放水建筑物设计课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第六节 放水建筑物设计,一、放水建筑物的作用,二、放水建筑物的位置选择,三、竖井设计,四、分级卧管设计,五、输水涵洞设计,举例,放水建筑物主要由,取水,和,输水,两部分组成。,取水建筑物,的形式有,卧管和竖井（图6-29,6-30）,，对水头较高，流量较大或兼有排沙要求的水库可采用放水塔。,输水建筑物,有输水,涵洞,，它与卧管或竖井连接，埋在坝下，与坝轴线基本垂直。小型水库的放水设备通常采用分级放水卧管，也有采用转动式、吊球式和滚轮式等深孔闸门。以下主要介绍卧管式和竖井式放水建筑物。,一、放水建筑物的作用,1对于,未淤满淤地坝,，能排泄小型洪水，放空库容，调节洪水径流，保证坝体安全。,2对于,淤满或计划淤种的淤地坝,，能及时排泄沟道常流水和坝内积水，及早利用坝地发展生产。,3对于,暂作蓄水防洪坝使用的淤地坝,，可对下游土地放水灌溉。,二、放水建筑物的位置选择,1在,地质上,，应最好修筑在岩石或,坚硬的地基,上，以免发生不均匀沉陷，引起漏水，影响坝体安全。,2,涵洞的放水高程,应按淤地面积大小决定，哪个高程能较快地淤出一定面积可供利用的耕地，就可放在哪个高程上，而不同于小型水库按“寿命”决定。如果下游有引用坝内排水灌溉时，还应,满足下游自流灌溉,的要求。,3在,平面布置上,，尽可能,放在沟道一侧,，使水流沿坡脚流动，,防止切割坝地,，同时对坝地安全生产也是有利的。,竖井是淤地坝放水建筑物经常采用的一种形式它虽,放水和管理不便，易漏水和遭冰冻破坏，并要求有岩石或坚硬的地基,，,但,结构简单,易为群众掌握,。,竖井一般采用,浆砌石修筑,，,布置,在坝体上游坡脚,。,其,断面,形状多采用圆环形，也有方形,的。,其内圆直径(d)为0.5-2.0m,壁厚,随竖井的高度而异，一般为,0.3-0.6m,。,为便于放水，在竖井上,沿高度每隔0.5m左右设一对放水孔,，,相对,交错排列,，并用,木插板,控制孔口开闭。,孔口尺寸多为2030cm,和,3030cm,两种。竖井底部与输水涵洞相连。,三、竖井设计,1 放水孔尺寸,(1)按孔口出流公式计算(一个高程,一对放水孔放水时,),：,式中：一个放水孔的孔口面积(m,2,)； Q设计放水流量(m,3,/s)；,流量系数,0.65(方形) H,1,孔口中心至水面距离(m)。,0.62(圆形) ；,（2）上下,两对放水孔同时放水,时：,式中；H,2,第二对孔口中心至水面距离(m),2 消力井的最小容积,当水流由放水孔自由下落到井底时，流速很大，具有很大的动能，冲击力也很大，如不处理，则会造成对涵管等的冲刷破坏，所以在井底设,消力井消能,。,消力井的断面尺寸应根据放水流量及竖井高度来计算确定。,根据实验，每m,3,容积的消力井的消能量为,7.58.0kw。,为了达到充分消能的目的，消力井应具有足够的尺寸。当求出水流实际具有的能量后，即可根据每m,3,的消能量确定消力井的体积。,水流能量E9.8lQH,(kw),式中：H作用水头(m)，可近似采用正常蓄水位与竖井底部高程的差值。,消力井的最小容积V为：,VE/89.81QH/8=1.23QH,=1/4,D,2,深度=长宽高,为了防止因不均匀沉陷而发生竖井与涵洞连接的裂缝，竖井除应选在岩石或硬土地基上外；对于较高的竖井或地基较差时，还应在竖井底部修筑,井座,，以减小对地基的压力，,其高度为1.5-3.0m，厚度可为井壁的两倍,。竖井结构可参看教材图,6-33,。,卧管是修筑在坝体,上游山坡上,的,浆砌石或混凝土放水管,，如图6-29所示。,卧管的构造简单，管理运用方便，不易漏水，而且卧管可使用砖、石等材料建筑，不需用金属闸门和启闭设备,等，因此在淤地坝和小型水库中应用比较广泛。卧管,适用于,5-25m水头，放水流量在0.1-4.0m,3,/s的范围。,四、分级卧管设计,（一）卧管的布置,卧管是用浆砌石或混凝土做成的倾斜管道，,卧管的坡度,由放置的山坡坡度或坝坡而定。一般为,1:2-1:4,以利管身稳定。,卧管顶部盖板一般为混凝土板，,台阶高差一般为0.4-0.5m，放水孔直径为15-60cm,。