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水工建筑物核心知识点

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水工建筑物——水闸 水闸的构成及分类 功能与分类

水工建筑物——水闸

水闸的构成及分类


功能与分类


   水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工建筑物,多建于河道、渠系及水库、海、湖泊岸边。 按功能分类:
(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。


水闸的组成


(1)闸室
   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


(1)软土地基的压缩性大,承载力低,细砂易液化,抗冲能力差。 地基可能产生较大的沉降或沉降差,造成闸室倾斜,止水破坏,闸底板断裂,甚至破坏,引起水闸失事。
(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


1.闸址选择
   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
8.水闸与两岸的连接建筑
包括: 上、下游翼墙和边墩。
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

土石坝是指由当地土料、石料或混合料,经过抛填、碾压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾石为主时,称土坝;以石渣、卵石、爆破石料为主时,称堆石坝;当两类材料均占相当比例时,称土石混合坝。由于筑坝材料主要来自坝区,因而也称当地材料坝。
土石坝历史悠久,是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。土石坝得以广泛应用和发展的主要原因包括以下几个方面:
  1. 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

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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。


世界上已建的高土石坝如苏联的努克列水库大坝,坝高达317m。塔吉克斯坦的罗贡水库大坝,坝高达335m。据统计,世界上在20世纪80年代末期兴建的百米以上的高坝中,土石坝的比例已达到75%以上。由于多方面的原因,我国高土石坝的发展比较缓慢,我国坝高超过100m的土石坝有石头河水库大坝,坝高105m;碧口水库大坝,坝高101m;鲁布革水库大坝,坝高101m;小浪底水库大坝,坝高154m等。随着我国能源和水利建设事业的发展,大型水利水电工程将日益增多,而水力资源丰富的黄河上游、长江中上游干支流、红水河等建坝地点,大都处于交通不便、地质条件复杂的地区,自然条件相对恶劣,施工困难,修建土石坝具有更强的适用性。因此,我国十分重视因地制宜,积极推广和发展高土石坝的建设。

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


2)渗流方面
土石坝挡水后,在坝体内形成由上游向下游的渗流。渗流不仅使水库损失水量,还易引起管涌、流土等渗透变形。坝体内渗流的水面线叫做浸润线(图4-1)。浸润线以下的土料承受着渗透动水压力,并使土的内摩擦角和黏聚力减小,对坝坡稳定不利。坝体与坝基、两岸以及其他非土质建筑物的结合面,易产生集中渗流,因此设计土石坝时必须采取防渗措施以减少渗漏,保证坝体的渗透稳定性,并做好各种结合面的处理,避免产生集中渗流,以保证工程安全。


3) 冲刷方面
土石坝为散粒体结构,抗冲能力很低。 坝体上、下游水的波浪将在水位变化范围内冲刷坝坡; 大风引起的波浪可能沿坝坡爬升很高甚至翻过坝顶,造成严重事故; 降落在坝面的雨水沿坝坡下流,也将冲刷坝坡; 靠近土石坝的泄水建筑物在泄水时激起水面波动,对土石坝坝坡也有淘刷作用; 季节气温变化也可能使坝坡受到冻结膨胀和干裂的影响。 为避免上述不良影响,应采取以下工程措施:
  1. 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

  2. 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

  3. 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。



4)沉陷方面
由于土石料存在较大的孔隙,且易产生相对的移动,在自重及水压力作用下,会有较大的沉陷。沉陷使坝的高度不足,不均匀沉陷还将导致土石坝裂缝,横缝对坝的防渗极为不利。为防止坝顶低于设计高程和产生裂缝,施工时应严格控制碾压标准并预留沉陷量,使竣工时坝顶高程高于设计高程。对于重要工程,沉陷值应通过沉陷计算确定。对于一般的中、小型土石坝,如坝基没有压缩性很大的土层,可按坝高的1%~2%预留沉陷值。
根据土石坝的 特点,认真分析研究基本资料,在枢纽布置时,应特别重视并尽量避免或减少土石坝与刚性建筑物的连接。 对有条件的坝址,尽量选用开敞式溢洪道,以提高泄洪的超泄能力,使土石坝满足稳定、渗流、变形、冲刷以及不漫顶的要求。


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
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


