申艳《水利水电工程概论》第五章渠系建筑物.ppt

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1、第十章 渠系建筑,旗岭渡槽,广东东深供水旗岭渡槽,渠系建筑物 为了安全合理地输配水量以满足农田海溉、水力发电、工业及生活用水的需要，在渠道(渠系)上修建的水工建筑物，统称渠系建筑物。,红江湖是玉林大容山中的一个湖，实名叫红江水库，是经过人工拓展的一个中型的人工湖泊 。玉林有名的红江渠就是从红江水库为起点，连绵几十公里长的依山而建的水渠，为沿途几个乡镇大批坡地提供灌溉，造福一方，解决了当时的北市、蒲塘等乡镇大遍干旱坡地无水灌溉稻种的难题，在建成的七十年代，在广西曾经名噪一时，被誉为广西的“红旗渠”。,红江渠,渠系建筑物的分类 1、渠道：是指为农田灌溉、水力发电、工业及生活输水用的、具有自由水面的

2、人工水道。 2、配水建筑物:渠道中用以调节水位和分配流量的建筑物。 3、交叉建筑物:输送渠道水流穿过山梁和跨越或穿越溪谷、河流、渠道、道路时修建的建筑物 4、落差建筑物:即落差集中处的连接建筑物 5、量水建筑物:为了按用水计划准确而合理地向各级渠道和田间输配水量，并为合理征收水费提供依据，在渠系上设置的各种量水设施 6、防洪冲砂建筑物:为了防止和减少渠道淤积而在渠首或渠系中设置的冲沙和沉沙设施 7、便民利民建筑物,林州红旗渠,渠系建筑物的分类与功用,渠道,渠系： 一个灌区内的灌溉或排水渠道，一般分为干、支、斗、农四级，构成渠道系统，简称渠系。,30万亩以上灌区必要时可增设总干渠、分干渠、分支渠

3、或分斗渠，灌溉面积较小的灌区可减少渠道级数。灌溉渠道系统不宜越级设置渠道。 灌溉渠道系统布置应符合灌区总体设计和灌溉标准要求，并应符合下列规定： 1 各级渠道应选择在各自控制范围内地势较高地带。 2 渠线应避免通过风化破碎的岩层、可能产生滑坡及其它地质条件不良的地段。 3 渠线宜短而直，并应有利于机耕，避免深挖、高填和穿越村庄。,渠系建筑物的分类 配水建筑物 节制闸、分水闸 交叉建筑物 渡槽、倒虹吸管、涵洞 落差建筑物 跌水、陡坡 量水建筑物 量水堰、量水槽 防洪冲砂建筑物 沉沙池、排沙闸泄水闸或退水闸 便民利民建筑物 农桥,渠系建筑物的特点 量大面广、总投资多。 同一类型建筑物的工作条件、结

4、构型式、构造尺寸较为近似。 因此，对其体型结构的合理设计具有十分重要的经济意义 本章就渠道、渡槽、倒虹吸管、涵洞、跌水作介绍,第一节 渡 槽,一、渡槽的概念、作用 渡槽：是输送渠道水流跨越河流、渠道、道路、山谷等障碍的架空输水建筑物，是灌区水工建筑物中应用最广的交叉建筑物之一。 渡槽的作用：用于输送渠道水流外，还可以供排洪和导流之用。,渡槽又称高架渠，是一组由桥梁，隧道或沟渠构成的输水系统。用来把远处的水引到水量不足的城镇、农村以供饮用和灌溉。 世界上最早的渡槽诞生于中东和西亚地区。公元前700余年，亚美尼亚已有渡槽。,公元前703年，亚述国王西拿基立下令建一条483公里长的渡槽引水到国都尼尼

