水利枢纽的建设阶段及设计内容10.pptx

（3）可行性研究是在项目建议书的基础上，通过勘测、调研等，对拟建项目技术上是否安全可行、经济上是否合理进行科学的分析论证，并提交可行性研究报告和设计任务书，作为项目决策、筹措资金、初步设计等工作的基础和依据。（4）工程设计是在可行性研究报告批准后，项目法人选择有相应资质的勘测设计单位，以设计任务书为依据，对项目进行勘测设计，并提出全部设计文件。（5）初步设计完成后，即可进行施工场地、水、电、路的施工，并同时进行设备采购、主体工程施工招标等准备工作。当准备工作就绪，并经主管部门批准后方可开工兴建。开工后，承包单位应严格第一节水利枢纽的建设阶段及设计内容第一节水利枢纽的建设阶段及设计内容第九章 水 利 枢 纽第1页/共114页按承包合同和设计要求施工，确保工程质量，按时完成施工任务。（6）在施工过程中，项目法人应根据工程进度，进行生产组织、员工培训、生产技术、生产物资等准备工作，为竣工投产创造条件。（7）竣工验收是在工程试运行且达到设计标准后，由主管部门对其进行全面的检查和考核，满足各项要求后，办理移交手续，交付使用。（8）后评价是工程项目交付使用一段时间内，对项目立项决策、设计、施工、竣工验收、生产运行等全过程进行系统评估。其评价内容包括影响评价、经济效益评价、过程评价等。第一节水利枢纽的建设阶段及设计内容第一节水利枢纽的建设阶段及设计内容第九章 水 利 枢 纽第2页/共114页二、水利水电工程设计的任务和内容二、水利水电工程设计的任务和内容工程设计是在设计任务书的基础上，根据任务要求和工作深度，开展工作。在我国，一般水利工程设计可分为初步设计和施工详图设计两个阶段。对较重要的大型工程，因技术条件复杂，常增加技术设计阶段。有时为了尽早开工，提前发挥工程效益，可将技术设计和施工详图设计合并在一个阶段进行，称技施设计。一般情况下，各设计阶段的设计任务和内容如下：(1)初步设计 初步设计的主要任务是：在可行性研究报告和设计任务书的基础上，论证本工程及主要建筑物的等级；选定合理的坝址、枢纽总体布置、主要建筑物型式和控制性尺寸；选择水库的各种特征水位；选择电站的装机容量、电气主结线方式及主要第一节水利枢纽的建设阶段及设计内容第一节水利枢纽的建设阶段及设计内容第九章 水 利 枢 纽第3页/共114页机电设备；提出水库移民安置规划；选择施工导流方案和进行施工组织设计；提出工程总概算；进行技术经济分析和阐明工程效益。该阶段的工作内容和深度可参阅水利水电工程初步设计报告编制规程。(2)技术设计 对重要的或技术条件复杂的大型工程，在初步设计后，需增加技术设计。其主要任务是：在更深入细致地调查、勘测和试验研究的基础上，加深初步设计的工作，解决初步设计尚未解决或未完善的具体问题，确定或改进技术方案，编制修正概算。技术设计的项目内容同初步设计，只是更为深入详尽。审批后的技术设计文件和修正概算是建设工程拨款和施工详图设计的依据。(3)施工详图设计 其主要任务是：以经过批准第一节水利枢纽的建设阶段及设计内容第一节水利枢纽的建设阶段及设计内容第九章 水 利 枢 纽第4页/共114页的初步设计或技术设计为依据，确定地基处理方案，进行处理措施设计；对各建筑物进行结构及细部构造设计，并绘制施工详图；进行施工总体布置及确定施工方法，编制施工进度计划和施工图预算等。施工详图是施工的依据；施工图预算是工程承包或工程结算的依据。水利工程的兴建必须遵循先勘测、再设计、后施工的建设程序。在规划、设计工作之前应进行必需的调查和勘测，以便为设计提供准确、可靠的依据，确保设计和施工的顺利进行。勘测调查工作的内容、范围和精度与工程规模、自然条件的复杂程度以及设计阶段相对应，随着设计阶段的深入，勘测工作也应逐步深入，以勘测资料的精度及范围能满足不同设计阶段的要求为准则。第一节水利枢纽的建设阶段及设计内容第一节水利枢纽的建设阶段及设计内容第九章 水 利 枢 纽第5页/共114页 蓄水枢纽设计的主要内容有坝址、坝型选择和枢纽布置等。坝址、坝型选择和枢纽布置共同受所在河流(区域)的社会经济和自然条件的制约。一、坝址与坝型选择一、坝址与坝型选择 坝址和坝型的选择工作贯穿在各设计阶段之中，并且是逐步深入的。在可行性研究阶段，一般是根据开发任务的要求和地形、地质及施工等条件，初选几个可能筑坝的地段和若干条有代表性的坝轴线，通过枢纽布置进行综合比较，选择其中最有利的地段和相应较好的坝轴线，提出推荐坝址。