水工建筑物IP课件PPT第4讲.ppt

第四讲第四讲消能工消能工的设计原则的设计原则v尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上；部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上；v不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；刷；v下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物的下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行；正常运行；v结构简单，工作可靠；结构简单，工作可靠；v工程量小工程量小消能工消能工的形式的形式挑流消能挑流消能 是在泄水重力坝坝趾处设置挑流坎，把高速是在泄水重力坝坝趾处设置挑流坎，把高速水流挑射到下游空中，然后扩散的掺气水流跌落水流挑射到下游空中，然后扩散的掺气水流跌落到坝下游河道内，在尾水水深中发生漩涡、冲击、到坝下游河道内，在尾水水深中发生漩涡、冲击、掺搅、紊动、扩散、剪切，以消除能量跌落的掺搅、紊动、扩散、剪切，以消除能量跌落的水流冲刷河床，形成冲刷坑，在冲刷坑中水流继水流冲刷河床，形成冲刷坑，在冲刷坑中水流继续消能挑流消能挑流消能 一般适用于坚硬岩基上的高、中坝一般适用于坚硬岩基上的高、中坝。

挑流消能设计的主要内容有：选择鼻坎形式，挑流消能设计的主要内容有：选择鼻坎形式，确定鼻坎高程、反弧半径、挑角，计算挑距确定鼻坎高程、反弧半径、挑角，计算挑距和下游冲刷坑深度和下游冲刷坑深度　　鼻坎挑射角度一般为　　　　；鼻坎　　鼻坎挑射角度一般为　　　　；鼻坎反弧半径一般采用　　　　　，　为鼻坎反弧半径一般采用　　　　　，　为鼻坎上水深鼻坎坎顶高程应高出下游水位，上水深鼻坎坎顶高程应高出下游水位，一般以一般以1 1～～2m2m为宜　　水舌挑射距离按水舌外缘计算为：　　水舌挑射距离按水舌外缘计算为：挑流消能挑流消能 冲坑深度的估算公式：冲坑深度的估算公式： 式中：式中： ━ ━水垫厚度，自水面算至坑底；水垫厚度，自水面算至坑底； ━ ━单宽流量；单宽流量； ━ ━上、下游水位差；上、下游水位差； ━ ━冲坑系数冲坑系数挑流消能挑流消能底流消能底流消能 是通过水跃，将泄水建筑物泄出的急流转变是通过水跃，将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除多余动能的消能方式消能主要为缓流，以消除多余动能的消能方式。

消能主要靠水跃产生的表面旋滚与底部主流间的强烈紊动、靠水跃产生的表面旋滚与底部主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用剪切和掺混作用底流消能底流消能　　具有流态稳定、消能效果较好，对地质条件　　具有流态稳定、消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，可适应高、中、低水头但护坦较长，土石方开可适应高、中、低水头但护坦较长，土石方开挖量和混凝土方量较大，工程造价较高挖量和混凝土方量较大，工程造价较高底流消能底流消能　　既适用于坚硬岩基，也适用于较软弱或节理既适用于坚硬岩基，也适用于较软弱或节理裂隙较为发育的岩基裂隙较为发育的岩基 底流消能设计是在给定的泄流量和相应的上、底流消能设计是在给定的泄流量和相应的上、下游水位条件下，选定合适的护坦高程和护坦长下游水位条件下，选定合适的护坦高程和护坦长度消力池的长度取决于水跃长度，一般为平底度消力池的长度取决于水跃长度，一般为平底自由水跃长度的自由水跃长度的70%70%～～80%80%底流消能底流消能 消力池的长度取决于水跃长度，一般为平底消力池的长度取决于水跃长度，一般为平底自由水跃长度的自由水跃长度的70%70%～～80%80%。