5、微。渡槽建在石墙上，跨越泽温的山谷。石墙宽21米，高9米，共用了200多万块石头。渡槽下有5个小桥拱，让溪水流过。,古希腊的许多城市建有良好的渡槽，但古罗马人最为认真，把供水系统看作是公共卫生设施的重要部分。罗马第一条供水渡槽是建于公元前312年的阿庇渡槽；第十条也是最后一条则是公元226年建成的阿历山大渡槽；最长最壮观的是建于公元前114年的马西亚渡槽，虽然水源离罗马仅37公里，但渡槽本身长达92公里。这是因为渡槽要保持一定坡度，依地形蜿蜒曲折地修建。,险峰渡槽,位于磁县白土镇张二庄东南，像一道天上的彩虹横跨高家脑与跑马山之间，它是跃峰渠的重点工程之一。横跨在都党河沟上。 1975年11月动

6、工，1976年9月底完工。该渡槽在当时是华北地区跨度最大的砌石拱形渡槽。全长212米，主拱跨106米，地面距拱顶底部28.70米。主拱卷上有12个腹拱，为2.5米半圆拱，拱厚0.5米，槽深为矩形钢筋混凝土结构。设计过水流量30立方米每秒。另外，槽身两侧顶部设有1米宽人行道。槽身共9节，每节长20米。,渡槽实例,地处鹤山龙口的南北渠，是鹤山上世纪六七十年代的浩大水利工程。南北渠通水总长34.5公里，流经十多条村，灌溉3万多亩土地，是当地农民心血和汗水的结晶。 由於建筑时间的差异, 南北渠形成了不同的建筑风格与特点。北渠灌溉设施较为完善,大部分土渠铺上混凝土表层；北渠三凤段和南渠大部分是土渠，杂草

7、丛生，灌溉效率不高。然而令人费解的是，地处青文与民龙交界处的南渠末段架空渠却建造得雄伟壮丽，耗费了不少人力物力，却仅仅灌溉几百亩的耕地。,南北渠上的渡槽,南北渠上的渡槽,南渠最后一段的架空渡槽，气势恢弘宛如巨龙，无论站在哪个角度，都能感受到她的壮丽，每次走到这个地方，都能找到新的感受、找到新的审美视角。特别是日出和日落的时光，在浓重的金黄色调子中，更能切身感受到她壮阔苍凉的美。 南北渠是鹤山水利工程史上的里程碑。尽管随着工业的发展，水库的灌溉功能在逐渐削弱，但南北渠是作为农业经济发展史上的标志性建筑。,广东江门南北渠上的渡槽,离市中心不远的古渡槽是格雷塔罗的标志性建筑。它始建于1726年，建成

8、于1735年，全长1280米，有74个拱，最高处23米，是当时向全城供应饮水的惟一设施，现在成为该城最重要的古遗址和旅游景点。由于悠久的历史和丰富的文化遗存，格雷塔罗被联合国教科文组织列入世界文化遗产名录。,墨西哥格雷塔罗古渡槽,甘肃杨黄灌区工程渡槽,洛河渡槽,南阳山跨公路渡槽,军都山渡槽桥,中国浙江天台红旗渡槽 aqueduct,宝马渡槽,二、渡槽的组成及类型,1、类型： （1）按施工方法：现浇整体式、预制装配式及预应力等； （2）按建筑材料分类：木渡槽、砌石、砼及钢筋砼等 （3）按支承结构型式分：有梁式、拱式、桁架式、组合式及悬吊或斜拉式 （4）按槽身断面形状分：矩形渡槽、U形渡槽等。,建

9、成的中铺电灌工程干渠输水渡槽,U形渡槽,矩形渡槽,2、组成： 由输水的槽身、支承结构、基础及进出口建筑物等部分组成,三、槽址位置的选择及布置 选择槽址关键是：确定渡槽的轴线及槽身的起止点位置。 对地形、地质条件较复杂，长度较大的大中型渡槽，应确定23个方案，从中选出较优方案 渡槽的总体布置工作包括：槽址位置的选择，槽身支承结构的选择，基础及进出口的布置。,进出口的布置 渡槽进出口前后的渠道的应有一定长度直线段，且均需设置渐变段和护坡、护底。 渐变段的长度一般采用下列经验公式确定： L=C（B1B2） C系数，进口取1.52.0，出口取2.53.0； B1渠道水面宽度，m； B2渡槽水面宽度，m