并在推荐坝址上进行枢纽布置，通过方案比较，初选基本坝型(重力坝、拱坝、土石坝)和初选枢纽布置方式。在初步设计阶段，根据掌握的地质资料，通过技术经济比较，选定最合理的坝轴线，确定坝型及第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第6页/共114页其它建筑物的型式和主要尺寸，进行枢纽布置。在施工详图阶段，随着地质资料和试验资料的进一步深入和完善，对已确定的坝轴线、坝型和枢纽布置做最后的修改和定案。坝址、坝型选择和枢纽布置关系密切，不同的坝轴线可选用不同的坝型和枢纽布置；对同一条坝轴线，也可采用几种坝型和枢纽布置方案。在优选坝址、坝型时，一般应考虑以下几个因素：(1)地质条件 地质条件是建库建坝的基础；是衡量坝址优劣的重要条件之一，在某种程度上决定着枢纽工程的结构和投资。在选择坝址、坝型阶段，应摸清各比较方案的区域、库区和建筑物区的地质情况。坚硬完整、无构造缺陷的岩基是最理想的坝基。但天然地基总会存在地质缺陷，可通过妥善的第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第7页/共114页地基处理措施使其达到筑坝的要求。在该阶段作为宏观决策，关键是：不能疏漏重大地质问题；对重大地质问题要有正确的定性判断，以便决定坝址的取舍或定出防护处理的措施，或在坝型选择和枢纽布置上设法适应坝址的地质条件。一般情况下，拱坝对两岸坝基地质条件要求较高，重力坝或支墩坝次之，土石坝要求最低；高坝要求较严格，低坝要求较低。坝址选择还必须对区域地质稳定性及库区的渗漏、库岸塌滑、岸坡及山体稳定等地质条件做出评价。(2)地形条件 坝址地形条件必须满足开发任务对枢纽布置的要求。一般说，坝址河谷狭窄，坝轴线短，坝体工程量较小，但河谷太窄则不利于泄水建筑物、发电建筑物、施工导流及施工场地的布置，第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第8页/共114页是否经济应根据枢纽总造价来衡量；通常，河谷两岸有适宜的高度和必需的挡水前缘宽度时，则对枢纽布置有利；对于多泥沙河流及有漂木要求的河道，应注意坝址位置对取水、防沙及漂木是否有利；对于通航河道，还应考虑通航建筑的布置；对坝址上游，希望河谷开阔，争取在淹没损失较小的情况下获得较大库容。坝址地形条件还应与坝型相互适应，拱坝要求河谷窄狭；土石坝要求河谷宽阔、岸坡平缓、坝址附近或库区内有高程合适的天然山垭口，可供布置河岸式溢洪道，以及坝址附近有开阔的地形，便于布置施工场地。第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第9页/共114页(3)建筑材料 坝址附近应有数量足够、质量符合要求的建筑材料，应便于开采、运输，且施工期间料场不会被淹没。(4)施工条件 坝址和坝型选择要考虑易于施工导流，施工交通运输、能源供应及便于布置施工场地。(5)综合效益及环境影响 对不同坝址要综合考虑防洪、灌溉、发电、通航、过木、城市和工业用水、渔业以及旅游等各部门的经济效益，并考虑兴建水库后，原来的陆相地表和河流型水域变为湖泊型水域，改变了地区自然景观，对自然生态和社会经济产生多方面的环境影响。其有利的是发展了水电、灌溉、供水、养殖、旅游等水利事业和消除了洪水灾害、改善气候条件等。但是，也会带来淹没第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第10页/共114页损失、浸没损失、土壤沼泽化、水库淤积、诱发地震、生态平衡受到破坏以及造成下游冲刷、河床演变等等不利影响。虽然水库对环境的不利影响与其社会、经济效益相比是次要的，但处理不当也能造成严重的后果，故在进行水利规则和坝址选择时，必须进行认真研究。二、枢纽布置二、枢纽布置 拦河筑坝以形成水库是蓄水枢纽的主要特征。其枢纽组成除拦河坝和泄水建筑物外，还包括输水建筑物、水电站建筑物和过坝建筑物等。枢纽布置主要是研究和确定枢纽中各水工建筑物的相互位置，其涉及泄洪、发电、通航、导流等各项任务，并与第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第11页/共114页坝址、坝型密切相关，应统筹兼顾，认真分析，全面安排，最后通过综合比较，从若干个比较方案中选优。