《水利水電工程概論》第五章渠系建筑物

1、第十章 渠系建筑,旗嶺渡槽,廣東東深供水旗嶺渡槽,渠系建筑物 為了安全合理地輸配水量以滿足農(nóng)田海溉、水力發(fā)電、工業(yè)及生活用水的需要，在渠道(渠系)上修建的水工建筑物，統(tǒng)稱渠系建筑物。,紅江湖是玉林大容山中的一個(gè)湖，實(shí)名叫紅江水庫(kù)，是經(jīng)過(guò)人工拓展的一個(gè)中型的人工湖泊 。玉林有名的紅江渠就是從紅江水庫(kù)為起點(diǎn)，連綿幾十公里長(zhǎng)的依山而建的水渠，為沿途幾個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)大批坡地提供灌溉，造福一方，解決了當(dāng)時(shí)的北市、蒲塘等鄉(xiāng)鎮(zhèn)大遍干旱坡地?zé)o水灌溉稻種的難題，在建成的七十年代，在廣西曾經(jīng)名噪一時(shí)，被譽(yù)為廣西的“紅旗渠”。,紅江渠,渠系建筑物的分類 1、渠道：是指為農(nóng)田灌溉、水力發(fā)電、工業(yè)及生活輸水用的、具有自由水面的

2、人工水道。 2、配水建筑物:渠道中用以調(diào)節(jié)水位和分配流量的建筑物。 3、交叉建筑物:輸送渠道水流穿過(guò)山梁和跨越或穿越溪谷、河流、渠道、道路時(shí)修建的建筑物 4、落差建筑物:即落差集中處的連接建筑物 5、量水建筑物:為了按用水計(jì)劃準(zhǔn)確而合理地向各級(jí)渠道和田間輸配水量，并為合理征收水費(fèi)提供依據(jù)，在渠系上設(shè)置的各種量水設(shè)施 6、防洪沖砂建筑物:為了防止和減少渠道淤積而在渠首或渠系中設(shè)置的沖沙和沉沙設(shè)施 7、便民利民建筑物,林州紅旗渠,渠系建筑物的分類與功用,渠道,渠系： 一個(gè)灌區(qū)內(nèi)的灌溉或排水渠道，一般分為干、支、斗、農(nóng)四級(jí)，構(gòu)成渠道系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱渠系。,30萬(wàn)畝以上灌區(qū)必要時(shí)可增設(shè)總干渠、分干渠、分支渠

3、或分斗渠，灌溉面積較小的灌區(qū)可減少渠道級(jí)數(shù)。灌溉渠道系統(tǒng)不宜越級(jí)設(shè)置渠道。 灌溉渠道系統(tǒng)布置應(yīng)符合灌區(qū)總體設(shè)計(jì)和灌溉標(biāo)準(zhǔn)要求，并應(yīng)符合下列規(guī)定： 1 各級(jí)渠道應(yīng)選擇在各自控制范圍內(nèi)地勢(shì)較高地帶。 2 渠線應(yīng)避免通過(guò)風(fēng)化破碎的巖層、可能產(chǎn)生滑坡及其它地質(zhì)條件不良的地段。 3 渠線宜短而直，并應(yīng)有利于機(jī)耕，避免深挖、高填和穿越村莊。,渠系建筑物的分類 配水建筑物 節(jié)制閘、分水閘 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 防洪沖砂建筑物 沉沙池、排沙閘泄水閘或退水閘 便民利民建筑物 農(nóng)橋,渠系建筑物的特點(diǎn) 量大面廣、總投資多。 同一類型建筑物的工作條件、結(jié)