10、。 对于中小型渡槽，通常进口L4h1，出口L6h2。h1，h2分别为上、下游渠道水深。,四、渡槽的水力设计 渡槽水力计算任务：是合理确定槽底纵坡、槽身断面尺寸、计算水头损失，根据水面衔接计算确定渡槽进出口高程，并验算水头损失是否满足渠系规划的要求。,土耳其的引水渡槽,五、渡槽结构上的荷载及其组合 （1）荷载的分类 1）永久荷载：一般包括结构自重、土压力、预应力。 2）可变荷载：一般包括静水压力、动水压力、风荷载、人群荷载、温度荷载、槽内水重、车辆荷载。 （2）荷载组合 1）基本组合 2）偶然组合 3）短期组合 4）长期组合,六、渡槽设计的一般步骤 （1）收集整理基本资料，确定渡槽的安全级别和有

11、关设计标准。 （2）选择槽址和槽型，并进行平面布置和纵剖面的布置。 （3）进行水力设计，确定槽底纵坡和槽身的过水断面形状、尺寸及进出口高程。 （4）进行纵剖面布置，选定各组成部分的结构型式和材料、分跨，拟定各部分的布置尺寸及高程，绘制平面图、纵横剖面图。计算挖填工程量。 （5）通过方案比较，选出较优的总体布置方案。 （6）进行结构计算及构造设计，绘制设计图，并计算工程概算和总投资。,七、梁式渡槽构造 梁式渡槽的槽身支承于墩台或排架之上，槽身侧墙在纵向起梁的作用 梁式渡槽可分为简支梁式、悬臂梁式及连续梁式三种。悬臂梁式渡槽又可为双悬臂、单悬臂式。 (a)双悬臂梁式； (b)单悬臂梁式,1、简支梁

12、的特点是结构简单，吊装施工方便，接缝止水易解决。但其跨中弯矩较大，底板全部受拉，对抗裂防渗不利。 梁式渡槽的跨度不宜过大，跨度一般在20m以下较经济 2、槽身横断面型式 （1）矩形槽身 1）无拉杆矩形槽 2）有拉杆矩形槽 3）箱式槽身结构 （2）U形槽身 钢丝网水泥或预应力钢丝网水泥结构,补角1525cm,1/121/16侧墙高,3、梁式渡槽的支承结构 支承结构型式有重力墩、排架、组合式墩架和桩柱式槽架等。 重力墩：实体 、空心墩 排架：常用的形式有单排架、双排架及A字形排架等几种型式,组合式墩架 当渡槽高度超过30m或槽高较大,则应考虑采用组合式墩架 柱桩式槽架其支承柱是桩基础向上延伸而成的

13、,4、渡槽的基础 可分为浅基础和深基础两种。埋置深度小于5m的为浅基础，大于5m的为深基础。 浅基础常采用刚性基础或整体板式基础（柔性基础）； 深基础一般采用桩基础或沉井基础。,(a) (b) 图10-24 深基础 （a）钻孔桩基础 (b)沉井基础,5、梁式渡槽的常见故障及其处理方法 渡槽与渠道的连接部位产生漏水，这主要是渡槽与渠道的不均匀沉降引起；处理方法为加强连接段的仿渗。 空渡槽被风吹倒。 止水断裂，处理方法只有修补。 渡槽漫顶，冲坏渡槽的基础。,八、拱式渡槽 拱式渡槽与梁式渡槽主要区别在于槽身与墩台之间增设了主拱圈和拱上结构。 主拱圈是主要承重结构，拱圈两端支承在槽墩或槽台上，拱上结构

14、将上部荷载传递给主拱圈，主拱圈对墩台产生较大的水平推力。 按照主拱圈的结构型式可分为：板拱、肋拱和双曲拱； 按主拱圈设铰数目可分为无铰拱、双铰拱和三铰拱； 按使用 材料分为砌石、混凝土等拱式渡槽； 根据拱上结构型式的不同，拱式渡槽可分为实腹式和空腹式两类,九、进出口建筑物 1槽身与填方渠道的连接 斜坡式-根据连接段的支承方式不同，又可分为刚性连接和柔性连接两种。 挡土墙式-将边跨槽身的一端支承在重力挡土墙式边墩上，并与渐变段或连接段连接。 2槽身与挖方渠道的连接,图10-44 槽身与挖方渠道的连接 1槽身；2渐变段；3连接段；4地梁；5浆砌石底座,第二节 倒虹吸管 倒虹吸管是输送渠水通过河渠、