消力池的深度：消力池的深度：式中：式中： ━━跃后共轭水深；跃后共轭水深； ━━下游水深；下游水深； ━━淹没度面流消能面流消能　　利用鼻坎将主流挑至水面，在主流下利用鼻坎将主流挑至水面，在主流下面形成旋滚，旋滚流速较低，而且系沿河面形成旋滚，旋滚流速较低，而且系沿河床流向坝趾，河床一般不需加固，但需注床流向坝趾，河床一般不需加固，但需注意防止水滚裹挟石块，磨蚀坝脚地基意防止水滚裹挟石块，磨蚀坝脚地基面流消能面流消能　　适用于下游尾水较深，流量变化范围适用于下游尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅不大，或有排冰、漂木要较小，水位变幅不大，或有排冰、漂木要求的情况一般不需要作护坦求的情况一般不需要作护坦消力戽消能消力戽消能 　挑流鼻坎潜没在水下，形不成自由挑流鼻坎潜没在水下，形不成自由水舌，水流在戽内产生旋涡，经鼻坎将水舌，水流在戽内产生旋涡，经鼻坎将高速的主流挑至水面高速的主流挑至水面消力戽消能消力戽消能　　适用于尾水较深，流量变化范围较适用于尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅不大，或有排冰、漂木要小，水位变幅不大，或有排冰、漂木要求的情况。

一般不需要作护坦求的情况一般不需要作护坦　　消力戽设计的主要内容是：确定反　　消力戽设计的主要内容是：确定反弧半径、戽坎高度和挑射角度弧半径、戽坎高度和挑射角度泄水重力坝设计中高速水流的问题泄水重力坝设计中高速水流的问题•空化和空蚀空化和空蚀•掺气掺气•水流脉动水流脉动•冲击波冲击波空化和空蚀空化和空蚀 在自然条件下，水体中含有许多很小的气核，在自然条件下，水体中含有许多很小的气核，当过坝水流中某点的压力降至饱和蒸汽压强，气核当过坝水流中某点的压力降至饱和蒸汽压强，气核迅速膨胀为小空泡，这种现象称为空化迅速膨胀为小空泡，这种现象称为空化 当低压区的空化水流流经下游高压区时，空当低压区的空化水流流经下游高压区时，空泡遭受压缩而溃灭，由于溃灭时间极为短暂（一般泡遭受压缩而溃灭，由于溃灭时间极为短暂（一般只有千分之几秒），会产生一个很高的局部冲击力只有千分之几秒），会产生一个很高的局部冲击力（可达几千个大气压）若空泡溃灭发生在靠近过（可达几千个大气压）若空泡溃灭发生在靠近过水坝面，局部冲击力大于材料的内聚力时，可使坝水坝面，局部冲击力大于材料的内聚力时，可使坝面遭受破坏，这种现象称为空蚀。

面遭受破坏，这种现象称为空蚀泄水建筑物常见的空蚀部位泄水建筑物常见的空蚀部位水流脉动对建筑物的影响水流脉动对建筑物的影响u引起结构的振动，甚至产生共振现引起结构的振动，甚至产生共振现象u脉动压强大时，计算结构荷载时应脉动压强大时，计算结构荷载时应考虑u脉动可使负压增大，从而增大了发脉动可使负压增大，从而增大了发生空蚀的可能性生空蚀的可能性掺气和冲出波的影响掺气和冲出波的影响掺气掺气：使水深增大，在确定溢流坝边：使水深增大，在确定溢流坝边墙高度和无压深式泄水孔的高度时应墙高度和无压深式泄水孔的高度时应该考虑其影响该考虑其影响冲击波冲击波：影响：影响溢流面上溢流面上水流的流态水流的流态重力坝重力坝深式泄水孔深式泄水孔的作用的作用Ø预泄库水，增大水库的调蓄能力；预泄库水，增大水库的调蓄能力；Ø放空水库以便检修大坝；放空水库以便检修大坝；Ø排放泥沙，减小水库淤积；排放泥沙，减小水库淤积；Ø随时向下游放水，满足航运或灌溉要求；随时向下游放水，满足航运或灌溉要求；Ø施工导流施工导流避免折冲水流避免折冲水流的措施的措施v在在枢纽布置上，尽量使溢流坝下泄水流枢纽布置上，尽量使溢流坝下泄水流与原河床主流的位置和方向一致；与原河床主流的位置和方向一致；v规定闸门操作程序，使各孔闸门同时均规定闸门操作程序，使各孔闸门同时均匀开启，或对称开启；匀开启，或对称开启；v布置导流墙，使主流充分扩散；布置导流墙，使主流充分扩散；v进行水工模型试验，研究下游流态及改进行水工模型试验，研究下游流态及改善措施。