枢纽布置的一般原则如下：(1)枢纽布置应满足各建筑物在布置上的要求，并应避免运行时相互干扰，确保各建筑物在任何工作条件下都能正常工作。(2)枢纽布置应同时考虑合理选择施工导流的方式、施工程序和标准，合理选择主要建筑物的施工方法。工程实践证明，在某种情况下，配合得当不仅能方便施工，还能使部分建筑物提前发挥效益(提前蓄水、发电等)。(3)枢纽布置应做到在满足安全和运用管理要求的前提下，尽量降低枢纽总造价和年运第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第12页/共114页行费用；如有可能，应考虑使一个建筑物能发挥多种作用；应对枢纽建筑物进行优化设计或采用先进的技术、工艺和材料。例如，结合实际条件尽量选用双曲拱坝、堆石面板坝、碾压混凝土坝等新坝型。(4)枢纽布置应与周围自然环境相协调，因地制宜地将人工环境和自然环境有机地结合起来，创造出一个完美的、多功能的宜人环境。三、枢纽布置方案的选定三、枢纽布置方案的选定 水利枢纽设计最后需通过论证比较，从若干个枢纽布置方案中选出一个最优方案。最优方案应该是技术上先进且可能、经济上合理、施工期短、运行第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第13页/共114页安全可靠以及管理维修方便的方案。方案选择时主要论证比较的内容有以下几个方面：(1)主要工程量 如土石方、混凝土和钢筋混凝土、砌石、金属结构、机电安装、帷幕和固结灌浆等工程量。(2)主要建筑材料用量 如木材、水泥、钢筋、钢材、砂石和炸药等用量。(3)施工条件 如施工工期、发电日期、施工难易程度、所需劳动力和施工机械化水平等。(4)运行管理条件 如泄洪、发电、通航是否相互干扰，建筑物及设备的运用操作和检修是否方便，对外交通是否便利等。第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第14页/共114页 (5)经济指标 指总投资、总造价、年运行费用、电站单位千瓦投资、发电成本、灌溉单位面积投资、通航能力、防洪以及供水等综合利用效益等。(6)其他 根据枢纽具体情况，需专门进行比较的项目。上述项目有些可以定量计算，有些则难以量化，这就给枢纽布置方案的选定增加了复杂性。因而，必须以国家的技术政策为指导，在充分掌握基本资料的基础上，以科学的态度，实事求是地全面论证，通过综合分析和技术经济比较，确定最优方案。第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第15页/共114页四、蓄水枢纽布置实例四、蓄水枢纽布置实例 1中、低水头水利枢纽 修建在河流中、下游的丘陵或平原地区的水利枢纽一般是位于河床坡度平缓、河谷宽阔的河段上，其主要建筑物是拦河闸（坝），由于其上下游水头差不大，称作中、低水头水利枢纽。此时，挡水建筑物可建在岩基或软基上，由于地形开阔，通常是将挡水建筑物、过坝建筑物、泄水建筑物和电站厂房一字摆开。枢纽布置的关键问题是妥善处理好泄洪消能及防淤排沙问题。它是我国在长江干流上修建的第一座大坝，位于三峡出口南津关下游2.3km处，下距宜昌市约6km。第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第16页/共114页枢纽主要任务是对三峡电站进行反调节，解决未来三峡电站日调节不稳定流对下游航道及宜昌港的不利影响以及发电。主体建筑物有泄水闸、船闸、电站厂房、冲沙闸及挡水坝段等。枢纽总库容158亿m3，最大闸坝高47m，大坝全长2595m。电站总装机容量2715万kW。1、2号大型船闸可通过万吨级货驳船及客轮，是世界最大船闸之一。葛洲坝工程坝址处河宽2200m。江中有葛洲坝和西坝两座小岛自右向左将长江分为大江、二江和三江。第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第17页/共114页 图91为长江葛洲坝水利枢纽布置图1土石坝；23号船闸；3三江冲沙闸 4三江混凝土坝 52号船闸 6一混凝土坝；7二江电站，8左导墙：9泄水闸；10右导墙(纵堰)11大江电站 121号船闸；13大江冲沙闸；14一右岸土石坝15、16一开关站 17、18一防淤堤，19、20-导沙坎第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第18页/共114页大江是主河槽，二、三江枯水期断流。