水工建筑物IP课件PPT第4讲

底流消能
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， 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。
底流消能
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。 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 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70%～80%。
面流消能
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 求的情况。一般不需要作护坦。
消力戽消能
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 高速的主流挑至水面。
消力戽消能
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 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 弧半径、戽坎高度和挑射角度。
挑流消能
鼻坎挑射角度一般为 20 ~ 25 ；鼻坎 反弧半径一般采用 R (8 ~ 10)h ， h 为鼻坎 上水深。鼻坎坎顶高程应高出下游水位， 一般以1～2m为宜。 水舌挑射距离按水舌外缘计算为：
1 2 2 L v1 sin cos v1 cos v1 sin 2 2 g (h1 h2 ) g
宽缝重力坝 优点：
扬压力小； 便于混凝土散热； 坝体工程量省 10%~20%。
缺点：
施工模板用量多。
空腹重力坝
优点：
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 混凝土方量20%左右； 减少了坝基开挖量； 坝体前、后腿嵌固于岩体内，有 利于坝体的稳定； 前、后腿应力分布均匀，坝踵压 应力较大； 便于混凝土散热； 坝体施工可不设纵缝； 便于监测和维修。
软弱夹层的处理 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； 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； 在坝趾下游侧岩体内采用预应力锚索以 加大岩体的抗力。
溶洞的处理 危害：漏水、降低基岩的承载能力。
方法：主要是开挖、回填和灌浆等办
法的配合应用。
缺点：
施工复杂； 钢筋用量大； 如在空腔内布 置水电站厂房， 施工干扰大。
碾压混凝土重力坝优点
工艺程序简单,可快速施工,缩短工期,提前发挥效益； 胶凝材料用量少,一般在120～160kg/m3之间，其中水
泥约为60～90kg/m3； 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； 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； 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。 降低工程造价。
和透水层的深度确定。深入不透水层3~5m 或0.3~0.7倍的坝前水头范围内。
断层破碎带的处理 危害：强度低，弹模小,可能使坝基产
生不均匀沉陷。或使坝底的渗透压力加 大，甚至产生管涌。
方法：主要是开挖、回填混凝土---混
凝土塞。
软弱夹层的处理 在坝踵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， 施工方便，工程不大，且有利于坝基防渗； 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；泄水建筑物常见的空蚀部位
水流脉动对建筑物的影响
引起结构的振动，甚至产生共振现 象。
脉动压强大时，计算结构荷载时应 考虑。
脉动可使负压增大，从而增大了发 生空蚀的可能性。
掺气和冲出波的影响
掺气：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 该考虑其影响。
冲击波：影响溢流面上水流的流态。
坝体混凝土分区
满足坝体各部位的不同要求，省水泥及
工程费用。
坝体各区对混凝土性能的要求
分 强 抗 抗 抗 抗 低 最大水 选择各区宽度的 区 度 渗 冻 冲 侵 热 灰比 主要因素 严寒 温和 刷 蚀
和寒 地 区 冷地 区 0.60 0.65 施 工、 冰 冻 深 度 0.58 0.55 冰 冻 深 度、 抗 渗、 施 工 0.55 0.60 抗 渗 、抗 裂 、 施 工 0.55 0.60 抗裂 0.70 0.70 0.50 0.50 抗冲耐磨
D100
寒 冷 气 候 条 件 校核洪水位 （最冷月月平均 气 温 在 -3~-10 ℃ 地震情况 之间）
D150 D100
D200 D150 D50
纵缝的形式
铅直缝
错缝
斜缝 通仓浇筑
坝内廊道系统
灌浆、排水、观测、检查和交通需要。
重力坝的地基处理
地基处理的主要任务 坝基的开挖与清理 坝基的固结灌浆 帷幕灌浆 坝基排水 断层破碎带的处理 软弱夹层的处理 溶洞的处理
第四讲
消能工的设计原则
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； 不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部 冲刷； 下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物 的正常运行； 结构简单，工作可靠； 工程量小。
消能工的形式
消能工的形式
底流消能 挑流消能 面流消能 消力戽
重力坝深式泄水孔的作用
预泄库水，增大水库的调蓄能力； 放空水库以便检修大坝； 排放泥沙，减小水库淤积； 随时向下游放水，满足航运或灌溉要求； 施工导流。
避免折冲水流的措施
在枢纽布置上，尽量使溢流坝下泄水流
与原河床主流的位置和方向一致； 规定闸门操作程序，使各孔闸门同时均 匀开启，或对称开启； 布置导流墙，使主流充分扩散； 进行水工模型试验，研究下游流态及改 善措施。
地基处理的主要任务 防渗 提高基岩的强度和整体性
坝基开挖与处理 • 规范规定：
凡100m以上的高坝须建在新鲜、微 风化或弱风化下部基岩上；100~50m的 坝可建在微风化至弱风化中部基岩上； 坝高小于50m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 的坝段，其利用基岩的标准可比河床部 位适当放宽。
坝基的固结灌浆
目的：提高基岩的整体性和强度，降
低地基的透水性。
布置：梅花型，坝踵
和坝趾附近及节理裂隙 发育和破坏带范围内。
坝基的帷幕灌浆
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。
深度：据基岩的透水性，坝体承受的水头 规范：岩体相对隔水层的透水率（q)
坝高在100m以上， q为1~3lu； 坝高在100m~50m之间， q为3~5lu； 坝高在50m以下， q为5lu。
注：表中 H 为水头 (m)； J 为渗透坡降
抗渗标号 S2 S4 S6 S8 S4 S6 S8
混凝土抗冻标号的最小允许值
水位涨落区的外部混凝土 工作条件 气候条件 结构类别 冻融循环总次数 ≤50 ≥50 D200 D250 D150 D200 水位涨落区 以上的外部 混凝土
严 寒 气 候 条 件 钢筋混凝土 （最冷月月平均 气温低于-10℃） 混凝土
挑流消能
冲坑深度的估算公式：
t K kq0.5 H 0.25
t K ━水垫厚度，自水面算至坑底； 式中： q ━单宽流量； H ━上、下游水位差； k ━冲坑系数。
底流消能
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 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。
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
+ + ++ ++ ++ ++
+ ++ + + -
++ ++ + + + ++
++
+ + + ++
+ + + ++ ++ +
混凝土抗渗标号的最小允许值
项次 1 2 结构类型及运用条件 大体积混凝土结构的下游面及建筑物内部 大体积混凝土结构的挡水面 H<30 防渗层混凝土 H=30~70 H>70 3 J<10 混凝土及钢筋混凝土结构构 件 （其背水面能自由渗水者） J=10~30 J>30
底流消能
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70%～80%。 消力池的深度： d h h 式中：h ━跃后共轭水深； h ━下游水深； ━淹没度。
面流消能
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 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。
泄水重力坝设计中高速水流的问题
• 空化和空蚀 • 掺气 • 水流脉动 • 冲击波
空化和空蚀
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 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 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 （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 面遭受破坏，这种现象称为空蚀。
挑流消能
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 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 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
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， 确定鼻坎高程、反弧半径、挑角，计算挑距 和下游冲刷坑深度。