三峽大學泄水建筑物課件

三峽大學泄水建筑物課件第一頁，共37頁?！?.10泄水重力壩1、泄水重力壩的位置選擇：應結(jié)合樞紐布置全面考慮，避免與其他水工建筑物相互干擾，其下泄水流不致淘刷壩基與其他建筑物的地基與岸坡；2、泄水方式的組合與下泄流量分配：峰高量大，選擇好組成泄水系統(tǒng)的建筑物類別，確定各泄水建筑物的泄流量；泄水方式有表面式+深水式；3、溢流壩堰頂和泄水孔進口高程的確定：溢流壩堰頂高低與泄水孔進口高低對泄流量、孔口尺寸、閘門尺寸及其啟閉的影響。2第二頁，共37頁?！?.10泄水重力壩二、溢流重力壩1、工作特點：溢流重力壩是重力壩樞紐中重要的泄水建筑物，用于將規(guī)劃庫容所不能容納的絕大部分洪水經(jīng)由壩頂泄向下游，以保證大壩安全。并滿足泄洪的要求包括：1）有足夠的孔口尺寸、良好的孔口體型和泄水時具有較高的流量系數(shù)；2）使水流平順流過壩體，不產(chǎn)生不利的負壓和振動，避免發(fā)生空蝕現(xiàn)象。3）保證下游河床不產(chǎn)生危及壩體安全的局部沖刷。4）溢流壩段在樞紐中的位置，應使下游流態(tài)平順，不產(chǎn)生折沖水流，不影響樞紐中其他建筑物的正常運行。5）有靈活控制水流下泄的設備。如閘門、啟閉機等。3第三頁，共37頁?！?.10泄水重力壩2、孔口設計1）影響因素：洪水設計標準、下游防洪要求、庫水位壅高有無限制、是否利用洪水預報、泄水方式以及樞紐地形、地質(zhì)條件等。2）設計步驟：

——選定泄水方式，擬定若干種泄水布置方案；

——初步確定孔口高程、尺寸，按工程等級相應的洪水設計標準進行洪水調(diào)節(jié)演算；求出各方案的防洪庫容，設計和校核洪水位及相應的下泄洪量等；

——然后估算淹沒損失和樞紐造價，進行技術經(jīng)濟比較，選出最優(yōu)方案。4第四頁，共37頁?！?.10泄水重力壩3）洪水標準洪水標準，包括洪峰流量和洪水總量。是確定孔口尺寸進行凋洪演算的重要依據(jù)。選用標準見P85表3—12。4）孔口型式⑴壩頂溢流式優(yōu)點：①不僅能宣泄洪水，還能排除冰凌及其他漂浮物；②閘門在頂部，操作方便，易于維修，安全可靠；堰頭設閘門——大中型——調(diào)節(jié)庫水位和下泄流量；堰頭不設閘門——小型——結(jié)構(gòu)簡單，管理方便；5第五頁，共37頁?！?.10泄水重力壩③閘門承受的水頭較小，孔口尺寸可以較大；④閘門全開時，下泄流量與堰頂水頭H03/2成正比，超泄能力強。⑵大孔口溢流式：上部設胸墻，降低堰頂高程胸墻類型：固接胸墻，活動胸墻；優(yōu)點：可根據(jù)洪水預報提前放水，加大蓄洪庫容，提高了調(diào)洪能力；泄流能力：當庫水位低于胸墻時，下泄水流與開敞式相同；當庫水位高于孔口一定高度后，為大孔口泄流，超泄能力不如開敞式。6第六頁，共37頁。5）孔口尺寸⑴單寬流量確定：通過調(diào)洪演算，可得Q溢=Q總-αQ0，并q=Q溢/L，以大體確定溢流壩段的凈寬和堰頂高程，單寬流量越大，下泄水流動能越大，消能問題越突出，下游局部沖刷越嚴重，但溢流前沿短，利于樞紐布置，必須結(jié)合地質(zhì)條件、下游河道水深、樞紐布置和消能工設計，通過技術經(jīng)濟比較選定。⑵孔口尺寸：L0=nb+(n-1)d，由調(diào)洪演算推出設計洪水位及相應的下泄流量Q溢，當用開敞式溢流時，Q溢=nbm(2g)1/2H03/2；當采用胸墻大孔口時，Q溢=nbam[2g(H0-αa)1/2；§3.10泄水重力壩第七頁，共37頁?！?.10泄水重力壩——確定孔口尺寸時應考慮的因素:①滿足泄洪要求；②樞紐布置：孔口高度越大,q大,溢流壩段越短;孔口寬度越小,孔數(shù)多、閘門多，溢流段總長也相應加大；通常選用寬扁形孔口；狹窄河道上，溢流前沿寬度受限，從樞紐布置考慮，閘門孔口寬高比小于1較經(jīng)濟合理；③孔口寬度越大,閘門尺寸越大,啟門力越大,啟門和啟閉機的構(gòu)造就較復雜；為方便閘門制造，盡量采用規(guī)范推薦的孔口尺寸；④下游水流條件：q大，消能困難，為了對稱均衡開啟閘門，以控制下游河床流態(tài)，孔口數(shù)目最好采用奇數(shù);當校核洪水和設計洪水相差較大時，應考慮非常泄洪設施；⑤如適當加長溢流前沿長度；當?shù)匦巍⒌刭|(zhì)條件適宜時，還可象土壩樞紐一樣設置岸邊非常溢洪道。8第八頁，共37頁?！?.10泄水重力壩6）閘門和啟閉機

