07第七章引水建筑物

第七章引水建筑物第一节渠道工程第二节水工隧洞第三节压力前池及调压室第四节压力管道第五节渡槽第六节倒虹吸管第七节坝下涵管第八节涵洞第九节其他渠系建筑物第一节渠道工程一、概述在灌区利用灌溉渠道输水及利用排水沟道排水的过程中为满足控制水流、分配水量、上下游连接和水流交叉等要求而修建的各种水工建筑物，统称为渠系建筑物。渠系建筑物的特点是单个工程的规模一般不大，但数量多，总工程量往往是渠首工程的若干倍。因此，设计标准对工程投资及安全性影响很大。（一）渠系建筑物的种类及作用（1）控制建筑物。如进水闸、节制闸、分水闸等。（2）泄水建筑物。如溢流堰、泄水闸、退水闸等。（3）交叉建筑物。如渡槽、倒虹吸管、涵洞、隧洞、桥梁等。（4）落差建筑物。如跌水、陡坡等。（5）冲沉沙建筑物。如沉沙池、冲沙闸、冲沙管等。（6）量水建筑物。如量水堰、量水槽、量水喷嘴等。（7）便民利民建筑物。如农桥、踏步、码头等。（二）渠系建筑物的布置原则（1）数量恰当，效益最大。（2）安全运行，保证供水。（3）联合修建，形成枢纽。（4）独立供水，方便管理。（5）便于交通，方便生产。（三）渠系建筑物的特点（1）面广量大，总投资多。（2）建筑物具有相似性。（3）受地形影响大，与群众联系密切。（四）渠系建筑物的定型设计二、渠道（一）概述渠道是发电、灌溉、航运、给水、排水等水利工程中广泛采用的输水建筑物。灌溉用渠道，一般可分为干、支、斗、农、毛五级，构成完整的灌溉系统，前四级一般为固定渠道，第五级多为临时渠道。一般干、支渠主要起输水作用，称为输水渠道；斗、农渠主要起配水作用，称为配水渠道。（二）渠道线路选择（1）地形条件。（2）地质条件。（3）施工条件。（4）管理要求。（三）渠道的纵横断面设计合理的渠道断面设计，一般应满足以下几方面具体要求：①有足够的输水能力，以满足用户对用水水量的需要；②有足够的水位，以满足自流灌溉的要求；③有适宜的渠道水流流速，以满足渠道不冲、不淤或周期性冲淤平衡的要求；④有稳定的边坡，以保证渠道安全运用；⑤有合理的断面形式，以减少渗漏等损失，提高水利用系数；⑥尽量满足综合利用要求，做到一专多能；⑦尽量使工程量最少，以有效降低工程总投资，发挥最大工程效益。（四）水电站动力渠道1、动力渠道的基本要求（1）足够的输水能力。（2）水质符合要求。（3）运行安全可靠。（4）渠道应能控制和维护检修，并设排泄洪水的工程措施。（5）渠道工程应满足经济要求。2、动力渠道的类型和适用条件（1）自动调节渠道。（2）非自动调节渠道。第二节水工隧洞一、概述（一）水工隧洞的类型1、水工隧洞的作用（1）配合溢洪道宣泄洪水，有时也作为主要泄洪建筑物之用。（2）引水发电，或为灌溉、供水和航运输水。（3）排放水库泥沙，延长使用年限，有利于水电站等的正常运行。（4）放空水库，用于人防或检修建筑物。（5）在水利枢纽施工期用作导流建筑物。2、类型（1）按作用可分为泄洪隧洞、引水发电和尾水隧洞、灌溉和供水隧洞、放空和排沙隧洞、施工导流隧洞。（2）按隧洞内的水流状态可分为有压隧洞和无压隧洞。（二）水工隧洞的工作特点（1）水力特点。（2）结构特点。（3）施工特点。（三）水工隧洞的组成（1）进口段。（2）洞身段。（3）出口段。二、水工隧洞的布置与选线（一）总体布置及线路选择1、总体布置2、线路选择（1）隧洞的线路应尽量避开不利的地质构造、围岩中可能存在的不稳定地段及地下水位高、渗水量丰富的地段，以减小作用于衬砌上的围岩压力和外水压力。（2）洞线在平面上应力求短直，这样既可减少工程费用，方便施工，又有良好的水流条件。（3）进、出口位置合适。（4）隧洞应有一定的埋藏深度。（5）隧洞的纵坡应综合分析比较确定。（6）对于长隧洞，可布置施工支洞、竖井，以便增加工作面。（二）闸门在隧洞中的布置引水隧洞中一般要设置两道闸门，一道是工作闸门，用来调节流量和封闭孔口，能在动水中启闭；一道是检修闸门，设置在进口，用来挡水，以便检修工作闸门或隧洞。大中型隧洞的深式进水口常要求检修闸门能在动水中关闭，静水中开启，以满足发生事故时的需要，所以也称事故检修门。