱形等。2.坝下涵管的构造为了防止管身的不均匀沉陷,避免产生集中渗流,在管身一般均设有伸缩缝、管座、截水环、涵衣等设施。(1)伸缩缝为了适应地基沉降变形、管身伸缩变形及施工能力的要求,需在涵管的轴线方向分缝。为了适应地基的变形,铺设在土基上的涵管需设沉降缝。在良好的岩基上,虽然不均匀沉降的影响很小,但由于地基对管身的约束作用,也可能使管身在温度变化时产生横向裂缝,故需设温度伸缩缝,一般将温度伸缩缝与沉降缝统一考虑,称为温度沉降缝。对于现浇混凝土管,缝的间距一般不大于3~4倍管径,且不大于15m,预制管的接头即为伸缩缝。缝宽一般为1~3cm。缝内必须做好止水。(2)管座管身应放在较坚实且稳定的地基上,为防止地基因受力不均而产生不均匀沉降导致管身断裂,一般不宜将管身直接布置于土基上,更不允许将管身置于坝体的填方上。当地基比较软弱时,应将管身置于用浆砌块石和混凝土做成的刚性管座上,管座与管身接触面所形成的包角一般为90°~135°,当竖向荷载较大时,可采用180°包角。管座的厚度一般为30~50cm。在管座与管身的接触面上,涂以沥青或铺上沥青油毡垫层,可减小管座对管身的约束,避免因管身纵向变形而导致管身出现横向裂缝。(3)截水环为了防止沿管道外壁发生集中渗流,常在管壁外围设置截水环,以达到改变渗流方向,增加渗径,减小渗流的目的。截水环的布置位置可根据坝型及上堵下排的防渗原则来定。对于黏土心墙坝或黏土斜墙坝,常将涵管通过防渗体的局部加厚,在两者相交处设2~3道截水环。对于均质坝,在上游侧及坝轴线位置设2~3道截水环,下游侧不必设。截水环宜设在两伸缩缝之间,以减少截水环对管身纵向变形的约束作用。(4)涵衣工程实践经验表明,涵管与坝体的接触面是防渗的薄弱环节,为了更有效地防止集中渗流,通常在涵管周围1~2m的范围内,回填黏性土做防渗层,这个防渗层称为涵衣。涵衣与砂性坝壳之间应设过渡层。
水工建筑物——隧洞
一、水工隧洞的特点
水工隧洞的结构特性及工作条件,决定了它有以下三方面的特点。(一)结构特点隧洞是位于岩层中的地下建筑物,与周围岩层密切相关。在岩层中开挖隧洞后,破坏了原有的平衡状态,引起洞孔附近应力重新分布,岩体产生新的变形,严重的会导致岩石崩塌。因此,隧洞中常需要临时性支护和永久性衬砌,以承受围岩压力。围岩除了产生作用在衬砌上的围岩压力以外,同时又具有承载能力,可以与衬砌共同承受内水压力等荷载。围岩压力与岩体承载能力的大小,主要取决于地质条件。因此,应做好隧洞的工程地质勘探工作,使隧洞尽量避开软弱岩层和不利的地质构造。(二)水流特点枢纽中的泄水隧洞,其进口通常位于水下较深处,属深式泄水洞。它的泄水能力与作用水头H的1/2次方成正比,当H增大时,泄流量增大较慢。但深式进口位置较低,可以提前泄水,提高水库的利用率,故常用来配合溢洪道宣泄洪水。由于作用在隧洞上的水头较高,流速较大,如果隧洞在弯道、渐变段等处的体型不合适或衬砌表面不平整,都可能出现气蚀而引起破坏,所以要求隧洞体型设计得当、施工质量良好。泄水隧洞的水流流速高、单宽流量大、能量集中,在出口处有较强的冲刷能力,必须采取有效的消能防冲措施。
(三)施工特点