4、構(gòu)型式、構(gòu)造尺寸較為近似。 因此，對(duì)其體型結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義 本章就渠道、渡槽、倒虹吸管、涵洞、跌水作介紹,第一節(jié) 渡 槽,一、渡槽的概念、作用 渡槽：是輸送渠道水流跨越河流、渠道、道路、山谷等障礙的架空輸水建筑物，是灌區(qū)水工建筑物中應(yīng)用最廣的交叉建筑物之一。 渡槽的作用：用于輸送渠道水流外，還可以供排洪和導(dǎo)流之用。,渡槽又稱高架渠，是一組由橋梁，隧道或溝渠構(gòu)成的輸水系統(tǒng)。用來(lái)把遠(yuǎn)處的水引到水量不足的城鎮(zhèn)、農(nóng)村以供飲用和灌溉。 世界上最早的渡槽誕生于中東和西亞地區(qū)。公元前700余年，亞美尼亞已有渡槽。,公元前703年，亞述國(guó)王西拿基立下令建一條483公里長(zhǎng)的渡槽引水到國(guó)都尼尼

5、微。渡槽建在石墻上，跨越澤溫的山谷。石墻寬21米，高9米，共用了200多萬(wàn)塊石頭。渡槽下有5個(gè)小橋拱，讓溪水流過(guò)。,古希臘的許多城市建有良好的渡槽，但古羅馬人最為認(rèn)真，把供水系統(tǒng)看作是公共衛(wèi)生設(shè)施的重要部分。羅馬第一條供水渡槽是建于公元前312年的阿庇渡槽；第十條也是最后一條則是公元226年建成的阿歷山大渡槽；最長(zhǎng)最壯觀的是建于公元前114年的馬西亞渡槽，雖然水源離羅馬僅37公里，但渡槽本身長(zhǎng)達(dá)92公里。這是因?yàn)槎刹垡３忠欢ㄆ露?，依地形蜿蜒曲折地修建?險(xiǎn)峰渡槽,位于磁縣白土鎮(zhèn)張二莊東南，像一道天上的彩虹橫跨高家腦與跑馬山之間，它是躍峰渠的重點(diǎn)工程之一。橫跨在都黨河溝上。 1975年11月動(dòng)

6、工，1976年9月底完工。該渡槽在當(dāng)時(shí)是華北地區(qū)跨度最大的砌石拱形渡槽。全長(zhǎng)212米，主拱跨106米，地面距拱頂?shù)撞?8.70米。主拱卷上有12個(gè)腹拱，為2.5米半圓拱，拱厚0.5米，槽深為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)過(guò)水流量30立方米每秒。另外，槽身兩側(cè)頂部設(shè)有1米寬人行道。槽身共9節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)20米。,渡槽實(shí)例,地處鶴山龍口的南北渠，是鶴山上世紀(jì)六七十年代的浩大水利工程。南北渠通水總長(zhǎng)34.5公里，流經(jīng)十多條村，灌溉3萬(wàn)多畝土地，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民心血和汗水的結(jié)晶。 由於建筑時(shí)間的差異, 南北渠形成了不同的建筑風(fēng)格與特點(diǎn)。北渠灌溉設(shè)施較為完善,大部分土渠鋪上混凝土表層；北渠三鳳段和南渠大部分是土渠，雜草

7、叢生，灌溉效率不高。然而令人費(fèi)解的是，地處青文與民龍交界處的南渠末段架空渠卻建造得雄偉壯麗，耗費(fèi)了不少人力物力，卻僅僅灌溉幾百畝的耕地。,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，氣勢(shì)恢弘宛如巨龍，無(wú)論站在哪個(gè)角度，都能感受到她的壯麗，每次走到這個(gè)地方，都能找到新的感受、找到新的審美視角。特別是日出和日落的時(shí)光，在濃重的金黃色調(diào)子中，更能切身感受到她壯闊蒼涼的美。 南北渠是鶴山水利工程史上的里程碑。盡管隨著工業(yè)的發(fā)展，水庫(kù)的灌溉功能在逐漸削弱，但南北渠是作為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展史上的標(biāo)志性建筑。,廣東江門南北渠上的渡槽,離市中心不遠(yuǎn)的古渡槽是格雷塔羅的標(biāo)志性建筑。它始建于1726年，建成