当放水流量较大时，可布置两条或几条卧管，也可以在同一台阶上布置二个放水孔。孔口用,混凝土塞或木塞,控制。,放水时自上而下逐级打开，水流进入卧管后，常使水流呈无压流状态，而且由于坡度陡，流速很大，为了保证在卧管内不发生真空，需要在,卧管最高处设置通气孔,，卧管的底部流速很大，因此，在卧管,末端必须做消力池,，经消能后，再经过埋在坝下的涵洞与下游灌溉或排洪渠道相连接。,（二）卧管的水力计算,1 设计放水流量的确定,淤地坝放水建筑物的设计放水流量的大小，主要根据放空库容和坝地,防洪保收,要求来决定。,（1）对于,淤满年限在5年以下的淤地坝，只考虑保收。,可按在35天内能够放完溢洪道坎顶以下1.5m深的蓄水量，保证未淤满坝地种植的高杆作物不致因长时间淹没而死亡。,（2）,淤满年限在5年以上,的淤地坝，应根据,防洪、保收,两者计算放水流量，,取两者中的最大值,作为设计放水流量。,保收,。在35天内能够放完溢洪道坎顶以下1.5m深的蓄水量。,防洪,。依据调洪计算的要求，在35天内放完相当于拦泥库容的10-20的水量，作为设计放水流量，即,2 卧管放水孔尺寸的确定,水流从放水孔流入卧管，由于卧管内经过通气，其压力为大气压，因而这时的水流状态为自由式孔口出流，其流量计算公式为：,式中：H作用水头，即放水孔中心至水面垂直高度 (m)；,流量系数，与进口形状有关，圆形0.62；,放水孔断面积(m,2,)，放水孔一般采用圆形孔口，,孔径为D，则：=1/4,D,2,卧管放水时，多以每次同时开启上下两孔为宜（,3孔调节,）。两孔同时放水时流量公式为：,式中：H,l,、H,2,分别为第1、2两孔的作用水头;,一个放水孔的底部面积(m,2,)。,当放水孔为圆形时， =1/4,D,2,=0.785 D,2,，代入上式，则有：,圆形放水孔的直径D为：,3 卧管加大流量的确定,如果采用同时开启上、下两孔的运用方式，则需按3孔调节法计算卧管的加大流量，作为确定卧管、涵洞及消力池断面尺寸的依据。,3孔调节法以3孔为一组，每次两孔同时放水。若水位下降，1、2孔同时放水不能满足设计流量时，则要开l、3孔同时放水；水位再下降，1、3两孔同时放水也不能满足时，则开2、3孔同时放水，直至水位下降至第一孔水深等于零时为止。这时原第二孔就变为第一孔了。采用这种调节方式，能保证在任何库水位时，放出的流量均接近或稍大于设计流量，故称为,卧管的加大流量,。,加大流量根据流量变化曲线求得，较为麻烦。为简化计算，可近似按设计流量加大20-25来考虑。,Q,加,=Q,B,=(1+20%25%)Q,放,4 卧管断面尺寸的确定,水流由孔口进入卧管后，以,无压流,的形式沿卧管流动，所以卧管断面尺寸设计按无压流计算。卧管的断面形式有,方形、圆形,两种，其断面尺寸大小与通过的流量、卧管的纵坡及糙率有关。水流在卧管内流动，,近似于明渠陡坡水流,，一般,可用明渠均匀流公式进行计算,。即：,式中：i卧管设计纵坡，一般为1:21:4；,卧管的过水断面积(m,2,)，卧管断面一般采用,矩形,，卧管宽度一般采用水孔直径的1.5倍(b=1.5D)；其他符号同前。,根据试验，水流从进水孔跌入卧管时，水柱跃起的高度约为正常情况下水深的2.5-3.5倍(h,跃,=(2.53.5)h,0,),为了保证水柱跃高不淹没进水孔，卧管高度应较正常水深加高至3-4倍,(h,卧,=(34)h,0,),，以保持管内通气顺畅。,对于混凝土圆管，正常水深为管径的40,(h,0,=40%DD=h,0,/40%=2.5h,0,),。,5 消力池断面尺寸的确定,消力池是卧管与涵管的连接建筑物，消力池使水流平稳进入涵洞。消力池是浆砌石筑成的长方形结构，其水力计算与溢洪道下游消力池计算相同。,池长,L,k,=(0.70.8)L,j,=(0.70.8),L,j,=6.9(h- h),=(4.835.52) (h- h),池深,d=1.25（h-h,t,）,池宽,B,0,=B+0.4。,B卧管宽度； h跃后水深；,h跃前水深(卧管水深)； h,t,尾渠水深,五、输水涵洞设计,输水涵洞常用的,断面形式,有,圆形、矩形和拱顶矩形,3种。