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水工建筑物
通用性水工建筑物: 挡水建筑物, 泄水建筑物和引水建筑物。
第一章 挡水建筑物
挡水建筑物有坝、 水闸、 堤和海塘。今天主要介绍坝体。
坝主要分为重力坝、 拱坝、 土石坝。现在我分别从坝的概念、 分类以及优缺点进行介绍。
第一节 重力坝
一、 概念: 重力坝是由钢筋混凝土或浆砌石修筑的大致积挡水建筑物, 其基本剖面是直角三角形, 整体是由若干坝段组成。坝在水压力及其它荷载作用下, 主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求, 同时依靠坝体自重产生的压力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。
二、 优缺点
1、 优点: ①相对安全可靠, 耐久性好, 抵抗渗漏、 洪水漫溢、 地震能力比较强; ②设计、 施工技术简单, 易于机械化施工; ③相对于拱坝对坝肩地质条件要求不高。
2、 缺点: ①坝体应力较低, 材料强度不能充分发挥。②坝体体积大, 耗用水泥多; ③施工期混凝土温度应力和收缩应力大, 对温度控制要求高。
三、 坝型分类
1、 按筑坝材料分类
( 1) 砌石重力坝。用石块和水泥砂浆或细骨料混凝土砌筑而成。
(2)混凝土重力坝。用普通坍落度较大的常态混凝土( 坍落度3—5cm) 分块分层振动捣实建成。
( 3) RCC重力坝( 碾压式混凝土重力坝) 。用无坍落度混凝土, 通仓分层铺填, 振动压实建成。
2、 按结构型式
( 1) 实体重力坝。坝内除廊道和较小空洞外, 全部由筑坝材料填充, 一般纵向每隔12—20m设有横向伸缩缝, 将坝分成若干坝段。
( 2) 宽缝重力坝。各坝段两侧的横缝内部拓宽成空的”宽缝”。能够降低扬压力, 减少工程量, 但施工较实体重力坝复杂。
( 3) 空腹重力坝。在实体重力坝内沿纵向开设较大的贯通的空洞, 既可降低扬压力, 也可将空洞作为发电厂房只用。筑坝材料的强度能进一步得到利用, 但坝内局部应力较大, 需要配置一定钢筋, 施工也较复杂。
( 4) 框格重力坝。坝体由纵、 横向混凝土或砌石隔墙组成许多框格, 框内填以砂石料构成, 也称”硬壳坝”。
( 5) 预应力重力坝。在实体重力坝上用锚入基岩内的垂直高强度钢索对坝施加预应力, 用以代替一部分坝体自重, 减少工程量。
3、 按泄洪功能分类
( 1) 溢流重力坝, 坝顶可泄洪的重力坝, 常与土石坝配合使用在一个工程上, 专供泄洪用。
( 2) 挡水( 非溢流) 重力坝, 坝顶不泄洪的重力坝, 但有时坝的上部或中部也可设置孔口泄放水流。
第二节 拱坝
一、 概念
拱坝是一种建筑在峡谷中的拦水坝, 做成水平拱形, 凸边面向上游, 两端紧贴着峡谷壁。其特点拱坝承受的荷载大部分经过水平拱的作用传给两岸岩基, 另一部分经过竖向梁的作用传到坝底基岩, 而坝体的稳定性主要是依靠两岸坝座基岩的支撑来稳持。
二、 优缺点
优点: ①工程量相对比重力坝小; ②坝的超载能力高, 一般可达设计荷载的5—10倍; ③泄洪方便, 能够在坝顶或坝身开孔宣泄洪水。
缺点: ①对坝基特别是两岸坝座岩体的强度和抗滑稳定要求较高, 需要比重力坝进行较多的地质勘探、 试验和坝基处理; ②坝的体型较复杂, 混凝土温控和模板费用多, 导致施工单价较高。
三、 分类
( 一) 按坝高分
1、 高坝, 高度在70m以上。二滩水电站拱坝最大坝高240m。
2、 中坝, 高度在30—70m
3、 低坝, 高度在30m以下。
( 二) 根据厚高比分类
1、 薄拱坝, <0.2
2、 中厚拱坝, 0.2—0.35