8、于1735年，全長(zhǎng)1280米，有74個(gè)拱，最高處23米，是當(dāng)時(shí)向全城供應(yīng)飲水的惟一設(shè)施，現(xiàn)在成為該城最重要的古遺址和旅游景點(diǎn)。由于悠久的歷史和豐富的文化遺存，格雷塔羅被聯(lián)合國(guó)教科文組織列入世界文化遺產(chǎn)名錄。,墨西哥格雷塔羅古渡槽,甘肅楊黃灌區(qū)工程渡槽,洛河渡槽,南陽(yáng)山跨公路渡槽,軍都山渡槽橋,中國(guó)浙江天臺(tái)紅旗渡槽 aqueduct,寶馬渡槽,二、渡槽的組成及類型,1、類型： （1）按施工方法：現(xiàn)澆整體式、預(yù)制裝配式及預(yù)應(yīng)力等； （2）按建筑材料分類：木渡槽、砌石、砼及鋼筋砼等 （3）按支承結(jié)構(gòu)型式分：有梁式、拱式、桁架式、組合式及懸吊或斜拉式 （4）按槽身斷面形狀分：矩形渡槽、U形渡槽等。,建

9、成的中鋪電灌工程干渠輸水渡槽,U形渡槽,矩形渡槽,2、組成： 由輸水的槽身、支承結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)及進(jìn)出口建筑物等部分組成,三、槽址位置的選擇及布置 選擇槽址關(guān)鍵是：確定渡槽的軸線及槽身的起止點(diǎn)位置。 對(duì)地形、地質(zhì)條件較復(fù)雜，長(zhǎng)度較大的大中型渡槽，應(yīng)確定23個(gè)方案，從中選出較優(yōu)方案 渡槽的總體布置工作包括：槽址位置的選擇，槽身支承結(jié)構(gòu)的選擇，基礎(chǔ)及進(jìn)出口的布置。,進(jìn)出口的布置 渡槽進(jìn)出口前后的渠道的應(yīng)有一定長(zhǎng)度直線段，且均需設(shè)置漸變段和護(hù)坡、護(hù)底。 漸變段的長(zhǎng)度一般采用下列經(jīng)驗(yàn)公式確定： L=C（B1B2） C系數(shù)，進(jìn)口取1.52.0，出口取2.53.0； B1渠道水面寬度，m； B2渡槽水面寬度，m

10、。 對(duì)于中小型渡槽，通常進(jìn)口L4h1，出口L6h2。h1，h2分別為上、下游渠道水深。,四、渡槽的水力設(shè)計(jì) 渡槽水力計(jì)算任務(wù)：是合理確定槽底縱坡、槽身斷面尺寸、計(jì)算水頭損失，根據(jù)水面銜接計(jì)算確定渡槽進(jìn)出口高程，并驗(yàn)算水頭損失是否滿足渠系規(guī)劃的要求。,土耳其的引水渡槽,五、渡槽結(jié)構(gòu)上的荷載及其組合 （1）荷載的分類 1）永久荷載：一般包括結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力。 2）可變荷載：一般包括靜水壓力、動(dòng)水壓力、風(fēng)荷載、人群荷載、溫度荷載、槽內(nèi)水重、車輛荷載。 （2）荷載組合 1）基本組合 2）偶然組合 3）短期組合 4）長(zhǎng)期組合,六、渡槽設(shè)計(jì)的一般步驟 （1）收集整理基本資料，確定渡槽的安全級(jí)別和有