3)定向爆破堆石坝
它是按预定要求埋设炸药,使爆出的大部分岩石抛向预期地点而形成的坝。这种坝增筑防渗部分比较困难。除苏联外,其他国家采用极少。我国已建有40多座,最高的为陕西石砭峪水库大坝,坝高82.5m。


三)按坝体材料的组合和防渗体的相对位置分类
土坝
坝是指坝 体的绝大部分都由土料筑成的坝。 根据土料的分布情况又可分为以下四种。
1)均质坝
均质坝的坝体基本上是由均一的壤土筑成,整个坝体用以防渗并保持自身的稳定[图4-3(a)]。 由于黏性土抗剪强度较低,故多用于低坝。
2 )黏土心墙坝和黏土斜墙坝
用透水性较大的土料做坝的主体,用透水性极小的黏土做防渗体的坝。 防渗体设在坝体中央的或稍向上游的称为黏土心墙坝或黏土斜心墙坝[图4-3(b)、图4-3(c)]; 防渗体设在上游面的称为黏土斜墙坝[图4-3(d)]。
3)人工材料心墙和斜墙坝
防渗体由沥青混凝土、钢筋混凝土或其他人工材料建成的坝。 按其位置也可分为心墙或斜墙两种。 [图4-3(e)]为钢筋混凝土(或称刚性)心墙坝的示意图。
4)多种土质坝
坝的主体(不包括防渗体、排水体和护坡等)由几种不同的土料建成的坝[图4-3(f)]

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


有防渗体的土石坝,为避免因渗透系数和材料级配的突变而引起渗透变形,都要向上、下游方向分别设置2~3层逐层加粗的材料作为过渡层或反滤层。
在以上这些坝型中,用得最多的是斜墙或斜心墙土石坝,特别是斜心墙的土石混合坝,在改善坝身应力状态和避免裂缝方面具有良好的效果,高土石坝中应用得更多。

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。

一、河岸溢洪道的类型

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


  1. 正槽式溢洪道

    如图所示,这种溢洪道的泄槽轴线与溢流堰轴线正交,过堰水流方向与泄槽轴线方向一致,其水流平顺,超泄能力大,并且结构简单,运用安全可靠,是采用最多的河岸溢洪道型式之一。

  2. 侧槽式溢洪道

    如图所示,这种溢洪道的泄槽轴线与溢流堰的轴线接近平行,即水流过堰后,在侧槽内转弯约90°,再经泄水槽泄入下游。侧槽溢洪道多设置于较陡的岸坡上,大体沿等高线设置溢流堰和泄水槽,易于加大堰顶长度,减少溢流水深和单宽流量,不需大量开挖山坡,但侧槽内水流紊乱、撞击很剧烈。因此,对两岸山体的稳定性及地基的要求很高。

  3. 井式溢洪道

    其组成主要有溢流喇叭口段、渐变段、竖井段、弯道段和水平泄洪洞段,如图所示。其适用于岸坡陡峭、地质条件良好,又有适宜的地形的情况。可以避免大量的土石方开挖,造价可能较其他溢洪道低,但当水位上升,喇叭口溢流堰顶淹没,堰流转变为孔流,超泄能力较小。当宣泄小流量,井内的水流连续性遭到破坏时,水流不稳定,易产生振动和空蚀。因此,我国目前较少采用。

  4. 虹吸式溢洪道

    该型式溢洪道通常包括进口(遮檐)、虹吸管、具有自动加速发生虹吸作用和停止虹吸作用的辅助设备、泄槽及下游消能设备,如图6-4所示。溢流堰顶与正常高水位在同一高程,水库正常高水位以上设通气孔,当水位超过正常高水位时,水流将流过堰顶,虹吸管内的空气逐渐被空气带走达到真空,形成虹吸作用自行泄水。当水库水位下降至通气孔以下时,虹吸作用便自动停止。这种溢洪道可自动泄水和停止泄水,能比较灵敏地自动调节上游水位,在较小的堰顶水头下能得到较大的泄流量,但结构复杂,施工检修不便,进口易堵塞,管内易空蚀,超泄能力小。一般用于水位变化不大和需随时进行调节的中、小型水库,以及发电和灌溉的渠道上。