15、山谷、道路等障碍物的压力输水建筑物。,倒虹吸实际上就是一个连通器，流水在障碍物的下方，利用高差，从下面的封闭管道中流过。因为像一个倒置的虹吸管，故称为“倒虹吸”。 在水工工程中经常使用倒虹吸，小的如通过一条公路的下方，大型的如南水北调的穿越黄河的倒虹吸。,扶风的韦水倒虹，是宝鸡峡引水工程总干渠跨越韦水的重大建筑工程。整个虹身长度达880多米，最大水头可达70米。其中，水头在50米以下为钢筋混凝土管结构，管长622.9米;水头在50米以上为钢管,管长257.3米,内径2.9米。,韦水倒虹,唐河倒虹吸工程,交叉型式为渠穿河倒虹吸。设计流量为135立方米秒；加大流量为160立方米秒 倒虹吸枢纽由退水

16、闸、倒虹吸、节制闸和导流堤等部分组成,倒虹吸管身采用三孔一联钢筋混凝土箱型结构，单孔断面 5.55.7米。 交叉断面以上控制流域面积 4578平方千米， 100年一遇 洪水设计，300年一遇洪水校核。工程等别为I等，主体建筑物为1级，地震基本烈度为6度 。,昆明市掌鸠河引水供水工程倒虹吸,倒虹吸的输水管道全部为钢管，钢管设计内径2.2米。钢管壁厚根据承压水头从上而下逐级递增，两端顶部钢管壁厚14毫米，最低处钢管壁厚32毫米。,南水北调中线工程孟良河渠道倒虹吸,1、倒虹吸的特点及使用条件 倒虹吸管与渡槽相比，可省去支承部分，造价低廉，施工较方便；当埋于地下时，受外界温度变化影响小；属压力管流，水

17、头损失较大；利于河道泄洪。在小型工程中应用较多。 当渠道与障碍物间相对高差较小，不宜修建渡槽或涵洞时，或当渠道穿越的河谷宽而深，采用渡槽或填方渠道不经济时，可采用倒虹吸管。,2、倒虹吸管的类型 按管身断面形状：圆形、箱形、拱形； 按使用材料：木质、砌石、陶瓷、素混凝土、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、铸铁和钢板等。 圆形管具有水流条件好、受力条件好的优点，在工程实际中应用较广，其主要用于高水头、小流量情况。 箱形管分矩形和正方形两种，可做成单孔或多孔。其适用于低水头、大流量情况。 直墙正反拱形管的过流能力比箱形管大，主要用于平原河网地区的低水头、大流量和外水压力大、地基条件差的情况，其缺点是施工

18、较麻烦。,3、倒虹吸管的布置与构造 倒虹吸管一般由进口、管身、出口三部分组成。 1）进口： (1)竖井式 一般常用于压力水头小（小于35m）及流量较小的过路倒虹吸管（图10-45），其优点是构造简单、管路短、占地少、施工较易，而水流条件较差、水头损失大。井底一般设0.5m深的集沙坑，以便清除泥沙及维修水平段时排水之用。,图10-45竖井式倒虹吸管,（2）斜管式（图10-46） 为改善竖井式的水流条件,将竖井变为斜管。其水流条件好，施工简便，工程中应用较多。其主要适用于穿越高差较小渠道或河流。,图10-46 斜管式倒虹吸管,图10-50 进口前沉沙池,图10-51 出口段布置,4、倒虹吸管的水力

19、计算 倒虹吸管为压力流，其流量按有压管流公式进行计算。 倒虹吸管水力计算是在渠系规划和总体布置的基础上进行，其上下游渠道的水力要素、上游渠底高程及允许水头损失均为已知。 水力计算的主要任务是确定管道的横断面尺寸与管数、水头损失、下游渠底高程及进行进出口的水面衔接计算。,1）确定横断面形状及管数 2）. 横断面尺寸 管内的最大流速由允许水头损失控制，最小流速则按挟沙流速确定。 初选流速后，可按设计流量由公式A=计算所需过水断面积A。,3). 水头损失计算及过流能力校核 倒虹吸管的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失两种。 按通过设计流量计算水头损失Z后，与允许的Z值进行比较，若Z等于或略小于Z