11、關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 （2）選擇槽址和槽型，并進(jìn)行平面布置和縱剖面的布置。 （3）進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，確定槽底縱坡和槽身的過(guò)水?dāng)嗝嫘螤?、尺寸及進(jìn)出口高程。 （4）進(jìn)行縱剖面布置，選定各組成部分的結(jié)構(gòu)型式和材料、分跨，擬定各部分的布置尺寸及高程，繪制平面圖、縱橫剖面圖。計(jì)算挖填工程量。 （5）通過(guò)方案比較，選出較優(yōu)的總體布置方案。 （6）進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算及構(gòu)造設(shè)計(jì)，繪制設(shè)計(jì)圖，并計(jì)算工程概算和總投資。,七、梁式渡槽構(gòu)造 梁式渡槽的槽身支承于墩臺(tái)或排架之上，槽身側(cè)墻在縱向起梁的作用 梁式渡槽可分為簡(jiǎn)支梁式、懸臂梁式及連續(xù)梁式三種。懸臂梁式渡槽又可為雙懸臂、單懸臂式。 (a)雙懸臂梁式； (b)單懸臂梁式,1、簡(jiǎn)支梁

12、的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，吊裝施工方便，接縫止水易解決。但其跨中彎矩較大，底板全部受拉，對(duì)抗裂防滲不利。 梁式渡槽的跨度不宜過(guò)大，跨度一般在20m以下較經(jīng)濟(jì) 2、槽身橫斷面型式 （1）矩形槽身 1）無(wú)拉桿矩形槽 2）有拉桿矩形槽 3）箱式槽身結(jié)構(gòu) （2）U形槽身 鋼絲網(wǎng)水泥或預(yù)應(yīng)力鋼絲網(wǎng)水泥結(jié)構(gòu),補(bǔ)角1525cm,1/121/16側(cè)墻高,3、梁式渡槽的支承結(jié)構(gòu) 支承結(jié)構(gòu)型式有重力墩、排架、組合式墩架和樁柱式槽架等。 重力墩：實(shí)體 、空心墩 排架：常用的形式有單排架、雙排架及A字形排架等幾種型式,組合式墩架 當(dāng)渡槽高度超過(guò)30m或槽高較大,則應(yīng)考慮采用組合式墩架 柱樁式槽架其支承柱是樁基礎(chǔ)向上延伸而成的

13、,4、渡槽的基礎(chǔ) 可分為淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)兩種。埋置深度小于5m的為淺基礎(chǔ)，大于5m的為深基礎(chǔ)。 淺基礎(chǔ)常采用剛性基礎(chǔ)或整體板式基礎(chǔ)（柔性基礎(chǔ)）； 深基礎(chǔ)一般采用樁基礎(chǔ)或沉井基礎(chǔ)。,(a) (b) 圖10-24 深基礎(chǔ) （a）鉆孔樁基礎(chǔ) (b)沉井基礎(chǔ),5、梁式渡槽的常見(jiàn)故障及其處理方法 渡槽與渠道的連接部位產(chǎn)生漏水，這主要是渡槽與渠道的不均勻沉降引起；處理方法為加強(qiáng)連接段的仿滲。 空渡槽被風(fēng)吹倒。 止水?dāng)嗔眩幚矸椒ㄖ挥行扪a(bǔ)。 渡槽漫頂，沖壞渡槽的基礎(chǔ)。,八、拱式渡槽 拱式渡槽與梁式渡槽主要區(qū)別在于槽身與墩臺(tái)之間增設(shè)了主拱圈和拱上結(jié)構(gòu)。 主拱圈是主要承重結(jié)構(gòu)，拱圈兩端支承在槽墩或槽臺(tái)上，拱上結(jié)構(gòu)

14、將上部荷載傳遞給主拱圈，主拱圈對(duì)墩臺(tái)產(chǎn)生較大的水平推力。 按照主拱圈的結(jié)構(gòu)型式可分為：板拱、肋拱和雙曲拱； 按主拱圈設(shè)鉸數(shù)目可分為無(wú)鉸拱、雙鉸拱和三鉸拱； 按使用 材料分為砌石、混凝土等拱式渡槽； 根據(jù)拱上結(jié)構(gòu)型式的不同，拱式渡槽可分為實(shí)腹式和空腹式兩類,九、進(jìn)出口建筑物 1槽身與填方渠道的連接 斜坡式-根據(jù)連接段的支承方式不同，又可分為剛性連接和柔性連接兩種。 擋土墻式-將邊跨槽身的一端支承在重力擋土墻式邊墩上，并與漸變段或連接段連接。 2槽身與挖方渠道的連接,圖10-44 槽身與挖方渠道的連接 1槽身；2漸變段；3連接段；4地梁；5漿砌石底座,第二節(jié) 倒虹吸管 倒虹吸管是輸送渠水通過(guò)河渠、