閘門分為：工作、檢修。

工作門：平面門和弧形門。

檢修門：平面門、疊梁門。

平面門優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、閘門受力條件較好，閘門較短，多孔口共用一臺活動門機。缺點：啟閉力較大，閘墩較厚。

弧門優(yōu)點：啟閉力小、閘墩薄、無門槽水流平順

缺點：閘墩較長，受力條件差。

弧形門用固定式啟閉機。

平面門：活動門機（工作、檢修平門共用）9第九頁，共37頁。7）閘門和工作橋閘門的斷面形狀應使水流平順；上游端常采用：橢圓形，半圓形或流線型；上游端：采用：收縮成流線形現(xiàn)有：方形寬尾墩8）橫縫的布置①墩中分縫：墩厚、工作可靠、不均勻沉降不影響啟閉；②孔中分縫：墩薄，受地基不均勻沉降影響啟閉，水流過橫縫，局部不平順。§3.10泄水重力壩10第十頁，共37頁。3、泄水重力壩設計中有關高速水流的幾個問題空化和空蝕。1）基本概念：——空化（空穴化）：由于邊界突變造成水流和壁面分離等各種原因，在邊界處產(chǎn)生負壓使水流中某一點的壓力降低到水的蒸汽壓力時，水流內(nèi)部開始出現(xiàn)蒸汽空泡，稱為“空穴”即“空化”。——空蝕：當空化水流運動到壓力較高處，由于汽泡的潰破，伴隨著聲響和巨大的沖擊作用，當這種作用力超過結(jié)構(gòu)表面材料顆粒的內(nèi)聚力時，便產(chǎn)生剝離狀的破壞，這種現(xiàn)象稱為“空蝕”。§3.10泄水重力壩11第十一頁，共37頁?！?.10泄水重力壩——防蝕、抗腐的措施：①控制過水表面的不平整度。②摻氣減蝕,:當流速超過36m/s時,即使采取表面平整度處理,仍可能產(chǎn)生空蝕,故應考慮其它安全措施。③采用抗蝕抗磨性強的材料。2）摻氣水自由表面產(chǎn)生摻氣現(xiàn)象使水深增大。在確定溢流壩邊墻高度時，應予考慮。12第十二頁，共37頁。3）脈動——泄水建筑物中的水流屬于高度紊動水流，其基本特征是流速和壓力隨時間在不斷變化，即所謂脈動；——在設計中，表征脈動壓力的主要參數(shù)是頻率和振幅；——紊動水流均產(chǎn)生摻氣邊界條急劇變化處尤為嚴重，脈動對建筑物的影響：①增大作用在建筑物上的瞬時荷載。其雙倍振幅為2%~10%的流速水頭；②脈動壓力變化有一定的周期性。引起結(jié)構(gòu)振動甚至共振③增加空蝕破壞的可能性。4）沖擊波在高速水流邊界發(fā)生變化處：斷面擴大、收縮、轉(zhuǎn)彎等，將產(chǎn)生沖擊波。§3.10泄水重力壩13第十三頁，共37頁?！?.10泄水重力壩4、溢流面曲線及剖面設計——溢流面組成：頂部曲線段、中間直線段和反弧段；——設計要求：①有較高的流量系數(shù)，泄流能力大；②水流平順，不產(chǎn)生負壓和空蝕；③體型簡單、造價低，便于施工。1）頂部曲線：——開敞式堰頂常用曲線：①WES曲線；②克——奧曲線；③三段圓?。弧貕ρ唔斍€：y=x2/4φ2Hd。2）反弧段：圓弧，其半徑結(jié)合下游消能設施確定：挑流消能R=(4~10)h，流速<16m/s時，取下限，流速大時取較大值；底流消能，反弧與護坦相連，取上限。3）中間直線段：與壩頂曲線和下部反弧相切，坡度與非溢流壩段的下游坡度相同。