攔河壩建筑物

1、8攔河壩 v81攔河壩的結(jié)構(gòu)形式 v82攔河壩的穩(wěn)定計(jì)算 v83攔河壩的消能防沖 v84攔河壩上下游連接建筑物 v攔河壩又稱壅水壩，是有壩渠首的主要建筑 物，非汛期時(shí)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?yàn)閿r河壩不起 調(diào)節(jié)流量作用，所以壩的高度較低。 v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(hù)坡；10-止水；

2、11-公路橋；12-邊墩 8.1攔河壩的結(jié)構(gòu)形式 R15 20 30 30 8.1.1壩頂高程和溢流壩斷長(zhǎng)度的確定 v壩頂高程和溢流段長(zhǎng)度的確定與許多因素有關(guān)，其 中主要是： v滿足設(shè)計(jì)水位的要求，保證渠道能引取所需的流 量； v考慮上游淤積平衡后上游洪水位不超過(guò)允許的高 程，以免造成過(guò)大的淹沒(méi)損失； v壩頂溢流時(shí)，單寬流量應(yīng)小于下游河道允許的數(shù) 值，以減輕下游消能防沖措施的投資。 v在中小型取水工程中，一般壩頂不設(shè)閘門(mén)。當(dāng)壩頂不設(shè)閘門(mén) 時(shí)，壩頂高程的確定，可根據(jù)引取河道流量的大小，按以下 三種情況分別考慮。 v（1）當(dāng)取水工程引取河道枯水期全部流量時(shí)，溢流壩的設(shè) 計(jì)水位等于取水工程水位再加0

3、.10.3m過(guò)閘水頭損失。這時(shí)， 壩頂高程等于設(shè)計(jì)水位，即： v頂=設(shè) v（2）當(dāng)引水流量較小，實(shí)際引取流量小于河道枯水流量時(shí)， 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(shè)計(jì)高程與上所述相同。 v（3）當(dāng)引水工程引取流量小于河道枯水期流量時(shí)，河道多 余的水量由壩頂下泄，若其溢流水深為 ，這時(shí)壩頂高程 等于設(shè)計(jì)水位減去溢流水深。即： v頂=設(shè)- min H min H 圖8-2 溢流壩壩頂高程與壩前水位關(guān)系圖 （a）壩頂無(wú)溢流；（b）壩頂溢流 v溢流段的長(zhǎng)度L可根據(jù)壩頂泄流量Q及由河床地質(zhì)條 件選定的單寬流量q來(lái)確定，即： v （8-1） v對(duì)于中小型取水工程，因壩較低不

4、起調(diào)洪作用，所 以通過(guò)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(jìn)水閘或電站等建 筑物下泄量Q1，為安全起見(jiàn)，將Q1乘以小于1.0的 利用系數(shù)： v （8-2） v式中： 為天然河道洪水流量，m/s； 為通過(guò)其 他建筑物的下泄流量，m/s；為流量利用系數(shù)。設(shè) 計(jì)情況=0.750.90，校核情況=1.0。 Q L q 1 QQQ 洪 Q洪 1 Q 8.1.2上游回水曲線計(jì)算 v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(méi)的范圍， 必須繪制回水曲線。理論上回水的影響可傳 播到無(wú)窮遠(yuǎn)，但在實(shí)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

5、似法 計(jì)算。 v （8-3） v式中，L為回水曲線水平投影的長(zhǎng)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）。 2 h L i 圖8-3 回水曲線圖 v 在多沙河流上，溢流壩上游游淤積很快，一般 23年即淤平；如遇多沙年，一年內(nèi)可淤平。 壩上游淤平后，河床坡降減緩。實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)度也相應(yīng)延長(zhǎng)，其長(zhǎng)度則為： v (8-5) 2 0.7 h L i 8.1.3溢流壩斷面形式及尺寸的確定 v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。 v頂部曲線段的形狀

6、和尺寸決定著過(guò)壩水流的 流態(tài)和泄流能力； v中間直線段坡度取決于壩體穩(wěn)定和強(qiáng)度要求， 而對(duì)取水工程的低壩(30m以下，多數(shù)在10m 以下)，主要是穩(wěn)定要求； v反弧段尺寸主要由下游消能防沖要求所確定。 v上游壩面取決地基狀況及壩體穩(wěn)定和強(qiáng)度要 求，多數(shù)情況采用鉛直面。 圖8-4 溢流壩剖面 v(一)溢流重力壩的剖面布置 v溢流壩的實(shí)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(shí)用剖面。 v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(qiáng)度與穩(wěn)定 的最小三角形剖面。 v圖8-5(b)是在上游面擴(kuò)大壩的底寬，使壩的剖面加 大，壩