3、 厚拱坝, 又叫重力拱坝, >0.35
( 三) 按结构分类
1、 固端拱坝, 坝体四周嵌固在坝基岩体内的常规拱坝。
2、 周边缝拱坝, 坝体四周支承在混凝土垫座上, 坝体和垫座间设有一道带止水的周边缝。
3、 其它, 在坝身开有纵向空腔的空腹拱坝和用预应力锚索将坝体锚固在基岩内的预应力拱坝, 以及由多层薄供体层间充水的多层拱坝等。
( 四) 按坝体曲率分类
1、 单曲拱坝, 坝体的水平断面有曲率而垂直断面无曲率的拱坝。例如圆筒形拱坝
2、 双曲拱坝, 坝体的水平和垂直断面均有曲率的拱坝。如二滩水电站。根据每个水平断面坝轴线的形状以及其圆心的位置可分为圆拱坝, 两心拱坝, 三心拱坝等等。
第三节 土石坝
一、 概念
土石坝泛指由当地土料、 石料或混合料, 经过抛填、 碾压等方法
堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和沙砾为主时, 称土坝, 以石渣、 卵石、 爆破石料为主时, 称堆石坝; 当两类当地材料均占相当比例时, 称土石混合坝。
二、 特点
以前的土石坝堆砌主要靠人力和简单的施工机械建造, 由于土石料是一种松散体, 重度较小, 强度和抗渗性较低, 因此建坝就得增加土石料, 以至于坝的体积庞大、 沉陷量大和容易发生渗水管涌及洪水曼顶溃坝等缺点。
现代高度机械化填筑、 特别是振动碾压的现代土石坝, 特点: 1) 坝体主要由两个功能不同的部分组成: ①承受水压和维持坝身稳定的土石支承体; ②阻挡库水、 防止水量流失的土质或非土质防渗体。除此之外, 还可能有以下几种配套部分: ①使上述两个部分相互适应的反滤层( 设在土砂层与排水设施之间或细土料与粗砾料之间, 保持土、 砂层或细土料的抗渗稳定, 防止发生管涌现象的滤水设施。) 、 过渡层( 控制材料的空隙尺寸, 保证垫层的颗粒料不会被冲刷到支承体堆石的空隙中; 使压缩性和透水性从上游的垫层到下游的支承体逐渐过度。) 、 排水层或垫层等; ②防止坝基渗漏的截水墙、 铺盖或灌浆帷幕; ③保护上下游坝面的各种护坡等。
三、 优缺点
1、 优点: ①对地基的要求比混凝土坝低, 适应不均匀沉陷的能力强。②土石坝比较经济, 能够就地取材, 利用工程中溢洪道、 隧洞、 厂房等开挖的石渣, 减少了大量对外的运输量, 减少了造价。③施工进度较快。
2、 缺点: ①抵御洪水的能力较低。水流曼顶时, 易受冲蚀导致溃坝。②施工期间导流较困难。需要较大断面的隧洞进行导流。
三、 土石坝的分类
( 一) 按所用材料分为土坝和堆石坝
( 二) 按施工方法分
1、 碾压式, 用运输机械分层铺填和用振动碾等逐层压实建成。
2、 定向爆炸式, 在坝址一案或两岸的上部埋放炸药, 一次或分批爆炸, 将岩石抛掷到预定位置, 并利用抛掷下落的能量压实建成, 使用在高山峡谷地区。
3、 水力冲填或水中倒土式, 前者用水的动力开挖、 运输和填筑, 后者则用水分解和堆填土料。由于这两种坝都需要再次排水固结, 在施工后期和运行初期, 坝内有很高空隙水压力, 稳定安全度较低, 都只在特定条件和情况适合时采用。
( 三) 按防渗体的材料分
1、 土质防渗墙土石坝, 一种是防渗墙平行于坝的上游面, 称为斜墙式, 另一种是防渗墙在坝体内部, 根据形状可分为心墙式和斜心墙式。双江口水电站属于土质心墙坝
2、 非土质( 或人工) 防渗墙土石坝
防渗墙由混凝土、 沥青混凝土、 塑料、 钢板和木板等构成。根据防渗墙位置不同也可分为面板式和心墙式, 面板式为防渗墙平行于坝体的上游面。
第二章 泄水建筑物
泄水建筑物是水库工程的组成部分, 用于宣泄超过水库调
蓄能力的洪水, 确保大坝不会由于洪水漫顶而溃决。泄水建筑物分为坝身泄洪建筑物和其它泄水建筑物二大类。