14第十四頁，共37頁。§3.10泄水重力壩4）剖面設計——溢流重力壩剖面與非溢流重力壩的基本剖面相適應；——上游壩面一般鉛直，或上部鉛直、下部傾向下游，并盡量與非溢流重力壩的上游面相一致；——溢流重力壩剖面小于基本三角形剖面時，可適當調(diào)整堰頂曲線，使其與三角形的斜邊相切；——對有鼻坎的溢流壩，鼻坎超出基本三角形以外，當l/h>0.5，經(jīng)核算B-B’截面的拉應力較大時，可設縫將鼻坎與壩體分開。15第十五頁，共37頁?！?.10泄水重力壩5、消能工的設計原則及型式1）消能工消能：通過局部水力現(xiàn)象，把水流中的一部分動能轉(zhuǎn)換成熱能，隨水流散逸；2）消能工程能量轉(zhuǎn)換途徑：水流內(nèi)部紊動、摻混、剪切及漩滾；水股的擴散及水股之間的碰撞；水流與固體邊界的劇烈摩擦和撞擊；水流與周圍氣體的摩擦和摻混；3）設計原則：根據(jù)樞紐布置、地形、地質(zhì)、水文、施工和運用等條件確定。①盡量使下泄水流的動能消耗于水流內(nèi)部的紊動中，以及水流與空氣的摩擦上；②不產(chǎn)生危及壩體安全的河床或岸坡的局部沖刷；16第十六頁，共37頁?！?.10泄水重力壩③下泄水流平穩(wěn)，不影響其他建筑物的運行。④結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。⑤工程量小，經(jīng)濟。4）消能工的型式：底流式、挑流式、面流式、消力戽等。5）選擇消能工的依據(jù)：地形、地質(zhì)、樞紐布置、水頭、流量、下游水深及其變幅等進行技術經(jīng)濟比較。重要工程應作模型試驗。6）泄洪消能技術新進展：①常見的底流和挑流方式有了很大改進與發(fā)展，增強了適應性和消能，出現(xiàn)了一些新型高效的消能工——寬尾墩、臺階式溢流壩面和T形墩等；②因地制宜，采用多種消能工聯(lián)合消能；③常見底流和挑流能、增強了適應性和消能效果。17第十七頁，共37頁?！?.10泄水重力壩7）多種聯(lián)合消能工消能：①多種泄水建筑物的聯(lián)合，包括壩體的表孔、中孔、底孔，岸邊溢洪道及泄洪隧洞等，主要是溢流壩和岸邊溢洪道；②不同型式消能工的聯(lián)合，如寬尾墩與挑流聯(lián)合，寬尾墩與消力池聯(lián)合，寬尾墩、臺階式溢流壩面與消力戽聯(lián)合等?！獮踅伤娬敬髩危褐胁?個溢流表孔，左右側(cè)各設1條滑雪式溢洪道，并設2個中孔和2條泄洪洞進行聯(lián)合泄洪；——潘家口水電站大壩：寬尾敦與挑流聯(lián)合消能；因重力和離心力的影響、相鄰孔之間水流擴散彼此交匯并碰撞，激起很高的水冠向下游挑射，增強了空中擴散與摻氣，提高了效果；——五強溪水電站采用寬尾墩—底孔—消力池新型聯(lián)合消能，較原設計的消力池縮短了50m，利用寬尾墩形成的壩面無水區(qū)，沿閘墩軸線在壩內(nèi)設置7個泄洪底孔，取消了1個溢流表孔，獲得了很好的經(jīng)濟效益。18第十八頁，共37頁?！?.10泄水重力壩8）底流消能——⑴水流條件及消能措施。在壩趾下游設消力池，消力坎等。底流消能工作可靠，但是工程量大。下泄不同流量產(chǎn)生的躍后水深h”與下游實際水深t的關系，有以下五種情況：

