第9章-水工建筑物枢纽布置设计

第九章水工建筑物枢纽布置设计教学目标：1、了解设计阶段的划分以及各阶段的主要任务2、了解枢纽布置的原则3、了解枢纽布置中各类建筑物的关系。教学重点及难点：如何满足各类建筑物的要求并协调好各类建筑物之间的关系。§1水利枢纽设计阶段的划分1.1设计所需要的基本资料：自然地理；地质；水文；气象；社会经济；相关规程与规范。1.2设计阶段的划分：预可行性研究、可行性研究、招标设计、施工详图设计（原先：可行性研究报告、初步设计、招标设计和施工图设计）可行性研究报告阶段：论证拟建工程在技术上的可能性、经济上的合理性、以及开发次序上的迫切性。包括以下内容：初拟主要水文参数，查清主要地质问题，选定工程地址；估算淹没补偿和对环境的影响；初定工程等别、建筑物级别，主要建筑物的形式、轮廓尺寸和枢纽布置方案，装机容量和机型；估算主要工程量，初拟施工导流方案、主体工程的施工方法、施工总体布置和总进度；估算工程总投资，进行经济分析和评价，阐明工程效益。初步设计阶段：包括确定拟建工程的等别和主要建筑物的级别；选定各种特征水位；选定坝型、输水线路、主要建筑物的形式、轮廓尺寸及枢纽布置；确定装机容量，选择机组型号和其他机电设备；确定施工导流方案及主体工程的施工方法、施工总体布置及总进度、对外交通和施工设施；提出建筑材料、劳动力和风、水、电的需要量；论证对环境的影响及环境保护；进行经济分析，阐明工程效益。招标设计阶段：合同文件和工程文件。前者包括：投标须知和合同条款、合同格式和投标格式；后者包括技术规范和图纸。施工祥图阶段：建筑物地基开挖图、地基处理图、建筑物结构图、钢筋混凝土结构的钢筋图、金属结构及机电设备的安装图等。§2蓄水枢纽2.1坝址与坝型选择坝址、坝型选择和枢纽布置三者是互相联系的，不同的坝轴线可以选用不同的坝型和枢纽布置。如河谷狭窄，地质条件良好，宜于修建拱坝；河谷宽阔，地质条件较好，可以修建重力坝或支墩坝；河谷复盖层厚或地质条件较差且土料含量丰富，宜于修建土石坝。对同一条坝轴线，还可以考虑几种不同的坝型和枢纽布置方案。在选择坝址、坝型和枢纽布置中不仅要研究枢纽附近的自然条件，而且还要考虑枢纽的施工条件、运行条件、总和效益、投资指标及远景规划等，这是水利枢纽设计中贯穿在各个阶段的一个十分重要的问题。在选择坝址、坝型时，需要考虑以下几个方面的问题。1、地质条件坝址地质条件是水利枢纽设计中的重要条件之一。坝址选择中要对以下几个方面的地质问题引起足够的重视：坝址选择中要对以下几个方面的地质问题引起足够的重视：1）、断裂问题。特别要注意与坝轴线几乎平行的断层及顺河大断层，了解断层破碎带中胶结情况，是否有裂隙承压水存在等，以便提出合理的处理措施；2）、河间地块（指两段河流之间的区域）作为坝址比较理想但河流的弯曲往往与构造因素有关，因此必需注意河间地块的构造问题；3）、在顺向河谷（指岩层走向和河流的流向一致）中，总有一岸是雨岩层倾向一致的顺向坡。当岩层倾角小于地形坡角，岩层中在地形上存在凌空面，这种岸坡极易发生滑动，应当注意；4)、对于岩溶地区，要掌握岩溶发育的规律，特别要注意潜伏溶洞，溶沟和溶槽，查明岩溶对水库蓄水和对建筑物的影响，并提出有效的处理措施。2、地形条件坝址选在峡谷地段，坝轴线较短，坝体工程量小；但不利于泄水建筑物的布置、施工导流和施工场地的布置，因此需要综合考虑。选用土石坝时，应注意库区有无垭口可供岸边溢洪道；上、下游有无开阔地区，可供布置施工场地，对于有泥沙及有漂木要求的河道，还应注意水流的形态，在选择坝址时，应当考虑到泥沙和漂木进入取水建筑物。对于有通航要求的枢纽，则应注意通航建筑物于河道的连接。3、建筑材料坝址附近应有足够数量符合质量要求的建筑材料。对于料场分布、开采条件、埋藏深度、施工期淹没问题应认真考虑。4、施工条件要便于施工导流；要求坝址附近特别是下游有较开阔的地形，以便布置施工场地；距交通干线较近，对外交通方便；可与永久电网连接，解决施工用电的困难。