攔河壩建筑物

1、8攔河壩,81攔河壩的結構形式 82攔河壩的穩(wěn)定計算 83攔河壩的消能防沖 84攔河壩上下游連接建筑物,攔河壩又稱壅水壩，是有壩渠首的主要建筑物，非汛期時能抬高河道水位，滿足自流引水所需要的高程，即正常壅水位。攔河壩不但能擋水，而且可從壩頂溢流、宣泄河道多余的水（包括汛期供水）。因為攔河壩不起調節(jié)流量作用，所以壩的高度較低。 攔河壩的類型很多，有重力壩、拱壩、支墩壩等。在取水工程中，重力壩是常用的形式,圖8-1 河南省南灣取水工程溢流壩剖面圖 1-壩身；2-粘土防滲鋪蓋；3-消力池；4-反濾層；5-海漫；6-防沖槽； 7-上游翼墻；8-下游翼墻；9-護坡；10-止水；11-公路橋；12-邊墩,

2、8.1攔河壩的結構形式,8.1.1壩頂高程和溢流壩斷長度的確定,壩頂高程和溢流段長度的確定與許多因素有關，其中主要是： 滿足設計水位的要求，保證渠道能引取所需的流量； 考慮上游淤積平衡后上游洪水位不超過允許的高程，以免造成過大的淹沒損失； 壩頂溢流時，單寬流量應小于下游河道允許的數值，以減輕下游消能防沖措施的投資,在中小型取水工程中，一般壩頂不設閘門。當壩頂不設閘門時，壩頂高程的確定，可根據引取河道流量的大小，按以下三種情況分別考慮。 （1）當取水工程引取河道枯水期全部流量時，溢流壩的設計水位等于取水工程水位再加0.10.3m過閘水頭損失。這時，壩頂高程等于設計水位，即： 頂=設 （2）當引水

3、流量較小，實際引取流量小于河道枯水流量時，河道多余水流可由沖沙泄水閘排泄，水位由沖沙泄水閘控制，溢流壩頂設計高程與上所述相同。 （3）當引水工程引取流量小于河道枯水期流量時，河道多余的水量由壩頂下泄，若其溢流水深為 ，這時壩頂高程等于設計水位減去溢流水深。即： 頂=設,圖8-2 溢流壩壩頂高程與壩前水位關系圖 （a）壩頂無溢流；（b）壩頂溢流,溢流段的長度L可根據壩頂泄流量Q及由河床地質條件選定的單寬流量q來確定，即： （8-1） 對于中小型取水工程，因壩較低不起調洪作用，所以通過壩頂泄量Q等于天然河道洪水流量減去取水工程中其他建筑物，如泄洪閘、進水閘或電站等建筑物下泄量Q1，為安全起見，將Q

4、1乘以小于1.0的利用系數： （8-2） 式中： 為天然河道洪水流量，m/s； 為通過其他建筑物的下泄流量，m/s；為流量利用系數。設計情況=0.750.90，校核情況=1.0,8.1.2上游回水曲線計算,取水樞紐筑壩后，壩上游河道水位將壅高并向上延伸至一定距離。為了定出淹沒的范圍，必須繪制回水曲線。理論上回水的影響可傳播到無窮遠，但在實用上只考慮影響較大的一部分。這部分回水曲線可采用下述近似法計算。 （8-3） 式中，L為回水曲線水平投影的長度m；h為壩址處的壅水高度m；i為筑壩前的水面坡降（一般與河床坡降相同,圖8-3 回水曲線圖,在多沙河流上，溢流壩上游游淤積很快，一般23年即淤平；如遇