( 一) 坝身泄洪建筑物
主要的坝身泄洪建筑物主要有坝顶溢洪道、 坝身泄水孔和虹吸溢洪道。
( 1) 坝顶溢洪道
溢流重力坝的溢流面由三部分组成, 主要有堰顶曲线段、 直线坝坡段和反弧段三部分。

溢流拱坝溢流面型式分为三种, 挑流式、 自由跌落式和滑雪道式。
( 2) 坝身泄水孔
泄水孔按进口位置高程分为浅孔、 中孔和深孔三层。拱坝常见泄水孔承担主要泄洪任务, 有时再坝体上同时设置浅孔、 中孔和深孔。重力坝的泄水孔一般只担任辅助性泄洪工作, 多用来宣泄和放空水库。一般只设置深孔。
坝身泄水孔的位置、 形状和尺寸对坝身的结构影响较大, 设计中应注意以下几点:
①泄水孔应尽可能布置在溢流坝段上, 可共用下游的消能设施。
②泄水孔应设置在坝段中部, 不能靠近坝段分缝线或设在分缝线上。
坝身泄水孔可分为进口压力段、 闸门段、 泄流段和消能段等几部分。
( 3) 虹吸溢洪道
虹吸溢洪道是坝顶封闭式的无闸门泄水建筑物。由进口、 上游肢、 喉道、 下游肢、 出口和通气孔、 折流梳组成。

重力坝、 拱坝等混凝土或砌石坝都能够设置坝顶溢洪道和坝身泄水孔, 只有在坝体泄水建筑物无法满足泄洪要求时, 再考虑设置岸边溢洪道或泄洪洞。
土坝和堆石坝一般只能采用岸边溢洪道和泄洪隧洞。特殊条件下能够经过坝顶过水或在坝下埋设泄洪涵管泄洪, 但必须做好土石坝表面的防渗和抗冲。
( 二) 其它泄水建筑物
主要的有岸边溢洪道、 竖井溢洪道和泄洪隧洞。
( 1) 岸边溢洪道大致上可分为进口段、 陡槽段和消能段三部分。进口段一般由引渠、 溢流堰和过渡槽组成, 其作用是引导和控制泄流。陡槽段的任务是将水流从高处输送到低处, 消能段的任务是消散陡槽末端高速水流内的巨大动能, 使水流基本上恢复到筑坝前的自然流态, 与下游衔接。
( 2) 竖井溢洪道, 也是岸边溢洪道的一种 适用于河岸陡峻, 很难布置开敞式泄水陡槽, 能够将导流隧洞变为泄洪洞的水库。
主要由漏斗状进口( 由环堰段和过渡段组成) 、 竖井或斜井【弯管、 泄水隧洞和出口效能工组成。双江口水电站就采用了竖井溢洪道。
( 三) 泄洪隧洞
泄洪隧洞按工作条件可分三种形式:
( 1) 溢洪道式泄洪隧洞, 进口段的型式和水力设计方法和岸边溢洪道相同。
( 2) 泄水孔式泄洪隧洞, 进口段基本上与坝身泄水孔相同, 闸门下游应设大断面的通气孔。
( 3) 压力流泄洪隧洞, 洞身位置低, 工作闸门设在末端。
第三章 引水建筑物
引水建筑物是将水库或河道中水引至用水地点, 以满足灌溉、 航运、 发电等工程的需要。引水建筑物一般由进水口、 明渠、 隧洞或管道等组成, 当引水线路通往厂房供发电用的时候一般还需设置调压设施, 满足水力稳定的需要。
( 1) 当引水建筑物只有进水口和较短的压力管道组成时, 一般这种引水建筑物布置在坝式水电站, 也就是厂房布置在大坝后面。
( 2) 当引水建筑物由进水口、 明渠、 压力前池和明管组成时, 这种引水建筑物一般适合于引水渠式的水电站, 特点在于水头小, 水库库容小。
( 3) 当引水建筑物由进水口, 压力隧洞, 调压室, 压力管道组成时, 这种引水建筑物一般用于压力隧洞式水电站, 特点在于水头大。绰斯甲水电站及是这种引水建筑物。
第一节进水口
( 一) 进水口按水流条件可分为无压进水口和有压进水口两大类。
无压进水口主要特征是: 取河流表面水, 进水口水流具有自由水面, 水流为无压流, 其后一般接无压引水建筑物。引水渠式水电站一般为无压进水口。
有压进水口的主要特征是: 进水口位于水库死水位以下的一定深度, 引进深层水, 水流为有压流, 其后常与有压引水隧洞或压力管道连接, 适用于从水位变化幅度较大的水库中取水。有压进水口也称深式进水口或潜没式进水口。有压引水式水电站和坝后式水电站的进水口大都属于这种类型。