其坝址地形和水文条件的主要问题是，长江出南津关后自东转向南流，南津关以上峡谷河宽约300m到坝址处急剧扩展至2200m，水流流速减缓，向下至宜昌市江面又缩至800m。坝址又位于河流弯道，泥沙较多，如枢纽布置不当，将淤塞航道和影响发电。，因而，在枢纽布置时，首先应适应长江河势，妥善安排好主流位置，以利于通航、发电、排沙和泄洪。经过多种方案比较和水工、泥沙模型试验，最后确定枢纽布置如下：挖掉江中葛洲坝，将枢纽中的关键建筑物即27孔泄水闸居中布置在正对主流的深槽位置，以利于泄洪、排沙和满足河势要求。在上游，左右各设置一道防淤堤，既可束窄主流河道，有利于拉沙、稳定主槽和消除回流淤积，又能在两侧形成与第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第19页/共114页主流分开的三江和大江两条独立的人工航道(大江下游并设导航墙)。在大江航道中设有1号大型船闸；三江航道中设有2号和3号大、中型船闸各一座。为防止上游航道淤积，在大江航道1号船闸右侧布置9孔泄洪冲沙闸；在三江航道2、3号船闸之间布置6孔泄洪冲沙闸一座，在需要时可开闸拉沙、冲沙。为提前发挥发电效益，将枢纽电站分设在大江、二江两处，二江电站装机容量2X17万kW+5X125万kW，大江电站装机为14X125万kW。第一期工程建二江电站，使其提前投产发电。为防止厂前泥沙淤积和减少粗砂通过水轮机，在两座厂房进水口上游均布置了导沙坎，进水口下部设置排沙底孔。在西坝和大江右岸，分别布置220kV和500kV开关站。该工程坝址的主要工程地质问题是坝基存在着粘第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第20页/共114页土岩类软弱夹层，其抗剪强度低，且产状和倾角对抗滑和抗渗透均不利。因而，沿夹层的深层滑动是闸室抗滑稳定的控制条件。此外，地层中还存在着规模较大的缓倾角断层所构成的强透水带，亦需处理。对抗滑稳定的加固措施，曾研究过多种方案，并对泥化夹层进行了野外大型抗力体试验，经分析比较，最后采用防渗板、混凝土齿墙、尾岩抗力(部分抗力体还加设钢筋混凝土加固桩)和加强防渗排水等综合性阻滑措施。对于溯河洄游性鱼类中珍稀的中华鲟鱼的保护问题，经长期的调查、研究和试验，证明中华鲟鱼已适应了环境的变化，在坝下进行了有效的自然繁殖，同时，辅以人工繁殖放流后，可取得良好效果。第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第21页/共114页实践证明，虽然葛洲坝工程坝址的地形、水文和地质条件比较复杂，并有重大地质缺陷，但采用了合理的优化设计方案和地基处理措施，枢纽布置非常成功。2高水头水利枢纽高水头水利纽一般修建在河流上游的高山狭谷之中，通常可形成有一定调节能力的水库，坝基多为岩基，地形陡峻，施工场地布置困难。当枢纽兼有防洪、发电和通航等多项综合任务时，尤其是洪峰高、装机规模大和过船吨位大的情况，枢纽布置必须妥善处理好泄洪、发电、导流和通航等建筑物之间的相互关系，以免互相干扰。泄洪和发电建筑物的布置通常有两者分散布置和两者重叠布置两大类。一般说，分散布置可能更有利第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第22页/共114页于施工和运行，但重叠布置使枢纽布置紧凑并可能节省投资。图92为湖南东江水电站枢纽工程布置图。电站枢纽任务以发电为主，兼有防洪、航运、工业用水和养殖等综合效益。东江水电站位于湖南省湘江支流耒水的中上游，为耒水流域梯级开发第六级，控制流域面积4719km2，为耒水总流域面积的40。水库正常蓄水位以下库容81.2亿m，死库容为24.5亿，有效库容56.7亿m，库容系数高达1.3。具有库容大、水头高、有效蓄能多、一般水文年不弃水的特点，是国内已建和在建水电工程中调节性能最优越的水库。它能有效地对梯级及系统进行径流电力补偿调节，为提高系统的保证出力和改善系统运行条件发挥主导作用。因而，东江水电站是优选梯级的范例。