5、综合效益对不同坝址要综合考虑防洪、灌溉、发电、航运、过木和旅游等各部门的经济效益。2.2、枢纽布置枢纽布置就是枢纽中各个水工建筑物的相互位置，是枢纽设计中的一项重要内容，由于这项工作需要考虑的因素多，涉及面广，因此，需要从设计、施工、运行管理、经济等各方面进行全面论证，综合比较，最后从若干个比较方案中选定最好的枢纽布置方案。1、枢纽布置的一般原则1）、坝址、坝型选择和枢纽布置应与施工导流、施工方法和施工期限等结合考虑，要在较顺利的条件下缩短工期。2）、枢纽布置应满足个建筑物在布置上的要求，保证各个建筑物在任何工作条件下都能正常工作。3）、在满足建筑物强度和稳定的条件下，降低枢纽总造价和年运转费用。4）、枢纽中个建筑物布置紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少联结建筑。5）、尽可能使部分建筑物早期投产，提前发挥效益（如提前蓄水，早期发电或灌溉）。6)、枢纽的外观应与周围的环境协调，在可能条件下注意美观。2、各类建筑物在枢纽布置中的要求1)、挡水建筑物除拱坝外，通常布置成直线，这样坝轴线较短，坝身体积小，对建筑物的受力状态有利，并便于与相邻的建安转物的联结。但有时受地形和地质条件的限制，也可将坝轴线布置成折线。2)、泄水建筑物泄水建安转物包括溢流坝、岸边溢洪道、泄水空、泄水隧洞等。溢流坝前缘应正对上游来水的主流方向，特别当坝轴上游不远处有河道转弯时更要注意；下游出口方向最好与原河道的主河槽水流方向一致。溢流坝应尽量建在坚硬完整的岩基上，以利于解决下游消能防冲问题。当溢流坝与厂房段并列布置时，一般应尽量将前者布置在深槽，以保证泄水流畅。为了减少下游水流对对其它建筑物的影响，有时需在溢流坝与这些建筑物之间布置导墙。岸边式溢洪道应尽量布置在高程较低的垭口处。要求进口水流平顺；溢溜堰及泄槽的布置要结合地形、地质及水流条件综合考虑；出口出应采用适当的消能外，还应防止对水电尾水及航道出口的干扰。泄洪隧洞的布置，主要取决于地形、地质、施工及枢纽布置等条件。进口应力求使水流平顺，出口布置应注意消能及防止对其它建筑物的影响。当河流含沙量大，坝前淤积严重时，应采取排沙措施。冲沙孔常布置在厂房进口附近，其高程应满足运用上的要求。3)、水电建筑物水电站进口前水流应顺直，不发生漩涡及横向水流，进口高程由水利计算确定。坝后式厂房应尽可能靠近坝下，以减小引水管路的工程量和水头损失。对河床式水电站，由于泄水建筑物占据了主河槽，厂房多布置在岸边，但应避免由于泥沙淤积造成尾水位壅高，从而降低发电水头。如溢流坝采用挑流或面流的消能方式，则在布置上要采取适当措施以减小下游河床的冲刷、淤积、回流等对尾水的影响。当河床狭窄，不能并列布置溢流坝及厂房时，可以采用坝内式厂房、厂房顶溢流式、挑越式或地下厂房等布置方式。这些星式可以减少枢纽布置，减少工程量，但坝体及厂房结构比较复杂。引水式电站的厂房位置主要取决于地形和地质条件，一般多为裁弯取直，利用河道天然落差，增加发电水头。4)、灌溉和引水建筑物（详见下节）引水建筑物可包括进水闸、坝身引水管或引水隧洞。引水建筑物的取水口应位于用水地区的一侧，其高程取决于用水地区的高程。为适应灌溉需要，可采取适当措施分层取用表层水。当枢纽采用堰闸或无坝取水时，取水口一般应选在弯道下游段凹岸一侧；对取水口的引水角，门前排沙、以及进水闸后排沙（如沉沙池、排沙闸等）均需要布置得当。水利枢纽设计需要通过论证比较，选出最优方案。所谓好的方案，应当是技术上先进和可能，经济上合理，施工期短，运行可靠，管理方便。2.3枢纽布置实例§3引水枢纽3.1引水枢纽作用以及类型引水枢纽的作用是把河流中的水引入渠道，以满足灌溉、发电、工业及生活用水等需要；并防止粗粒泥沙进入渠道。引水枢纽位于引水渠道首部，又称渠首工程。根据是否有拦河闸（坝）又分为有坝引水枢纽和无坝引水枢纽。无坝引水枢纽：它是一种最简单的引水方式，在河道上选择适宜地点开渠并修建必要的建筑物引水，称无坝引水枢纽。