20、时，则说明初拟的V合适，否则，另选V，重新计算，直到ZZ。,4下游渠底高程的确定 参照类似工程的运行经验，选定一个合适的水头损失Z，据此确定下游渠底设计高程。 确定的下游渠底高程应尽量满足： 通过设计流量时，进口处于淹没状态，且基本不产生雍水或降水现象； 通过加大流量时，进口允许产生一定的雍水，但一般不宜超过3050； 通过最小流量时（按最小不利情况输水），管内流速满足不淤流速要求，且进口不产生跌落水跃,5进口水面衔接计算 （1）验算通过加大流量时，进口的雍水高度是否超过挡水墙顶和上游渠顶。 （2）验算通过最小流量时，进口的水面跌落值是否会在管道内产生不利的水跃情况。,第三节 涵 洞,交叉建筑

21、物 ，在水渠通过公路的地方，为了不妨碍交通，修筑于路面下的过路涵洞，让水从公路的下面流过再翻到地面上来。它是根据连通器的原理，常用砖、石、混凝土和钢筋混凝土等材料筑成。它是路堤通过洼地或跨越水沟，或为把路基上方的水流宣泄到下方时，而设置的横穿路基的小型地面排水结构物。 涵洞主要指的是不设闸门的输水涵洞与排洪涵洞，其一般由进口、洞身、出口三部分组成。,涵 洞,40m涵洞,青藏铁路路基下的涵洞,工作特点 渠道上的输水涵洞，一般是无压的，上下游水位差也较小，其过涵流速一般在2m/s左右，故一般可不考虑专门的防渗、排水和消能问题 。 涵洞的类型 （1）圆涵 （2) 箱涵 （3）盖板涵 （4）拱涵,涵洞

22、水力计算的任务是选择洞身断面型式、尺寸及出口水流衔接计算。 涵洞的水流流态可能为无压流、半有压流或有压流。 无压涵洞根据底坡大小： 可分为陡坡（iik）涵洞； 缓坡（iik） 涵洞,（1）自由出流的陡坡涵洞 当iik，且下游水位低于涵洞出口临界水深水面时，水流保持急流状态出洞，下游水位不影响泄流能力时，为自由出流情况。多数排水涵洞采用之。 （2）淹没出流的缓坡涵洞 大多数渠道输水涵洞，iik 且下游水位高于涵洞出口临界水深水面，洞内水流为缓流，下游水位影响泄流能力时,为淹没出流情况。,1、概念： 指的是在陡坡或深沟地段设置的沟底为阶梯形，水流呈瀑布跌落式通过的沟槽。使上游渠道或水域的水安全地自

23、由跌落入下游渠道或水域的落差建筑物 。 2、适用： 用于调整引水渠道的底坡，克服过大的地面高差而引起的大量挖方或填方，将天然地形的落差适当集中所修筑的阶式建筑物称为跌水。多用于落差集中处，也用于渠道的泄洪、排水和退水。 3、分类： 跌水可分为单级跌水和多级跌水。,第四节 跌水,单级跌水由5部分组成。 进口连接段，即上游渠道和控制堰口间的渐变段。 控制堰口，亦称控制缺口。它控制和调节上游水位和通过的流量，断面常呈梯形或矩形，可设或不设底槛，可安装或不安装闸门。渠道很宽时可采用多堰口。 跌水墙，即跌坎处的挡土墙，同控制堰口连结成整体。 消力池，位于跌坎之下，断面多为梯形或矩形，用于消除因落差产生的水流动能。 出口连接段，将水流平稳引至下游。 落差在 5 米以上时 ，一般采用多级跌水 。多级跌水的结构与单级跌水相似。其中间各级的上级跌水消力池的末端，即下一级跌水的控制堰口。,