第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第23页/共114页东 江 电 站 坝 址 河 谷 呈 V形，两 岸 对 称，岸 坡4045，河谷宽高比为2，基岩裸露，常水位时水面宽20m40m，水深lm3m，河床砂卵石覆盖层仅厚3m5m。坝基为单一块状花岗岩，岩性致密，新鲜完整，强度高，无较大断层、岩脉通过，坝址区地震基本烈度为6是一处难得的、得天独厚的优良坝址。第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第24页/共114页图92东江水电站枢纽工程布置图1混凝土双曲拱坝2重力墩 3电站进口4坝后背管 5主厂房6右岸滑雪道式溢洪道（窄缝式）7左岸溢洪道（扭曲式挑坎）8二级放空洞（兼导流及供水）9一级放空洞（兼泄洪）10扩机引水洞11电梯井2开关站 13变压器场 14副厂房 15、17公路16、18、19交通洞第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第25页/共114页 东江坝型采用变圆心、变半径、混凝土双曲拱坝，最大坝高157m,底厚35m,顶厚7 m；坝顶中心弧长438m，最大中心角95。718”中心半径3058m，倒悬度控制在025：1以内。在坝型方案比较时，不少专家考虑到东江工程的重要性及顾虑当时的技术和管理水平，曾主张采用重力坝或重力拱坝，以求稳妥。而后通过综合分析、全面论证，并对设汁施工条件进行了充分的估量，最后审定为较薄的混凝土双曲高拱坝。经过精心设计，施工，东江双曲拱坝已耸立在湘江耒水之上，工程质量达到了优良水平。东江拱坝的建设经验为我国双曲高拱坝的大发展开拓了光明的前景。初设阶段，东江拱坝枢纽的布置方案主要有两种：第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第26页/共114页（1）厂、坝集中布置的坝后式厂房方案；（2）厂、坝分散布置的左岸地下式或左岸长隧洞引水的河岸式厂房方案。两种枢纽布置方案各有利弊，经综合分析，全面比较，由于坝后式厂房方案比地下式厂房方案可减少5570的洞挖量；比河岸式厂房方案减少4060的洞挖量，考虑到施工开挖的实际条件和其他因素，最后审定为第一方案。枢纽建筑物有：混凝土双曲拱坝；坝后式厂房（装机容量4X12.5万kW）；发电引水管道，采用单管引水式，它由斜面式进水口、坝内埋管、坝后背管和坝后平管段四部分组成；其中坝后背管是新技术，具有减少厂坝施工干扰，加快拱坝施工进度的优点，东江电站是率先采用；泄洪布置经多种第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第27页/共114页方案试验、分析比较，采用左、右岸滑雪道式溢洪道，其消能工选用左岸为扭曲式挑坎和右岸为窄缝式挑坎的挑流形式，窄缝式消能工也是东江电站在国内率先采用。两岸还分别布置有放空隧洞，右岸二级放空隧洞，除用于水库二级放空任务外，兼作导流和向下游供水，左岸一级放空隧洞除用于一级放空任务外，兼作辅助泄洪和扩大装机容量时地下厂房的引水隧洞；另外，考虑上游木材外运，在库区内专门设有木材转运设施。第二节第二节 蓄蓄 水水 枢枢 纽纽第九章 水 利 枢 纽第28页/共114页一、概述一、概述1 1引水枢纽的作用及类型引水枢纽的作用及类型 引水枢纽的作用是把河流中的水引入渠道，以满足灌溉、发电、工业及生活用水等需要；并防止粗粒泥沙进入渠道。引水枢纽位于引水渠道首部，又称渠首工程。根据是否有拦河闸（坝）又分为有坝引水枢纽和无坝引水枢纽。无坝引水枢纽：它是一种最简单的引水方式，在河道上选择适宜地点开渠并修建必要的建筑物引水，称无坝引水枢纽。通常由进水闸、冲沙闸、沉沙池、河道整治建筑物及泄水排沙渠等组成。无坝引水枢纽在大江、大河的下游或山区河流上采用较多。第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第29页/共114页有坝引水枢纽：当河道水量比较丰富，但水位较低，不能自流灌溉；或引水量较大，无坝引水不能满足要求时，则应修建拦河坝（闸），以抬高水位，保证引取灌溉所需的流量。这种引水方式称有坝引水枢纽或有坝渠首。通常由溢流坝（亦称壅水坝）或拦河闸、进水闸、防沙冲沙措施、船闸、阀道、鱼道、电站等组成。