隧洞是地下建筑物,与地面建筑物相比,洞身断面小,施工场地狭窄,洞线长,施工作业工序多、干扰大、难度也较大,工期一般较长。尤其是兼有导流任务的隧洞,其施工进度往往控制着整个工程的工期。因此,采用新的施工方法,改善施工条件,加快施工进度和提高施工质量在隧洞工程建设中需要引起足够的重视。
二、水工隧洞的类型
按用途分类泄洪洞——配合溢洪道宣泄洪水,保证枢纽安全
引水洞——引水发电、灌溉或供水
排沙洞——排放水库泥沙,延长水库的使用年限,有利于水电站的正常运行
放空洞——在必要的情况下放空水库里的水,用于人防或检修大坝
导流洞——在水利枢纽的建设施工期用来施工导流。
按洞内水流状态分类
有压洞——隧洞工作闸门布置在隧洞出口,洞身全断面均被水流充满,隧洞内壁承受较大的内水压力。引水发电隧洞一般是有压隧洞。
无压洞——隧洞的工作闸门布置在隧洞的进口,水流没有充满全断面,有自由水面。灌溉渠道上的隧洞一般是无压的。
一般说来,隧洞根据需要可以设计成有压的,也可以设计成无压的,还可以设计成前段是有压的而后段是无压的。但应注意的是,在同一洞段内,应避免出现时而有压时而无压的明满流交替现象,以防止引起振动、空蚀等不利流态。
水工建筑物——渡槽
梁式渡槽纵剖面图(单位:cm)
渡槽的类型
渡槽根据其支承结构的情况,分为梁式渡槽和拱式渡槽两大类。(一)梁式渡槽梁式渡槽槽身置于槽墩或排架上,其纵向受力和梁相同,故称梁式渡槽(下图)。槽身在纵向均匀荷载作用下,一部分受压,一部分受拉,故常采用钢筋混凝土结构。为了节约钢筋和水泥用量,还可采用预应力钢筋混凝土及钢丝网水泥结构,跨度较小的槽身也可用混凝土建造。梁式渡槽的槽身根据其支承位置的不同,可分为简支梁式(图8-11)、双悬臂梁式[图8-12(a)]、单悬臂梁式[图8-12(b)]三种形式。悬臂梁式渡槽
(a)双悬臂梁式
(b)单悬臂梁式
单悬臂梁式渡槽一般用在靠近两岸的槽身或双悬臂式向简支梁式过渡时采用。
(二)拱式渡槽槽身置于拱式支承结构上的渡槽,称为拱式渡槽。拱式渡槽的主要承重结构是拱圈。槽身通过拱上结构将荷载传给拱圈,它的两端支承在槽墩或槽台上。拱圈的受力特点是承受以压力为主的内力,故可应用石料或混凝土建造,并可用于较大的跨度。但拱圈对支座的变形要求严格,对于跨度较大的拱式渡槽应建筑在比较坚固的岩石地基上。拱式渡槽按材料可分为砌石拱式渡槽、混凝土拱式渡槽和钢筋混凝土拱式渡槽等;按照主拱圈的结构形式则可分为板拱拱式渡槽、肋拱拱式渡槽和双曲拱拱式渡槽等。石拱渡槽的主拱圈为实体的矩形截面的板拱,一般用粗料石砌筑。其优点是就地取材,节省钢筋,结构简单,便于施工;缺点是自重大,对地基要求高,施工时需较多木料搭设拱架。拱式渡槽(单位:cm)
肋拱渡槽(单位:m)1—槽身;2—肋拱;3—槽墩;4—排架;5—横系梁
双曲拱渡槽(单位:cm)1—槽身;2—拱肋;3—预制拱波;4—混凝土填平层;5—横系梁;6—护拱;7—腹拱横墙;8—腹拱;9—混凝土墩帽;10—槽墩;11—混凝土;12—伸缩缝
免责声明:本公众号所载文/图等稿件均出于为公众传播有益资讯信息之目的,内容为作者个人观点,仅供参考。本文内容来源于互联网,版权归原作者所有,如有侵权,请联系删除。本公众号拥有对此声明的最终解释权。