7、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(fēng)化嚴(yán)重基巖，穩(wěn)定不易滿足要求 情況。 v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(guò)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(shè)計(jì)要求。 圖8-5 溢流壩的實(shí)用剖面 v（二）溢流壩剖面形式及其尺寸的確定 v1壩頂曲線段 v溢流面曲線的選擇是剖面設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題 之一。良好的流面曲線應(yīng)具有阻力小，流量 系數(shù)大的特點(diǎn)。采用非真空線型，可避免空 蝕與震動(dòng)且工程量小。 現(xiàn)多采用WES曲線。 vWES曲線具有流量系數(shù)大， =0.502，泄 流平穩(wěn)，震動(dòng)輕微，剖面比克奧曲線瘦窄、 經(jīng)

8、濟(jì)，見(jiàn)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。 m 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 v對(duì)于開(kāi)敞式溢流堰堰頂下游的堰面WES曲線可用下 式表示： v (8-6) v式中： 為定型設(shè)計(jì)水頭；k、n為與上游堰面的傾 斜度有關(guān)的參數(shù)；x、y為以溢流壩堰頂為坐標(biāo)原點(diǎn) 的坐標(biāo)，x以向下游為正，y以向下為 正； ，見(jiàn)圖8-6（a）。 v堰頂上游的堰面曲線： v上游壩面為鉛直面時(shí)，R1、R2、R3等參數(shù)見(jiàn)圖8-7。 1nn xkHy tan/xy H v圖8-7 上游面為鉛直面的堰頂上游段堰面曲線 v堰頂水頭H等于 時(shí)，

9、流量系數(shù) =0.502， 當(dāng)H不等于 時(shí)，流量系數(shù)m可按表8-1推 算。 v表8-1 流量系數(shù)表（ ） H 0 m H HH v2直線段 v直線段的坡度、由壩體穩(wěn)定要求決定，一般 為1:0.71:0.85。 v3反弧段 v直線段的下部與反弧段相切，以便將水流平 順地導(dǎo)入下游。 v反弧半徑R按照上游壩高P和水頭H參照表8-2 確定，當(dāng)壩高P小于10m時(shí)，反弧半徑R可取 0.5P。當(dāng)壩高較低，溢流水頭較高時(shí)，溢流 曲線可能與反弧段直接連接，下游壩坡不設(shè) 置直線段。 表8-2 反弧半徑R值（單位：m） v對(duì)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(yīng)采用梯形剖面。為了 加大流量系數(shù)，常

10、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(guān)，可近似地用下式計(jì)算： v式中 v0行近流速(ms)， v g重力加速度(9.81ms2)； v 壩體材料在水中的相對(duì)密度，漿砌 石1.3，混凝土為1.4。 2 0 0.55()( ) 1 ()( ) 2 bHPHP m v BHPm g 頂寬 底寬 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(shù)較巖基為小， 故壩底寬度B較大，初步擬定時(shí)，可參考表8-3。 8.2攔河壩的穩(wěn)定計(jì)算 v8.2.1地基防滲設(shè)施 v地下輪廓布置的原則是滯滲與導(dǎo)滲相結(jié)合。即擋排 原理：盡量擋住水漏入，但仍然有少部分滲進(jìn)來(lái)，

11、但要盡快將它排走。 v初步擬定地下輪廓的長(zhǎng)度時(shí)，一般采用勃萊建議的 方法，即L=CH，其中L為防滲長(zhǎng)度（m）；C為滲 徑系數(shù)，其數(shù)值與地基土質(zhì)及滲流出口排水條件有 關(guān)。 v然后根據(jù)改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算出地基滲透壓力圖形。 v防滲設(shè)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?yàn)r青 混凝土建造。鋪蓋的防滲系數(shù)應(yīng)較地基土壤的滲透 系數(shù)小100倍以上。鋪蓋的長(zhǎng)度可取為（35）H （H為水頭）。 v排水設(shè)備可將滲水，以減少滲透壓力，增加壩體穩(wěn) 定性。因此，有計(jì)劃地排到下游要求排水設(shè)備應(yīng)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(shè)直徑為12cm的

12、卵石、礫石 或碎石，厚度為0.20.3m。 8.2.2溢流壩穩(wěn)定計(jì)算 v作用在溢流壩上的力及荷載組合如下。 v1作用在溢流壩上的力 v壩體所受的力主要是自重、上下游水壓力(包括水 重)、揚(yáng)壓力和泥沙壓力，一般取單位長(zhǎng)(m)的壩段 來(lái)計(jì)算。 v(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(lái)計(jì)算。 v(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(lái)計(jì)算。 v(3)揚(yáng)壓力。揚(yáng)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 v2荷

13、載組合 v(1)設(shè)計(jì)情況的荷載組合。分擋水和溢流兩種 情況。擋水情況的荷載組合包括自重、設(shè)計(jì) 水位的上下游水壓力、揚(yáng)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(shè) 計(jì)洪水量時(shí)的上下游水壓力、揚(yáng)壓力和泥沙 壓力。 v(2)校核情況的荷載組合。包括自重、宣泄非 常洪水流時(shí)的上、下游水壓力，揚(yáng)壓力和泥 沙壓力。 8.2.3壩體抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算 v驗(yàn)算壩體抗滑穩(wěn)定采用安全系數(shù)法，有以下兩種方 法。 v(1)僅考慮壩底與巖基(或軟基)間的摩擦力時(shí)，穩(wěn)定 (抗剪強(qiáng)度)計(jì)算公式又稱純剪公式為 v式中：Kc為抗滑安全系數(shù)；W為作用于1m寬壩段 上所有垂直力的代數(shù)和，包括自重、水重、泥沙重 和揚(yáng)壓力；P為