5、多沙年，一年內可淤平。壩上游淤平后，河床坡降減緩。實測統計指出，沖淤平衡后的坡降約為建壩前河床坡降的70，由此回水曲線的長度也相應延長，其長度則為： (8-5,8.1.3溢流壩斷面形式及尺寸的確定,溢流重力壩的基本剖面是三角形，溢流面由三部分組成，頂部曲線段、下游面中間直線段和下部反弧段組成。 頂部曲線段的形狀和尺寸決定著過壩水流的流態(tài)和泄流能力； 中間直線段坡度取決于壩體穩(wěn)定和強度要求，而對取水工程的低壩(30m以下，多數在10m以下)，主要是穩(wěn)定要求； 反弧段尺寸主要由下游消能防沖要求所確定。 上游壩面取決地基狀況及壩體穩(wěn)定和強度要求，多數情況采用鉛直面,圖8-4 溢流壩剖面,一)溢流重力

6、壩的剖面布置 溢流壩的實用剖面由基本剖面(基本三角形)與溢流面曲線擬合修改而成。圖8-5是三種實用剖面。 圖8-5(a)為溢流壩剖面與三角形基本剖面相切而成。三角形剖面是在基本荷載作用下，滿足強度與穩(wěn)定的最小三角形剖面。 圖8-5(b)是在上游面擴大壩的底寬，使壩的剖面加大，壩底中間做一槽，增加摩阻力。這種剖面一般用于軟基或軟弱風化嚴重基巖，穩(wěn)定不易滿足要求情況。 圖8-5(c)用于地基較好情況。為避免由于溢流曲線的要求而使斷面過分肥大，可使堰頂部伸向上游，將堰頂做成突出的懸臂。這樣可使工程量顯著減少，并能滿足設計要求,圖8-5 溢流壩的實用剖面,二）溢流壩剖面形式及其尺寸的確定 1壩頂曲線段

7、 溢流面曲線的選擇是剖面設計中的主要問題之一。良好的流面曲線應具有阻力小，流量系數大的特點。采用非真空線型，可避免空蝕與震動且工程量小。 現多采用WES曲線。 WES曲線具有流量系數大， =0.502，泄流平穩(wěn)，震動輕微，剖面比克奧曲線瘦窄、經濟，見圖8-6(b)，加之WES曲線是用方程式表示的，所以施工放樣方便且精度較高,圖8-6 WES型剖面堰 （a）WES型剖面圖；（b）克奧剖面與WES型剖面比較圖,對于開敞式溢流堰堰頂下游的堰面WES曲線可用下式表示： (8-6) 式中： 為定型設計水頭；k、n為與上游堰面的傾斜度有關的參數；x、y為以溢流壩堰頂為坐標原點的坐標，x以向下游為正，y以向

8、下為正； ，見圖8-6（a）。 堰頂上游的堰面曲線： 上游壩面為鉛直面時，R1、R2、R3等參數見圖8-7,圖8-7 上游面為鉛直面的堰頂上游段堰面曲線,堰頂水頭H等于 時，流量系數 =0.502，當H不等于 時，流量系數m可按表8-1推算。 表8-1 流量系數表（,2直線段 直線段的坡度、由壩體穩(wěn)定要求決定，一般為1:0.71:0.85。 3反弧段 直線段的下部與反弧段相切，以便將水流平順地導入下游。 反弧半徑R按照上游壩高P和水頭H參照表8-2確定，當壩高P小于10m時，反弧半徑R可取0.5P。當壩高較低，溢流水頭較高時，溢流曲線可能與反弧段直接連接，下游壩坡不設置直線段,表8-2 反弧半

9、徑R值（單位：m,對于很低的壩，往往因穩(wěn)定要求所需剖面較大，壩頂需要加寬，應采用梯形剖面。為了加大流量系數，常常將壩頂彎角用圓弧連接。梯形斷面的頂寬b、底寬B和壩高P與溢流水深H有關，可近似地用下式計算： 式中 v0行近流速(ms)， g重力加速度(9.81ms2)； 壩體材料在水中的相對密度，漿砌石1.3，混凝土為1.4,表8-3 溢流壩的底寬,建筑在軟基上的溢流壩，由于壩與地基摩擦系數較巖基為小， 故壩底寬度B較大，初步擬定時，可參考表8-3,8.2攔河壩的穩(wěn)定計算,8.2.1地基防滲設施 地下輪廓布置的原則是滯滲與導滲相結合。即擋排原理：盡量擋住水漏入，但仍然有少部分滲進來，但要盡快將它