由于工作可靠被广泛使用。引水枢纽的形式亦受经济条件制约。日本在50年代的有坝渠首多为闸坝结合式渠首（即壅水坝及冲沙闸），但随着其经济发展逐步改建成对天然河流状态无影响的拦河闸式渠首，目前多采用闸坝结合式（泄洪闸及壅水坝，大孔口泄洪闸兼作泄洪、排沙、排冰）进行改造原有半永久性渠首（壅水坝及第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第30页/共114页行洪滩地）。随着我国经济快速发展其拦河闸式渠首是未来的发展方向。2 2引水枢纽的特点引水枢纽的特点（1）无坝引水枢纽特点 无坝引水枢纽的优点是工程简单、投资少、施工容易、工期短及收效快，而且不影响航运、发电及渔业，对河床演变影响小。其缺点是受河道的水位变化影响大，枯水期引水保证率低；在多泥沙河流上引水时，还会引入大量的泥沙，使渠道发生淤积现象，影响渠道正常工作；当河床变迁时，一旦主流脱离引水口，就会导致引水不畅，甚至引水口被泥沙淤塞而报废；当从河流侧面引水时，由于水流转弯，产生强烈的横向环流，以致引水口的上唇受到泥沙淤积，而下唇则受到水流冲刷。第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第31页/共114页实验表明，水流转弯产生的横向环流，使大量推移质泥沙随底流进入渠道，并随引水率（引水流量与河道流量的比值）的增大而增大。当引水率达50%时，河道中的底沙几乎全部进入渠道。我国河套地区的经验认为，引水率不宜大于20%30%。2有坝引水枢纽的特点其优点是引水保证率高，而且不受引水率限制。缺点是工程量大、造价高，且破坏了天然河道的自然状态，改变了水流、泥沙运动的规律，尤其是在多泥沙河流上，会引起渠首附近上下游河道的变形，影响渠首的正常运行。1）对上游河道坝区的影响建坝后，上游水位抬高，流速减小，挟沙能力减低，故河流中的推移质泥沙淤积在上游，使河床逐渐抬高。这种淤积发展很快第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第32页/共114页有的工程在短期内将坝前淤平。坝前淤平后，失去对主流的控制作用，进水闸处于无坝引水的工作状态，而且由于主流的摆动，加剧了上游河岸的冲刷变形，甚至使主流改道，招致工程报废。坝前淤平也使泄流能力降低，回水水位亦增高。2）对下游河道的影响 溢流坝运行初期，上游河床的淤积，下泄的水流含沙量减小，具有很大的冲刷力，使坝下游河床发生冲刷现象。当坝前泥沙淤平后，泥沙被挟带到下游，由于上游大量引水结果，下游河道流量相应减小，而含沙量增大，水流挟沙能力降低，使下游河床淤积。如果下游河道坡度较缓，这种淤积将使河床抬高。严重时会产生埋坝现象。根据以上特点，在进行引水枢纽设计时，合理布置枢纽建筑物，充分考虑泥沙对天然河道的影响，确保渠首正常工作。第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第33页/共114页图93河流弯道冲淤图 第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第34页/共114页图94弯道环流原理示意图1表层流 2底层流第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第35页/共114页二、弯道环流原理二、弯道环流原理 天然河道都是弯曲的，对于土质河床，由于流量的随机性、地形及地质的千差万别，只有1020%的直线段河道能保证其在不冲、不淤的稳定状态，而弯道均处于冲淤演变、摆动状态。其弯曲演变如图93所示。河流在直线段上的水深、流速及含沙量的分布是比较均匀的。弯道则不然，在弯道受离心力的作用，使表层的水流向凹岸水面壅高，凸岸水面降低，形成横向比降，如图94（b），因水流所受离心力的大小是和水流流速的二次方成正比，而河道水流流速的分布是表层大、底层小，故表层水流所受离心力较大，并沿水深逐渐减小。因离心力的方向与横向水位差所引起的水压力的方向相反，这第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第36页/共114页两种作用力的合力方向如图94（c）。