对于有压泄水隧洞，其工作闸门通常布置在出口。三、水工隧洞各组成部分的形式及构造（一）进口段有压隧洞进口段包括进口喇叭口、闸门室、通气孔、平压管和渐变段等部分。（二）洞身段1、洞身断面形式有压隧洞一般均采用圆形断面，原因是圆形断面的水流条件和受力条件都较为有利。无压隧洞可采用城门洞形、马蹄形或蛋形等断面。2、洞身断面尺寸3、洞身衬砌（1）衬砌的功用：①限制围岩变形，保证围岩稳定；②承受围岩压力、内水压力等荷载；③防止渗漏；④保护岩石免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏作用；⑤减小表面糙率。（2）衬砌的类型：平整衬砌、单层衬砌、组合式衬砌、预应力衬砌、喷锚衬砌等。（3）衬砌分缝。混凝土及钢筋混凝土衬砌是分段分块浇筑的。为防止混凝土干缩和温度应力而产生裂缝，在相邻分段间设有环向伸缩缝，有压隧洞需在缝中设止水。4、灌浆隧洞灌浆分为回填灌浆和固结灌浆两种。回填灌浆是为了充填衬砌与围岩之间的空隙，使之结合紧密，共同受力，以发挥围岩的弹性抗力作用，并减少渗漏。固结灌浆的目的在于加固围岩，提高围岩的整体性，减小围岩压力，保证围岩的弹性抗力，减小渗漏。5、排水设置排水，可以降低作用在衬砌上的外水压力。（三）出口段有压隧洞出口，绝大多数设有工作闸门、启闭机室、渐变段、消能设施等。四、水工隧洞的衬砌计算（一）荷载及其组合1、围岩压力也称山岩压力。指隧洞开挖后由于围岩变形或塌落而作用在衬砌上的压力。2、弹性抗力在荷载作用下，衬砌向外变形时受到围岩的抵抗，这种因围岩抵抗衬砌向外变形而作用在衬砌外壁的作用力，称为弹性抗力。3、内、外水压力4、衬砌自重5、荷载组合（1）正常运用情况。山岩压力+衬砌自重+宣泄设计洪水时的内水压力+外水压力。（2）施工、检修情况。山岩压力+衬砌自重+可能出现的最大外水压力。（3）非常运用情况。山岩压力+衬砌自重+宣泄校核洪水时的内水压力+外水压力。（二）衬砌结构计算（略）五、水工隧洞的喷锚支护喷锚支护是喷混凝土支护与锚杆支护的总称。主要类型有：喷混凝土支护、锚杆支护、喷混凝土锚杆联合支护、喷锚加钢筋网支护。第三节压力前池及调压室一、压力前池又称压力池或前池，位于动力渠道的末端，是水电站引水建筑物与水轮机压力管道的连接建筑物。（一）压力前池的作用及组成1、压力前池的作用（1）分配水流。（2）平稳水压，平衡水量。（3）拦阻污物和泥沙。（4）在电站停机时可向下游供水，满足下游用水部门的需要。（5）保护压力管道进水口在冬季不受冰凌的阻塞或损坏。2、压力前池的组成部分（1）前室及进水室（2）压力墙（3）泄水建筑物（4）冲沙、拦冰及排冰建筑物（二）压力前池的位置选择及布置1、位置选择应力求做到布置紧凑合理、水流顺畅、运行灵活可靠、结构安全经济。2、布置方式如图7.17（三）压力前池各组成部分的尺寸和构造1、前室2、进水室3、压力前池轮廓尺寸的拟定二、调压室（一）调压室工作原理当水轮发电机组正常运行时，如果负荷突然变化，或开机、停机，引水系统的压力管道的水流会产生非恒定流现象，一般称为水锤。调压室是一种具有自由水面和一定体积的井式结构物，底部与压力引水道连接，以破坏压力引水道的封闭性，如同水库一样能反射水锤波，从而减小水锤压强。（二）调压室的作用、要求及设置调压室的条件1、调压室的作用调压室指在较长的压力引水（尾水）道与压力管道之间修建的，用以降低压力管道的水锤压力和改善机组运行条件的水电站建筑物。调压室的作用：1）反射水锤波。2）缩短压力管道的长度。3）改善机组在负荷变化时的运行条件及系统供电质量。2、对调压室的基本要求（1）位置应尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度。（2）能较充分地反射压力管道传来的水锤波。（3）调压室的工作必须是稳定的。（4）正常运行时，水头损失要小。（5）工程安全可靠，施工简单方便，造价经济合理。（三）调压室的基本类型1、调压室的基本布置方式（1）上游调压室（引水调压室）。