善措施坝体混凝土分区坝体混凝土分区Ø满足坝体各部位的不同要求，省水泥及满足坝体各部位的不同要求，省水泥及工程费用工程费用坝体各区对混凝土性能的要求坝体各区对混凝土性能的要求混凝土抗渗标号的最小允许值混凝土抗渗标号的最小允许值混凝土抗冻标号的最小允许值混凝土抗冻标号的最小允许值纵缝的形式纵缝的形式l铅直缝铅直缝l错缝错缝l斜缝斜缝l通仓浇筑通仓浇筑坝内廊道系统坝内廊道系统Ø灌浆、排水、观测、检查和交通需要灌浆、排水、观测、检查和交通需要重力坝的地基处理重力坝的地基处理Ø地基处理的主要任务地基处理的主要任务Ø坝基的开挖与清理坝基的开挖与清理Ø坝基的固结灌浆坝基的固结灌浆Ø帷幕灌浆帷幕灌浆Ø坝基排水坝基排水Ø断层破碎带的处理断层破碎带的处理Ø软弱夹层的处理软弱夹层的处理Ø溶洞的处理溶洞的处理地基处理的主要任务地基处理的主要任务Ø防防渗渗Ø提高基岩的强度和整体性提高基岩的强度和整体性坝基开挖与处理坝基开挖与处理•规范规定：规范规定： 凡凡100m以上的高坝须建在新鲜、微以上的高坝须建在新鲜、微风化或弱风化下部基岩上；风化或弱风化下部基岩上；100~50m的的坝可建在微风化至弱风化中部基岩上；坝坝可建在微风化至弱风化中部基岩上；坝高小于高小于50m时可建在弱风化层中部或下时可建在弱风化层中部或下部基岩上；同一工程中两岸较高部位的坝部基岩上；同一工程中两岸较高部位的坝段，其利用基岩的标准可比河床部位适当段，其利用基岩的标准可比河床部位适当放宽。

放宽坝基的固结灌浆坝基的固结灌浆Ø目的：提高基岩的整体性和强度，降目的：提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性低地基的透水性Ø布置：梅花型，坝踵和布置：梅花型，坝踵和坝趾附近及节理裂隙发坝趾附近及节理裂隙发育和破坏带范围内育和破坏带范围内坝基的帷幕灌浆坝基的帷幕灌浆Ø目的：降低坝底渗透压力，防止坝基内产生目的：降低坝底渗透压力，防止坝基内产生机械或化学管涌，减少坝基渗流量机械或化学管涌，减少坝基渗流量Ø规范：岩体相对隔水层的透水率（规范：岩体相对隔水层的透水率（q)坝高在坝高在100m以上，以上， q为为1~3lu；；坝高在坝高在100m~50m之间，之间， q为为3~5lu；；坝高在坝高在50m以下，以下， q为为5luØ深度：据基岩的透水性，坝体承受的水头和深度：据基岩的透水性，坝体承受的水头和透水层的深度确定深入不透水层透水层的深度确定深入不透水层3~5m或或0.3~0.7倍的坝前水头范围内倍的坝前水头范围内断层破碎带的处理断层破碎带的处理Ø危害：强度低，弹模小危害：强度低，弹模小,可能使坝基产可能使坝基产生不均匀沉陷或使坝底的渗透压力加生不均匀沉陷或使坝底的渗透压力加大，甚至产生管涌。