Q——h”和Q——t重合。①表明任何情況下均產(chǎn)生臨界水躍，無須修消力池，只須在水躍范圍內(nèi)修護坦即可。這是最理想情況，實際很少見。19第十九頁，共37頁?！?.10泄水重力壩20第二十頁，共37頁。§3.10泄水重力壩

②何情況他t<h”,產(chǎn)生遠驅(qū)式水躍。需要消力池、消力坎及綜合消力池，以促使在坎趾處產(chǎn)生淹沒水躍。③表明在各種流量下t>h”,均產(chǎn)生淹沒水躍。淹沒度大時，產(chǎn)生高速潛流，水躍長度加大。消能采用消力戽或斜坡式（逆坡式）護坦，（計算方法不成熟）④小Q時，Q<Qk時t<h”，下游水深不足，產(chǎn)生遠驅(qū)水躍。Q>Qk時，t>h”,下游水深大，產(chǎn)生淹沒水躍。這時采用斜坡式護坦與消力池相結(jié)合得方式（并稱消力護）。21第二十一頁，共37頁。§3.10泄水重力壩

⑤與④相反。也用消力戽消能，消力池按最大流量設計?！谱o坦結(jié)構(gòu)護坦的作用：保護河床不受高速水流的沖刷。長度：底流式消能延伸致水躍末端，其他型式，也需在壩趾下游設置護坦。厚度：滿足穩(wěn)定要求。上游厚，下游薄（流速小，壓力大）。為防止護坦受基巖約束產(chǎn)生溫度裂縫、在護坦內(nèi)設置溫度伸縮縫，順河向的縫與閘墩中心線對應，橫向的縫間距10~15m，護坦底下設排水系統(tǒng)（降低揚壓力），護坦末端做成齒墻以防水流淘刷。材料：采用抗蝕耐磨砼。22第二十二頁，共37頁。§3.10泄水重力壩9）挑流消能（適用于基巖比較堅固的高、中壩）消能特點：將下游高速水流拋向空中，使水流擴散、摻氣，然后跌入下游河床水墊中，發(fā)生旋滾和摩擦，以消耗能量，本消能方式優(yōu)點：簡單、經(jīng)濟、工期短；缺點：尾水活動比較大，霧化大，影響電站工作。設計內(nèi)容：鼻坎型式、反弧半徑、鼻坎高程、挑射角度。23第二十三頁，共37頁?！?.10泄水重力壩——⑴連續(xù)式鼻坎主要優(yōu)點是：構(gòu)造簡單，射程遠，水流平順，很少產(chǎn)生空蝕。鼻坎挑射角一般θ=20~25°，深水河槽θ=15~20°。(在45以內(nèi)，角度愈大，挑射距離愈遠，但入水角度也大，沖刷坑也愈深)，要求>2.5~5.0反弧半徑R=（8~10）h，h鼻坎上水深。R大小，水流轉(zhuǎn)向不平順；過大時，鼻坎向下游延伸太長，增大工程量。鼻坎高程：一般高出下游最高水位1~2m，現(xiàn)有低鼻坎挑流低于下游最高水位，如浸窩。挑距及沖坑計算公式見教材。