( 二) 按布置和结构型式进水口分为
( 1) 坝式进水口, 适用于坝式水电站
( 2) 竖井式进水口
( 3) 压力墙式进水口
( 4) 塔式进水口
进水口的主要设备为拦污栅( 防止污物进入进水口从而进入压力管和水轮机) , 闸门及启闭机( 闸门分为工作闸门、 事故闸门和检修闸门) , 通气管及旁通管( 通气管作用是在关闭闸门, 压力管道排水时避免发生真空或负压现象, 旁通管作用是闸门上下游水压太大开启闸门困难时往闸门内侧冲水)
第二节压力前池
压力前池是连接明洞和压力管道间的建筑物, 其主要由前室、 进水室、 泄水道和冲砂道等组成, 其作用为
( 1) 当水轮机引用流量突然变化时, 能够起一定的调节作用, 这一点和调压室作用差不多。
( 2) 经过泄水道能够宣泄多余的水量。
第三节引水隧道
按照引水方式分为有压隧洞和无压隧洞
第四节调压室
( 一) 调压室的作用
( 1) 防止水锤作用向引水隧洞扩张;
( 2) 减小压力管道及水轮机内的水锤值
( 3) 改进水轮机在不稳定状态下( 负荷变化时) 的工作条件
( 二) 调压室基本类型
按照结构型式分为简单圆筒式调压室, 阻抗式调压室, 双室式调压室, 溢流式调压室, 差动式调压室和气垫式调压室。
第四节 压力管道
( 一) 作用
压力管道的作用是将从压力前池、 调压室或从水库直接将水流通
过有压状态输送进入水轮机。
( 二) 分类
根据材料可分为钢管、 铸铁管和钢筋混过凝土管, 小型工厂也有采用木质水管的。
根据管道按结构型式可分为明管、 地下埋管以及坝内钢管。
( 三) 布置及结构
压力管道的总布置常取决于水电站的总体布置, 对坝后或坝内式厂房, 一般采用一管一机引水。双江口就是一管一机; 对引水式电站, 一般采用一管多机的引水, 经过岔管。
第四章 结合实际
绰斯甲水电站为压力隧洞式水电站, 首部枢纽布置有泄洪闸、 冲沙闸、 排污闸、 左右岸连接坝段及取水口等建筑物。左右岸连接坝段为混凝土重力坝, 泄水建筑物采用泄洪闸, 引水建筑物由进水口、 引水隧洞、 调压室及压力管道组成, 引水隧洞断面型式为马蹄形和圆形, 调压室型式为阻抗式调压室, 压力管道采用地下埋藏式, 采用一条主管, 经两个卜形岔管分为三条支管向厂房内三台机组供水, 即上述的一管三机。
观音桥水电站推荐选用上坝址, 上坝址枢纽布置为粘土心墙堆石坝+左岸泄洪系统。泄水建筑物布置格局为左岸泄水涵管(兼前期施工导流)+左岸泄洪洞。引水系统位于左岸山体中, 在剖面上采取一坡到底的布置形式, 引水建筑物主要由岸塔式进水口、 引水隧洞、 调压井及压力钢管组成, 因此观音桥水电站与绰斯甲水电站相同, 为压力隧洞式水电站。引水隧道断面型式为圆形, 调压井为埋藏式调压井, 压力管道采用地下埋藏式, 采用一管三机供水方式。
卜寺沟水电站经过《卜寺沟水电站坝址、 坝型、 坝线及枢纽布置选择报告》对比, 推荐选用面板堆石坝, 采用左岸泄洪、 右岸引水、 右岸地面厂房的布置方式。
上寨水电站推荐坝址为下坝址, 代表坝型有两种, 心墙堆石坝和面板堆石坝。对于心墙堆石坝型, 由砾石土心墙堆石坝、 左岸溢洪洞、 左岸引水系统、 左岸地面厂房组成, 泄洪建筑物采用开敞式溢洪洞和深水溢洪洞; 引水建筑物由由进水口、 引水隧洞、 压力管道等建筑物组成, 采用一管三机的布置方式; 进水口型式为岸塔式进水口, 压力管道由上弯段、 斜井段、 下弯段和下平段组成。对于面板堆石坝型, 由面板堆石坝、 左岸溢洪洞、 左岸引水系统和左岸地面厂房组成, 泄洪建筑物和引水建筑物布置与心墙堆石坝相同。