大，甚至产生管涌Ø方法：主要是开挖、回填混凝土方法：主要是开挖、回填混凝土---混混凝土塞软弱夹层的处理软弱夹层的处理Ø在坝踵在坝踵部位做混凝土深齿墙，切断软弱夹部位做混凝土深齿墙，切断软弱夹层直达完整基岩，当夹层埋藏较浅时，施层直达完整基岩，当夹层埋藏较浅时，施工方便，工程不大，且有利于坝基防渗；工方便，工程不大，且有利于坝基防渗；Ø对埋藏较深、较厚、倾角平缓的软弱夹层，对埋藏较深、较厚、倾角平缓的软弱夹层，可在夹层内设置混凝土塞；可在夹层内设置混凝土塞；软弱夹层的处理软弱夹层的处理Ø在坝趾处建混凝土深齿墙，切断软弱夹在坝趾处建混凝土深齿墙，切断软弱夹层直到完整基岩，以加大尾岩抗力；层直到完整基岩，以加大尾岩抗力；Ø在坝趾下游侧岩体内设钢筋混凝土抗滑在坝趾下游侧岩体内设钢筋混凝土抗滑桩，切断软弱夹层直达完整基岩；桩，切断软弱夹层直达完整基岩；Ø在坝趾下游侧岩体内采用预应力锚索以在坝趾下游侧岩体内采用预应力锚索以加大岩体的抗力加大岩体的抗力溶洞的处理溶洞的处理Ø危害：漏水、降低基岩的承载能力危害：漏水、降低基岩的承载能力Ø方法：主要是开挖、回填和灌浆等办方法：主要是开挖、回填和灌浆等办法的配合应用。

法的配合应用宽缝重力坝宽缝重力坝v优点：优点：u扬压力小；扬压力小；u便于混凝土散热；便于混凝土散热；u坝体工程量省坝体工程量省10%~20%v缺点：缺点：施工模板用量多施工模板用量多空腹重力坝空腹重力坝v优点：优点：优点：优点：u由于空腔下部不设底板，减小了由于空腔下部不设底板，减小了由于空腔下部不设底板，减小了由于空腔下部不设底板，减小了坝底面上的扬压力，可节省坝体坝底面上的扬压力，可节省坝体坝底面上的扬压力，可节省坝体坝底面上的扬压力，可节省坝体混凝土方量混凝土方量混凝土方量混凝土方量20%20%左右；左右；左右；左右；u减少了坝基开挖量；减少了坝基开挖量；减少了坝基开挖量；减少了坝基开挖量；u坝体前、后腿嵌固于岩体内，有坝体前、后腿嵌固于岩体内，有坝体前、后腿嵌固于岩体内，有坝体前、后腿嵌固于岩体内，有利于坝体的稳定；利于坝体的稳定；利于坝体的稳定；利于坝体的稳定；u前、后腿应力分布均匀，坝踵压前、后腿应力分布均匀，坝踵压前、后腿应力分布均匀，坝踵压前、后腿应力分布均匀，坝踵压应力较大；应力较大；应力较大；应力较大；u便于混凝土散热；便于混凝土散热；便于混凝土散热；便于混凝土散热；u坝体施工可不设纵缝；坝体施工可不设纵缝；坝体施工可不设纵缝；坝体施工可不设纵缝；u便于监测和维修。

便于监测和维修便于监测和维修便于监测和维修v缺点：缺点：缺点：缺点：u施工复杂；施工复杂；施工复杂；施工复杂；u钢筋用量大；钢筋用量大；钢筋用量大；钢筋用量大；u如在空腔内布如在空腔内布如在空腔内布如在空腔内布置水电站厂房，置水电站厂房，置水电站厂房，置水电站厂房，施工干扰大施工干扰大施工干扰大施工干扰大碾压混凝土重力坝优点碾压混凝土重力坝优点u工艺程序简单工艺程序简单, ,可快速施工可快速施工, ,缩短工期缩短工期, ,提前发挥效益；提前发挥效益；u胶凝材料用量少胶凝材料用量少, ,一般在一般在120120～～160kg/m160kg/m3 3之间，其中水泥之间，其中水泥约为约为6060～～90kg/m90kg/m3 3；；u由于水泥用量少，结合薄层大仓面浇筑，坝体内部混由于水泥用量少，结合薄层大仓面浇筑，坝体内部混凝土的水化热温升可大大降低，简化了温控措施；凝土的水化热温升可大大降低，简化了温控措施；u不设纵缝，节省了模板和接缝灌浆等费用，有的甚至不设纵缝，节省了模板和接缝灌浆等费用，有的甚至整体浇筑不设横缝；整体浇筑不设横缝；u可使用大型通用施工机械设备，提高混凝土运输和填可使用大型通用施工机械设备，提高混凝土运输和填筑不设横缝。

筑不设横缝u降低工程造价降低工程造价。