通常由进水闸、冲沙闸、沉沙池、河道整治建筑物及泄水排沙渠等组成。无坝引水枢纽在大江、大河的下游或山区河流上采用较多。有坝引水枢纽：当河道水量比较丰富，但水位较低，不能自流灌溉；或引水量较大，无坝引水不能满足要求时，则应修建拦河坝（闸），以抬高水位，保证引取灌溉所需的流量。通常由溢流坝（亦称壅水坝）或拦河闸、进水闸、防沙冲沙措施、船闸、阀道、鱼道、电站等组成。由于工作可靠被广泛使用。3.2各自特点无坝引水枢纽的优点是工程简单、投资少、施工容易、工期短及收效快，而且不影响航运、发电及渔业，对河床演变影响小。有坝引水枢纽的特点，其优点是引水保证率高，而且不受引水率限制。缺点是工程量大、造价高，且破坏了天然河道的自然状态，改变了水流、泥沙运动的规律，尤其是在多泥沙河流上，会引起渠首附近上下游河道的变形，影响渠首的正常运行。上游水位抬高，流速减小，挟沙能力减低，故河流中的推移质泥沙淤积在上游，使河床逐渐抬高。溢流坝运行初期，上游河床的淤积，下泄的水流含沙量减小，具有很大的冲刷力，使坝下游河床发生冲刷现象。当坝前泥沙淤平后，泥沙被挟带到下游，由于上游大量引水结果，下游河道流量相应减小，而含沙量增大，水流挟沙能力降低，使下游河床淤积。3.3无坝引水枢纽布置1．无坝引水枢纽位置选择无坝渠首应设在河道坚固、河流弯道的凹岸，以引取表层较清水流，防止泥沙入渠。设在弯道顶点以下水深最深、单宽流量最大、环流作用最强的地方。这个地点距弯道起点的距离（L）可按下式初步拟定。14BRmBL（9—1）式中m—系数，一般取m=0.8～1.0时；B—河道设计水位时水面宽度，m；R—弯道中心半径，m。（2）分汊河段上，一般不宜设置引水口。2．无坝引水枢纽的布置形式无坝引水枢纽布置形式，可分为一首制渠首和多首制渠首两类。（1）一首制渠首1）弯道凹岸渠首：它适用于河床稳定，河岸土质坚固的凹岸。由进水闸、拦沙坎及沉沙设施等建筑物组成：进水闸、拦沙坎、冲沙闸、沉沙设施。2）导流堤式渠首：在不稳定的河流上及山区河流坡降较陡，引水量较大的情况下，采用导流堤式渠首来控制河道流量，保证引水。导流堤式渠首由导流堤、进水闸及泄水冲沙闸等建筑物组成。（2）多首制渠首：在不稳定的多泥沙河流上，采用一个引水口时，常常由于泥沙的淤塞而不能引足所需的水量，严重时甚至使渠首废弃。这时应采用多首制渠首。3.4有坝引水枢纽布置在弯曲河道上应选择弯道凹岸；在顺直河段，引水口应选在位于主流靠近河岸的地方；在多泥沙河流上应选在河床稳定的地段；兼顾干渠底高程应选择河岸坚固、高度适宜的地段，避免增加渠首土石方开挖量；当河流有支流流入时，应选择支流汇入处的上游，如为了引更图9－5引水口位置多水量，亦可选在其下游，但应充分考虑相互影响。（1）沉沙槽（冲沙槽）式渠首：正面排沙、侧面引水的布置型式。渠首由溢流坝、冲沙闸、泄洪闸、沉沙槽、导水墙、进水闸及防洪堤等建筑物组成（2）人工弯道式渠首：在不稳的河床上，修建人工弯道，根据弯道环流分沙的原理，就可以正面引水、侧面排沙（3）底部冲沙廊道式渠首：根据水流泥沙分层原理，进水闸引取表层较清的水流，底层含沙量较多的水流经底部冲沙廊道排到下游。（4）底栏栅式渠首：引水廊道设在坝内，廊道顶盖有栏栅，当河水从坝顶溢流时，一部分水流经过栏栅流入廊道，然后由廊道的一端流入渠道，河流中的推移质由坝顶栏栅滑到坝的下游，而随水流进入廊道的细沙则经过设在干渠的冲沙道排泄到河道下游。沉沙槽式渠首人工弯道渠首底部冲沙廊道式渠首底栏栅式渠首（5）两岸引水式渠首：当两岸均有灌溉要求时，应考虑两岸引水式渠首布置。有如下三种布置形式。1）溢流坝两侧沉沙槽式渠首：溢流坝两岸分别建造沉沙槽，如图9—15（a）所示，其优点是渠首布置简单，造价较低。缺点是当多泥沙河流主流摆动时，总有一岸引水条件恶化，以致引水不畅。适用条件是河道稳定；或河水满槽、水量丰富、有足够的冲沙流量，使两岸引水口前的河床均能借冲沙闸形成深槽，保证两岸引水。2）拦河闸式渠首：拦河闸具有较大排沙能力，能保持天然河道自然稳定状态，有利于两岸引水防沙，缺点