（2）下游调压室（尾水调压室）。（3）上下游双调压室系统。（4）上游双调压室系统。2、调压室的基本结构型式（1）简单式调压室。（2）阻抗式调压室。（3）双室式调压室。（4）溢流式调压室。（5）差动式调压室。（6）气垫式调压室。（7）综合式调压室。（四）影响调压室波动稳定的因素1、电站水头的影响2、引水系统糙率的影响3、调速器和机组性能的影响4、电力系统的影响（五）调压室稳定断面的推导（略）第四节压力管道一、概述（一）压力管道压力管道是指从水库、前池或调压室向水轮机输送水量的管道。（二）压力管道的类型1、钢管2、钢筋混凝土管3、钢衬砌钢筋混凝土管二、压力管道的布置和供水方式（一）压力管道的布置（1）尽可能选择短而直的路线。（2）尽量选择良好的地质条件。（3）尽量减少管道的起伏波折。（4）避开可能发生山崩或滑坡地区。（5）明钢管的首部应设事故闸门。（二）压力管道的供水方式1、单元供水2、集中供水3、分组供水三、压力管道的水力计算和经济直径的确定四、钢管的管壁厚度五、明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备（一）明钢管的敷设方式有连续式和分段式两种。（二）明钢管的支墩和镇墩（三）明钢管上的闸、阀门和附件六、地下埋管（一）地下埋管的布置形式地下埋管有竖井、斜井和平洞三种。（二）地下埋管的结构和构造七、下坝身管道（一）坝内埋管（二）坝后背管第五节渡槽一、渡槽的作用及组成渡槽是渠道跨越河、沟、渠、路或洼地的明流架空渠系交叉建筑物，它由进口连接段、槽身、结构支承与出口连接段组成。渡槽一般适用于河、渠相对高差较大，河道岸坡较陡，洪水流量较大的情况。它与倒虹吸管相比较具有水头损失小、便于管理运用及可通航等优点，是渠系交叉建筑物中采用最多的一种型式。二、渡槽的型式及组成1、渡槽的类型按槽身断面形式分为U形槽、矩形槽、抛物线形槽及圆管槽等。按支承结构分为梁式渡槽、拱式渡槽、桁架式渡槽、斜拉式渡槽、组合式渡槽等。2、渡槽的组成渡槽一般由进口段、出口段、槽身及支承结构等部分组成。三、渡槽的总体布置（一）槽址选择（1）应选择在地形、地质条件有利的地方。（2）跨越河流的渡槽，槽址应稳定，水流顺直。（3）便于泄水闸等建筑物的布置。（4）施工、管理及应用方便。（二）进出口段的布置（1）与渠道直线连接。（2）设置渐变段。（3）设置护底与护坡。四、渡槽的水力计算要点渡槽水力计算的目的，是确定渡槽过水断面形状和尺寸、槽底纵坡、进出口高程，校核水头损失是否满足渠系规划要求。五、梁式渡槽设计（一）槽身断面型式选择一般大流量渡槽，多采用矩形断面；中小流量可采用矩形，也可采用U形断面。（二）梁式渡槽一般构造（1）分缝（2）止水（3）支座（三）槽身结构计算（略）（四）梁式渡槽支承结构设计1、支承结构的型式及尺寸（1）槽墩式。一般为重力式，包括实体墩和空心墩两种型式。（2）排架式。一般为钢筋混凝土结构，主要有单排架、双排架、A字形排架及组合式排架等型式。2、排架与基础的连接排架与基础的连接型式，通常有固接和铰接。（五）渡槽基础渡槽基础，是将渡槽的全部重量传给地基的底部结构。渡槽基础的类型较多，按照埋管深度可分为浅基础和深基础，埋置深度小于5m时为浅基础，大于5m的为深基础；按照结构型式可分为刚性基础、整体板式基础（亦称柔性基础）、钻孔桩基础和沉井基础等。第六节倒虹吸管一、倒虹吸管的特点和使用条件倒虹吸管属于渠系交叉建筑物，是指设置在渠道与河流、山沟、谷地、道路等相交叉处的压力管道。其特点是两端与渠道相接，而中间向下弯曲。与渡槽相比，具有结构简单、造价较低、施工方便等优点。但是，输水时水头损失较大，运行管理不如渡槽方便。适用情况：①渠道跨越宽深河谷，采用其它方案困难或造价较高时；②渠道与原有渠、路相交，因高差较小不能修建渡槽、涵洞时；③修建填方渠道，影响原有河道泄流时；④修建渡槽，影响原有交通时。二、倒虹吸管的组成和类型倒虹吸管一般分为进口段、管身段和出口段三部分。倒虹吸管的类型根据管路埋设情况及高差的大小，通常可分为竖井式、斜管式、曲线