10、排走。 初步擬定地下輪廓的長度時，一般采用勃萊建議的方法，即L=CH，其中L為防滲長度（m）；C為滲徑系數，其數值與地基土質及滲流出口排水條件有關。 然后根據改進阻力系數法計算出地基滲透壓力圖形,防滲設備包括水平鋪蓋、垂直板樁和齒墻。一般鋪蓋是用粘土、粘壤土、混凝土、鋼筋混凝土或瀝青混凝土建造。鋪蓋的防滲系數應較地基土壤的滲透系數小100倍以上。鋪蓋的長度可取為（35）H（H為水頭）。 排水設備可將滲水，以減少滲透壓力，增加壩體穩(wěn)定性。因此，有計劃地排到下游要求排水設備應有很好的透水性，并與下游暢通。常用的是平鋪式排水，即在地基表面鋪設直徑為12cm的卵石、礫石或碎石，厚度為0.20.3m,8

11、.2.2溢流壩穩(wěn)定計算,作用在溢流壩上的力及荷載組合如下。 1作用在溢流壩上的力 壩體所受的力主要是自重、上下游水壓力(包括水重)、揚壓力和泥沙壓力，一般取單位長(m)的壩段來計算。 (1)壩體自重。壩體自重按擬定的斷面尺寸及壩體材料的容重來計算。 (2)靜水壓力。作用在壩體的上、下游靜水壓力可分為水平壓力和垂直水重來計算。 (3)揚壓力。揚壓力包括滲透壓力和浮托力兩部分。 (4)泥沙壓力,圖8-9 壩體上作用力示意圖 P1、P2、P3水平水壓力；W垂直水壓力；PF浮托力； Pu滲透壓力；Pe泥沙壓力；Pe鋪蓋土壤壓力,2荷載組合 (1)設計情況的荷載組合。分擋水和溢流兩種情況。擋水情況的荷載

12、組合包括自重、設計水位的上下游水壓力、揚壓力和泥沙壓力。溢流情況的荷載組合包括自重、壩頂宣泄設計洪水量時的上下游水壓力、揚壓力和泥沙壓力。 (2)校核情況的荷載組合。包括自重、宣泄非常洪水流時的上、下游水壓力，揚壓力和泥沙壓力,8.2.3壩體抗滑穩(wěn)定驗算,驗算壩體抗滑穩(wěn)定采用安全系數法，有以下兩種方法。 (1)僅考慮壩底與巖基(或軟基)間的摩擦力時，穩(wěn)定(抗剪強度)計算公式又稱純剪公式為 式中：Kc為抗滑安全系數；W為作用于1m寬壩段上所有垂直力的代數和，包括自重、水重、泥沙重和揚壓力；P為作用于1m寬壩段上所有水平力的代數和，包括上下游水平方向水壓力和泥沙壓力；f為摩擦系數，應由現場試驗確定

13、,2)若考慮壩底與巖基(或軟基)的摩擦力及粘著力時，應按下列抗剪斷公式驗算壩體的抗滑穩(wěn)定性 式中：Kc為抗摩安全系數；c為壩底與巖基接觸面上的粘著力，或軟基上壩底齒墻間土壤的粘著力；f為壩底與巖基間的摩擦系數或軟基上壩底齒墻間土壤內摩擦系數；A為巖基上壩基底面積或軟基上壩底齒墻間土體剪切面的面積,8.2.4基底壓力驗算,以中型為主取水工程溢流重力壩一般可不作壩體應力分析，而只校核基底壓力即可。主要是驗算壩基上下游邊緣的應力，對于軟基上的壩，還應控制壩底上下游壓應力的比值不大于1.53.0，以免產生過大的不均勻沉陷。 溢流壩基底壓應力可用偏心受壓公式計算： 式中：W為所有荷載（外力）對于壩底截面