15、山谷、道路等障礙物的壓力輸水建筑物。,倒虹吸實(shí)際上就是一個(gè)連通器，流水在障礙物的下方，利用高差，從下面的封閉管道中流過(guò)。因?yàn)橄褚粋€(gè)倒置的虹吸管，故稱為“倒虹吸”。 在水工工程中經(jīng)常使用倒虹吸，小的如通過(guò)一條公路的下方，大型的如南水北調(diào)的穿越黃河的倒虹吸。,扶風(fēng)的韋水倒虹，是寶雞峽引水工程總干渠跨越韋水的重大建筑工程。整個(gè)虹身長(zhǎng)度達(dá)880多米，最大水頭可達(dá)70米。其中，水頭在50米以下為鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)，管長(zhǎng)622.9米;水頭在50米以上為鋼管,管長(zhǎng)257.3米,內(nèi)徑2.9米。,韋水倒虹,唐河倒虹吸工程,交叉型式為渠穿河倒虹吸。設(shè)計(jì)流量為135立方米秒；加大流量為160立方米秒 倒虹吸樞紐由退水

16、閘、倒虹吸、節(jié)制閘和導(dǎo)流堤等部分組成,倒虹吸管身采用三孔一聯(lián)鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，單孔斷面 5.55.7米。 交叉斷面以上控制流域面積 4578平方千米， 100年一遇 洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核。工程等別為I等，主體建筑物為1級(jí)，地震基本烈度為6度 。,昆明市掌鳩河引水供水工程倒虹吸,倒虹吸的輸水管道全部為鋼管，鋼管設(shè)計(jì)內(nèi)徑2.2米。鋼管壁厚根據(jù)承壓水頭從上而下逐級(jí)遞增，兩端頂部鋼管壁厚14毫米，最低處鋼管壁厚32毫米。,南水北調(diào)中線工程孟良河渠道倒虹吸,1、倒虹吸的特點(diǎn)及使用條件 倒虹吸管與渡槽相比，可省去支承部分，造價(jià)低廉，施工較方便；當(dāng)埋于地下時(shí)，受外界溫度變化影響??；屬壓力管流，水

17、頭損失較大；利于河道泄洪。在小型工程中應(yīng)用較多。 當(dāng)渠道與障礙物間相對(duì)高差較小，不宜修建渡槽或涵洞時(shí)，或當(dāng)渠道穿越的河谷寬而深，采用渡槽或填方渠道不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可采用倒虹吸管。,2、倒虹吸管的類型 按管身斷面形狀：圓形、箱形、拱形； 按使用材料：木質(zhì)、砌石、陶瓷、素混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、鑄鐵和鋼板等。 圓形管具有水流條件好、受力條件好的優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)際中應(yīng)用較廣，其主要用于高水頭、小流量情況。 箱形管分矩形和正方形兩種，可做成單孔或多孔。其適用于低水頭、大流量情況。 直墻正反拱形管的過(guò)流能力比箱形管大，主要用于平原河網(wǎng)地區(qū)的低水頭、大流量和外水壓力大、地基條件差的情況，其缺點(diǎn)是施工