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


河岸溢洪道在枢纽中的位置,应根据地形、地质、工程特点、枢纽布置的要求、施工及运行条件、经济指标等综合因素进行考虑。

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


在土石坝枢纽中,当由于两岸地质条件或其他原因,不易开挖隧洞时,可以采用在土石坝下埋设涵管的方式来满足泄水、引水的需求。

一、坝下涵管的特点

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。

二、坝下涵管的位置选择

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。

这种形式的进口建筑物结构简单、施工方便,由于卧管内的水流为无压流,对于小型工程,可以使用浆砌石块、条石来修建,可就地取材,降低造价。同时,引取水库表层温度较高的水,对农作物生长有利。但缺点是孔口较多,容易漏水,且闸门运用管理不便,对引水流量不易准确控制。

(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。
塔式进口布置图(单位:m)

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
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

在水利枢纽中为满足泄洪、灌溉、发电等各项任务在岩层中开凿而成的建筑物称为水工隧洞。

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
  1. 泄洪洞—— 配合溢洪道宣泄洪水,保证枢纽安全

  2. 引水洞—— 引水发电、灌溉或供水

  3. 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

  4. 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

  5. 导流洞—— 在水利枢纽的建设施工期用来施工导流。


在设计水工隧洞时,应根据枢纽的规划任务,尽量考虑一洞多用,以降低工程造价。如施工导流洞与永久隧洞相结合,枢纽中的泄洪、排沙、放空隧洞的结合等。

按洞内水流状态分类
  1. 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。

  2. 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

渡槽是输送水流跨越渠道、河流、道路、山冲、谷口等的架空输水建筑物。当挖方渠道与冲沟相交时,为避免山洪及泥沙入渠,还可在渠道上面修建排洪渡槽,用来排泄冲沟来水及泥沙。

梁式渡槽纵剖面图(单位:cm)


渡槽由槽身、支承结构、基础、进口建筑物及出口建筑物等部分组成(看上图)。槽身置于支承结构上,槽身重及槽中水重通过支承结构传给基础,再传至地基。
渡槽一般适用于渠道跨越深宽河谷且洪水流量较大、渠道跨越广阔滩地或洼地等情况。它比倒虹吸管水头损失小,便利通航,管理运用方便,是交叉建筑物中采用最多的一种形式。

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


简支梁式渡槽的优点是结构简单,施工吊装方便,接缝处止水构造简单。缺点是跨中弯矩较大,底板受拉,对抗裂防渗不利。常用跨度是8~15m,其经济跨度大约为墩架高度的0.8~1.2倍。
双悬臂梁式渡槽根据其悬臂长度的不同,又可分为等跨双悬臂式和等弯矩双悬臂式。等跨双悬臂式(a=0.25L,a为悬臂长度,L为每节槽身总长度),在纵向受力时,其跨中弯矩为零,底板承受压力,有利于抗渗。等弯矩双悬臂式(a=0.207L),跨中弯矩与支座弯矩相等,结构受力合理,但需上下配置受力筋及构造筋,总配筋量常大于等跨双悬臂式,不一定经济,且由于跨度不等,对墩架工作不利,故应用不多。双悬臂梁式渡槽因跨中弯矩较简支梁小,每节槽身长度可为25~40m,但其重量大,整体预制吊装困难,当悬臂顶端变形或地基产生不均匀沉陷时,接缝处止水容易被拉裂。

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)


肋拱渡槽的主拱圈由2~4根拱肋组成,拱肋间用横系梁连结以加强拱肋整体性,保证拱肋的横向稳定,如图8-14所示。肋拱渡槽一般采用钢筋混凝土结构,对于大中跨径的肋拱结构可分段预制吊装拼接,无需支架施工。这种型式的渡槽外形轻巧美观,自重较轻,工程量小,但钢筋用量较多。


肋拱渡槽(单位:m)1—槽身;2—肋拱;3—槽墩;4—排架;5—横系梁


双曲拱渡槽的主要拱圈由拱肋、拱波、拱板和横系梁(横隔板)等组成。因主拱圈沿纵向和横向都呈拱形,故称为双曲拱。双曲拱能充分发挥材料的抗压性能,造型美观,此外,主拱圈可分块预制,吊装施工,既节省搭设拱架所需的木料,又不需要较多的钢筋,适用于修建大跨径渡槽。



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


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