14、形心的力矩代數和；為地基允許壓應力；B為溢流壩頂凈寬,8.3攔河壩的消能防沖,為了保證溢流壩的安全使用，防止河床沖刷，一般采取兩方面的措施，一是盡可能消除水流的動能，二是保證河床及河岸不受水流剩余動能的沖刷。 在軟基上普遍采用底流式消能。 建筑在巖基上水頭較大的溢流壩，則采用挑流消能。 下面著重介紹底流式和挑流式消能,8.3.1底流式消能,底流消能是在壩趾以下設置消力池，或輔以其他輔助消能設施。底流消能工作可靠、消能效果好，下游流態(tài)也較平穩(wěn)，可適用于各種不同高度的壩和各種河床地質情況，但由于其工程量較大，多用于中、低壩和地質條件差的軟基。 消力池的設計主要是計算確定消力池的深度、長度和底板的厚

15、度,圖8-10 挖深式消力池深度計算,挖深式消力池。消力池的池深d應滿足下列條件,二）消力池長度計算 消力池長度包括斜坡段的水平投影長度和平底段長度兩部分： 式中： 為消力池長度，m； 為消力池斜坡段水平投影長度； 為水躍長度校正系數，可采用0.70.8； 為自由水躍長度，m,三）護坦厚度計算 消力池底板厚度應根據抗沖和抗浮的穩(wěn)定性分別計算 按抗沖要求時： 式中：t為消力池底板始端厚度，m； 為閘孔泄水時的上、下游水位差，m； 為消力池底板計算系數，可采用0.150.20，q為消力池進口處的單寬流量，m/(sm,按抗浮要求時： 式中： 為消力池底板安全系數，可采用1.11.3；U為作用在消力池

16、底板底面的揚壓力， ；W為作用在消力池底板頂面的水重， ； 為作用在消力池底板上的脈動壓力， ， 為消力池底板的飽和重度。 護坦的厚度應在上兩式中取最大值。消力池末端厚度可取t/2。但消力池最小厚度不得小于0.5m,8.3.2挑流式消能,挑流式消能是在溢流壩下游壩腳部分建造高出下游水位的鼻坎，對于溢流拱壩則是在壩頂建造鼻坎，將下泄的高速水流向空中拋射出去，最好落在距壩腳較遠的河床中形成沖刷坑，待沖刷穩(wěn)定后形成較厚水墊，對水流不僅起撞擊作用又起緩沖消能作用,圖8-11 挑流式消能,圖8-11中水舌拋距估算公式,挑坎高程等于或略低于下游最高水位為宜。挑坎的頂部若做成尖狀， 易氣蝕破壞，一般做成小圓

17、弧，半徑r在0.120.08m,8.4攔河壩上下游連接建筑物,8.4.1海漫 水流在水躍的躍后段內，底流流速較大，紊動強度也比均勻紊流為高，對河床仍具有較大的沖刷能力。所以除河床巖質較好，足以抵抗沖刷者外，一般在護坦后還需要設置較為簡易的河床保護段，稱為海漫。 海漫的長度主要取決于水流剩余動能、消力池末端單寬流量、上下游水位差、河床抗沖能力、海漫表面粗糙程度以及水流在海漫上擴散情況等因素,當 =19，且消能擴散良好時，海漫長度可按下列公式計算： 式中 海漫長度（m）； 消力池末端單寬流量（ ）； 海漫長度計算系數。 海漫的結構應使粗糙的，以利于消除水流余能；應是透水的，使?jié)B透水流順利排出，以增加海漫的穩(wěn)定性；應有一定的柔性，以適應地基變形。海漫材料常用的有干砌石和漿砌石兩種,8.4.2防沖槽 經過海漫末端的水流仍具有一定的沖刷能力，河床仍難免遭受沖刷，危及