18、較麻煩。,3、倒虹吸管的布置與構(gòu)造 倒虹吸管一般由進(jìn)口、管身、出口三部分組成。 1）進(jìn)口： (1)豎井式 一般常用于壓力水頭?。ㄐ∮?5m）及流量較小的過(guò)路倒虹吸管（圖10-45），其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、管路短、占地少、施工較易，而水流條件較差、水頭損失大。井底一般設(shè)0.5m深的集沙坑，以便清除泥沙及維修水平段時(shí)排水之用。,圖10-45豎井式倒虹吸管,（2）斜管式（圖10-46） 為改善豎井式的水流條件,將豎井變?yōu)樾惫堋Ｆ渌鳁l件好，施工簡(jiǎn)便，工程中應(yīng)用較多。其主要適用于穿越高差較小渠道或河流。,圖10-46 斜管式倒虹吸管,圖10-50 進(jìn)口前沉沙池,圖10-51 出口段布置,4、倒虹吸管的水力

19、計(jì)算 倒虹吸管為壓力流，其流量按有壓管流公式進(jìn)行計(jì)算。 倒虹吸管水力計(jì)算是在渠系規(guī)劃和總體布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行，其上下游渠道的水力要素、上游渠底高程及允許水頭損失均為已知。 水力計(jì)算的主要任務(wù)是確定管道的橫斷面尺寸與管數(shù)、水頭損失、下游渠底高程及進(jìn)行進(jìn)出口的水面銜接計(jì)算。,1）確定橫斷面形狀及管數(shù) 2）. 橫斷面尺寸 管內(nèi)的最大流速由允許水頭損失控制，最小流速則按挾沙流速確定。 初選流速后，可按設(shè)計(jì)流量由公式A=計(jì)算所需過(guò)水?dāng)嗝娣eA。,3). 水頭損失計(jì)算及過(guò)流能力校核 倒虹吸管的水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失兩種。 按通過(guò)設(shè)計(jì)流量計(jì)算水頭損失Z后，與允許的Z值進(jìn)行比較，若Z等于或略小于Z

20、時(shí)，則說(shuō)明初擬的V合適，否則，另選V，重新計(jì)算，直到ZZ。,4下游渠底高程的確定 參照類似工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，選定一個(gè)合適的水頭損失Z，據(jù)此確定下游渠底設(shè)計(jì)高程。 確定的下游渠底高程應(yīng)盡量滿足： 通過(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)，進(jìn)口處于淹沒(méi)狀態(tài)，且基本不產(chǎn)生雍水或降水現(xiàn)象； 通過(guò)加大流量時(shí)，進(jìn)口允許產(chǎn)生一定的雍水，但一般不宜超過(guò)3050； 通過(guò)最小流量時(shí)（按最小不利情況輸水），管內(nèi)流速滿足不淤流速要求，且進(jìn)口不產(chǎn)生跌落水躍,5進(jìn)口水面銜接計(jì)算 （1）驗(yàn)算通過(guò)加大流量時(shí)，進(jìn)口的雍水高度是否超過(guò)擋水墻頂和上游渠頂。 （2）驗(yàn)算通過(guò)最小流量時(shí)，進(jìn)口的水面跌落值是否會(huì)在管道內(nèi)產(chǎn)生不利的水躍情況。,第三節(jié) 涵 洞,交叉建筑物 ，在水渠通過(guò)公路的地方，為了不妨礙交通，修筑于路面下的過(guò)路涵洞，讓水從公路的下面流過(guò)再翻到地面上來(lái)。它是根據(jù)連通器的原理，常用磚、石、混凝土和鋼筋混凝土等材料筑成。它是路堤通過(guò)洼地或跨越水溝，或?yàn)榘崖坊戏降乃餍沟较路綍r(shí)，而設(shè)置的橫穿路基的小型地面排水結(jié)構(gòu)物。 涵洞主要指的是不設(shè)閘門的輸水涵洞與排洪涵洞，其一般由進(jìn)口、洞身、出口三部分組成。,涵 洞,40m涵洞,青藏鐵路路基下的涵洞,工作特點(diǎn) 渠道上的輸水涵洞，一般是無(wú)壓的，上下游水位差也較小，其過(guò)涵流速一般在2m/s左右，故一般可不考慮專門的防滲、排水和消能問(wèn)題 。 涵洞的類型 （1）圓涵 （2) 箱涵 （3）蓋板涵