14、作用于1m寬壩段上所有水平力的 代數(shù)和，包括上下游水平方向水壓力和泥沙壓力；f 為摩擦系數(shù)，應(yīng)由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。 c fW K P v(2)若考慮壩底與巖基(或軟基)的摩擦力及粘 著力時(shí)，應(yīng)按下列抗剪斷公式驗(yàn)算壩體的抗 滑穩(wěn)定性 v式中：Kc為抗摩安全系數(shù)；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(shù)或 軟基上壩底齒墻間土壤內(nèi)摩擦系數(shù)；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。 c fWc A K P 8.2.4基底壓力驗(yàn)算 v以中型為主取水工程溢流重力壩一般可不作壩體 應(yīng)力分析，而只校核基底壓力即可。主要是驗(yàn)算 壩基上下游邊緣

15、的應(yīng)力，對(duì)于軟基上的壩，還應(yīng) 控制壩底上下游壓應(yīng)力的比值不大于1.53.0， 以免產(chǎn)生過(guò)大的不均勻沉陷。 v溢流壩基底壓應(yīng)力可用偏心受壓公式計(jì)算： v式中：W為所有荷載（外力）對(duì)于壩底截面形 心的力矩代數(shù)和；為地基允許壓應(yīng)力；B為溢 流壩頂凈寬。 2 6 y WW BB 8.3攔河壩的消能防沖 v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(dòng)能，二是保證河床及河岸不受水流剩 余動(dòng)能的沖刷。 v在軟基上普遍采用底流式消能。 v建筑在巖基上水頭較大的溢流壩，則采用挑 流消能。 v下面著重介紹底流式和挑流式消能。 8.3.1底流式消能 v底流消能是在壩趾以下

16、設(shè)置消力池，或輔以 其他輔助消能設(shè)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(zhì)情況，但由 于其工程量較大，多用于中、低壩和地質(zhì)條 件差的軟基。 v消力池的設(shè)計(jì)主要是計(jì)算確定消力池的深度、 長(zhǎng)度和底板的厚度。 圖8-10 挖深式消力池深度計(jì)算 0 0.250.25 2 2 11 3 22 2 32 0 2 22 222 8 111 81 22 0 2 22 cs cc c c cc sc dhhz hhbbaq hFr ghbb aq hT h g aqaq z ghgh 挖深式消力池。消力池的池深d應(yīng)滿足下列條件 v（二）消力池長(zhǎng)度計(jì)算 v消力

17、池長(zhǎng)度包括斜坡段的水平投影長(zhǎng)度和平 底段長(zhǎng)度兩部分： v式中： 為消力池長(zhǎng)度，m； 為消力池斜 坡段水平投影長(zhǎng)度； 為水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)， 可采用0.70.8； 為自由水躍長(zhǎng)度，m。 6.9() sjsj jcc LLL Lhh sj L s L j L v（三）護(hù)坦厚度計(jì)算 v消力池底板厚度應(yīng)根據(jù)抗沖和抗浮的穩(wěn)定性 分別計(jì)算 v按抗沖要求時(shí)： v式中：t為消力池底板始端厚度，m； v 為閘孔泄水時(shí)的上、下游水位差，m； v 為消力池底板計(jì)算系數(shù)，可采用 0.150.20，q為消力池進(jìn)口處的單寬流量， m/(sm)。 1 tkqH H 1 k v按抗浮要求時(shí)： v式中： 為消力池底板安全系數(shù)，可

18、采用1.11.3； U為作用在消力池底板底面的揚(yáng)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(dòng)壓力， ， 為消力池底板 的飽和重度。 v護(hù)坦的厚度應(yīng)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。 2 m b UWP tk 2 k kPa kPa b m P kPa 8.3.2挑流式消能 v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(duì)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(yuǎn)的河床中形成沖 刷坑，待沖刷穩(wěn)定后形成較厚水墊，對(duì)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 22 11112 1 sincoscossin2 ( tan LLL Lvvvg hh g LT 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，一般做成小圓弧，半徑r在0.120.08m。 8.4攔河壩上下游連接建筑物 v8.4.1海漫 v水流在水躍的躍后段內(nèi)，底流流速較大，紊動(dòng)強(qiáng)度 也比均勻紊流為高，對(duì)河床仍具有較大的沖刷能力。 所以除河床巖質(zhì)較好，足以抵抗沖刷者外，一般在 護(hù)坦后還需要設(shè)置較為簡(jiǎn)易的河床保護(hù)段，稱為海 漫。 v海漫的長(zhǎng)度主