,根据其,水流状态,的不同，又可分为有压和无压输水涵洞两种。,有压流,时，水流充满整个过水断面流动；,无压流,时，仅部分断面过水，水流在洞中具有自由表面。若,在相同的流量条件下,，有压流所需的过水断面较小，而管壁要承受由于内水压力而产生的拉力，故其对材料和结构等要求比无压流涵洞要高。因此，,在淤地坝和小型水库中多采用无压输水涵洞,。,其中,方形涵洞,是采用较多的一种，构造简单，用块石砌筑洞底和两边侧墙，用条石盖板或混凝土盖板。它,适用于,流量较小、洞身填土较低的中小型淤地坝。,拱形涵洞,，,多适用于,流量较大、洞身填土较高的大型淤地坝，一般多采用等截面半圆型砌石拱涵。,拱涵,（,一）涵洞断面尺寸的确定,水流在涵洞内同样要求保持无压状态，洞内水深不应超过涵洞净高的75,(h75%H),。涵洞断面形状确定后，,其尺寸的大小主要根据设计加大流量 Q,加大,及坡度i确定，一般按明渠均匀流公式试算确定。,对方形和拱顶矩形浆砌石涵洞(图6-34)，其水力要素计算可按以下简化方法确定：,1,方涵（H=B）,要使涵洞内水流保持无压流状态，应使,充水度,(即洞内水深与涵洞净高的比值,h/H75%,。,当h/H=75%时：,方涵,过水断面积,=0.75B,2,；,湿周,X=2.5B,；,水力半径,R=0.3B,。,再根据Q,加,、i用明渠均匀流公式试算确定B(H,),2 拱涵,。,当水流未充满整个断面时，计算比较复杂。为简化计算，,可应用图解法求圆形断面的水力各要素,，步骤如下：,按拟定拱涵矩形部分高度(h,1,)和拱涵净宽d计算洞内水深,h,、半圆形过水断面的水深,h,2,。当充水度h/(h,1,+d/2)=75%时，即：,式中：d拱涵的净宽(m)；,则半圆拱部分的水深h,2,为：,h,2,=h-h,1,计算圆断面充水度,h/d,(,目的是查图-圆形断面水力要素求解图,),式中：h拱涵内圆断面的水深，m。,按拟定的拱涵净宽d，计算圆形断面各水力要素值：,圆形断面积,d,=,d,2,/4=0.78d,2,；,圆断面湿周X,d,d ；,圆断面水力半径R,d,d,/ X,d,求拱涵过水断面积：,=,1,+,2,h,1,d+(-,d,2,/8),式中:,1,拱涵矩形面积(m,2,)，,1,=h,1,d；,2,拱涵拱形部分的过水面积（m,2,）；,圆形断面阴影部分面积(m,2,)，由,曲线图,查算而得。方法是：根据纵坐标h/d值，作水平线交于,/,d,曲线上一点，查出该点对应的横坐标值，则阴影部分面积=(,/,d,),d,。,求拱涵过水断面湿周X： X=X,1,+X,2,=(d+2h,1,)+(X-,d/2),式中：X,l,矩形部分湿周(m)；,X,2,拱形部分湿周(m)；,X圆形断面阴影部分的湿周(m)，同理由,曲线图,查算而得。X=(X/X,d,)X,d,。,计算拱涵过水断面的水力半径R,R,/X,校核拟定的拱涵断面所通过的流量Q：根据确定的水力要素、R及糙率n、坡度i，代入公式Q,实,v 计算。,如果通过流量Q,实,等于或稍大于设计加大流量Q,B,，则拟定的断面尺寸合适,；反之，需修改拱涵的断面尺寸，重新计算。,为了减少计算的工作量，淤地坝和小型水库工程可根据Q,B,和i，,直接查表,确定所需类型涵洞的断面尺寸。将各种常用尺寸的圆涵、方涵、拱涵在1/100及1/200坡度下，能通过的流量列表，供设计时查用。,使用时应注意，对稍高的坝体，为了管理和检修方便，涵洞应当,考虑人能够进入,，因此，当按流量确定的涵洞尺寸较小时，可适当加大。,举 例,有一水库，坝高40m，库容1000万m,3,。放水工程采用分级卧管，根据灌溉防洪要求，设计放水流量Q,设,=1.5m,3,/s，加大流量为20%，孔口圆形，,=0.62，,每台2孔，台间垂直距离0.5m，每次开启2台。卧管断面采用矩形，底宽b=1.0m，纵坡1:2，混凝土护面，取n=0.017，下接消力池。涵洞采用方涵放水，纵坡1:100，浆砌块石护面，取n=0.025。,（1）试对此放水工程进行水力设计。（孔口、管身断面、消力池、涵洞尺寸）,（2）若采用拱形涵洞放水，初拟其净跨1.0m，拱台高1.0m，涵洞净高1.5m。问：此初拟尺寸是否满足设计要求。,