24第二十四頁，共37頁?！?.10泄水重力壩⑵差動式挑流鼻坎優(yōu)點：使挑射水舌擴散，分成兩段，相互撞擊、加大摻氣量，加大空中耗能，減小入水的單位面積上的能量，減小沖刷，下游波動也小些。型式：矩形和梯形齒坎；缺點：矩形側(cè)壁易產(chǎn)生較大負壓；梯形施工復雜。25第二十五頁，共37頁。§3.10泄水重力壩10）面流式消能適用于中小型工程，水頭低，下游水深大且變幅小。消能特點:利用鼻坎將主流挑至水面，在鼻坎附近表面主流與河床之間形成逆向旋滾。使高速水流與河床隔開，避免對壩趾附近河床的沖刷，主流在水面逐漸擴散消能，反向旋滾也可消除一部分能量。優(yōu)點:面流消能不需設護坦和其他加固措施。缺點:高速水流在表面、伴有強烈的波浪、綿延數(shù)里，影響電站運行及下游通航，易沖刷兩岸。26第二十六頁，共37頁。§3.10泄水重力壩11）消力戽消能適用：尾水深、變幅小、無航運要求，下游河岸有一定抗沖能力。特點：消力戽是以模型試驗為基礎研究成功的一種消能方式。它是利用一個較大的反弧半徑和挑角形成的戽斗、在一定尾水深度的作用下，使從溢流壩下游的高速水流在戽斗內(nèi)產(chǎn)生激烈的表面旋滾，并使出戽的高速水股在底部及尾水中均產(chǎn)生旋滾，以達到較好的消能效果。30年首先在美國大苦力壩中采用，我國安康采用。優(yōu)點：工程量較消力池小，沖刷坑比挑流式淺，不存在霧化問題；缺點：下游水面波動大，易沖刷岸坡，不利航運，戽面磨損率高，增大了維修費用。27第二十七頁，共37頁?！?.10泄水重力壩12）下游折沖水流及其防止發(fā)生原因：開啟部分泄水孔，下游水流不能迅速在平面上擴散，在主流兩側(cè)容易形成回流，主流受到壓縮，使水流單寬流量增加，流速在長距離內(nèi)不能降低，引起河床沖刷。如兩側(cè)回流強度不同，水位不同，還可將主流壓向一側(cè)，形成折沖水流。——危害：⑴沖刷河床和河岸；⑵影響航運；28第二十八頁，共37頁?！?.10泄水重力壩⑶電站尾水形成回流，抬高尾水，損失電能（落差減小）；——下游折沖水流及防止措施：①在樞紐布置上，盡量使下泄水流與原河床主流位置和方向一致；②規(guī)定閘門操作程序，使各孔閘門同時使各孔閘門同時均勻，或程序?qū)ΨQ開啟；③布置導流墻，使主流充分擴散；④進行水工模型試驗，研究下游流態(tài)及改善措施。29第二十九頁，共37頁。§3.10泄水重力壩三、壩身泄水孔1、壩身泄水孔的作用——作用：①宣泄部分洪水；②預泄庫水，增大水庫的調(diào)蓄能力；③放空水庫以便檢修；④排放泥沙，減少水庫淤積；⑤隨時向下游放水，滿足航運或灌溉等要求；⑥施工導流；——缺點：孔內(nèi)流速較高，容易產(chǎn)生負壓、空蝕和振動；閘門在水下檢修較困難；閘門承受的水壓力大，啟門力加大；門體結(jié)構(gòu)、止水和啟閉設備都較復雜，造價增高；水頭愈高，孔口面積愈大，技術問題愈復雜；——一般不用壩身泄水孔作為主要泄洪建筑物，其過水能力主要根據(jù)預泄庫容、放空水庫、排沙或下游用水要求來確定；在洪水期可作為輔助泄洪；——在樞紐中設置壩身泄水孔、泄洪隧洞或泄水管道，用以放空水庫；我國早期工程未設，后來運用和檢修都很困難。30第三十頁，共37頁?！?.10泄水重力壩2、壩身泄水孔的型式及布置——型式：按水流條件，分有壓和無壓；按孔口所處高程分中孔和底孔；按布置的層數(shù)分為單層和多層。1）有壓泄水孔工作閘門布置在出口，可以部分開啟，出口低，利用的水頭大，斷面尺寸較小。缺點：閘門關閉時，孔內(nèi)承受較大的內(nèi)水壓力對壩體應力和防滲都不利，常需鋼板襯砌。為此進口處設置事故檢修閘門、平常用來擋水。2）無壓泄水孔工作閘門布置在進口，為形成無壓水流，需在閘門后將斷面頂部升高。（工作閘門前仍為有壓段）31第三十一頁，共37頁?！?.10泄水重力壩

優(yōu)點：閘門可以部分開啟，明流段不用鋼板襯砌，施工簡便，干擾少，有利于加快速度進度。缺點：斷面尺寸較大，削弱壩體。國內(nèi)重力壩多采用無壓泄水孔。3）雙層泄水孔受閘門結(jié)構(gòu)及啟閉機的限制，深式泄水孔的斷面面積不能太大，為了增大泄流量，可將泄水孔做成雙層的（或?qū)⑿顾撞贾迷谝缌鲏味危Ｗ⒁獾膯栴}：①雙層泄水時對下層泄水孔泄流能力的影響；②在尾部上、下層水流交匯處可能產(chǎn)生空蝕。深式泄水孔：水流流速高，邊界條件復雜，應十分重視體形設計，如進口曲線，閘門槽的型式，漸變段、豎向連接等，并注意施工質(zhì)量。32第三十二頁，共37頁?！?.10泄水重力壩3、進口曲線應滿足：①減少局部損失，提高泄水能力②控制負壓，防