在其合力作用下，表层的水流向凹岸，底层的水流向凸岸，从而形成横向环流，横向环流与纵向流合成为螺旋状前进水流，如图94（a）所示。当横向环流由上向下流动时，流速增大、含沙量较小，当流速大于凹岸的抗冲流速时，凹岸就产生冲刷。而底流流向凸岸时，含沙量大增，在岸坡处，底流转而向上流动，因重力作用，流速减小而使泥沙淤积。当水流到达表层后，改变方向再流向凹岸，周而复始。这样发展的结果，凹岸便成为水深流急的主流深槽，而凸岸则成为水浅流缓的浅滩。如凹岸不够坚固，则会使弯道逐渐向下游移动（如图93）。第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第37页/共114页根据弯道环流的特性，引水枢纽应布置在凹岸，引取表层较清水流，有效的防止泥沙入渠，并可防止引水口被淤积，保证引水量要求。三、无坝引水枢纽布置三、无坝引水枢纽布置 1 1无坝引水枢纽位置选择无坝引水枢纽位置选择 合理确定无坝渠首位置，对于保证正常引水减少泥沙入渠起着决定性的作用，在确定位置时，必须详细了解河岸的地质、地形情况、河道洪水特性、含沙量及河床变迁规律。位置选择时可按如下原则确定：（1）根据弯道环流分沙原理，无坝渠首应设在河道坚固、河流弯道的凹岸，以引取层较清水流，防止泥沙入渠。设在弯道顶点以下水深最深、单宽流第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第38页/共114页量最大、环流作用最强的地方。这个地点距弯道起点的距离（L）可按下式初步拟定。（91）式中m系数，一般取m=0.81.0时；B河道设计水位时水面宽度，m；R弯道中心半径，m。当地形条件受到限制，不能把渠首布置在凹岸而必须设在凸岸时，应将渠首设在凸岸中点偏上游处，该处环流较弱，泥沙较少。必要时可在对岸设置丁坝将主流逼向凸岸，以利引水。（2）在分汊河段上，一般不宜设置引水口，因其主流摆动不定。常常发生交替变化，导致汊道淤塞，引水困难。如引水口必须设在汊道上时，并对河道进行整治，将主流控制在汊道上。第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第39页/共114页 图95引水口位置 图96无坝引水枢纽 第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第40页/共114页3）无坝渠首设在河道的直段也是不理想，因在直段侧向引水时，引水口会产生漩涡，不仅进水量小而且也不均匀。必需从河道的直段引水时，应把引水口设在主流靠近岸边、河床稳定、水位较高、流速较大的地段。（4）渠首位置应选在干渠路线比较短，而且经过的地方没有陡坡、深谷及坍方的地段，以减少土方工程量。2无坝引水枢纽的布置形式无坝引水枢纽布置形式，可分为一首制渠首和多首制渠首两类。（1）一首制渠首，有弯道凹岸渠首及导流堤式渠首两种布置形式。第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第41页/共114页 1）弯道凹岸渠首：它适用于河床稳定，河岸土质坚固的凹岸。由进水闸、拦沙坎及沉沙设施等建筑物组成，如图97所示。进水闸：其作用是控制入渠水流，一般布置在引水口处，应尽量减少引渠的长度，以减小水头损失和减轻清淤工程量。引水口两侧的土堤应为喇叭口的形状，以使入渠水流平顺，避免出现漩涡，减少水头损失。进水闸的中心线与河道水流所成的夹角，叫引水角。一般应为锐角，通常为了使水流平顺，增大引水量，常采用3045。进水闸堰顶高程应高于河床1.0m1.5m，与干渠渠底齐平或略高。拦沙坎：其作用是用来加强天然河道环流，使底沙顺利排走，一般布置在引水口的岸边。坎的形状第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第42页/共114页通常采用“”形。坎顶高出渠底的高度约0.5m1.0m，见图9 97 7。冲沙闸：在洪水期打开冲沙闸，冲洗进水闸前、引渠内沉积的泥沙，见图图9 98 8，其底板高程比进水闸低0.5m1.0m。沉沙设施：一般布置在进水闸后面适当的地方。通常将总干渠加宽加深而成沉沙池；也可建成厢形的；或利用天然洼地布置成条渠沉沙。第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第43页/共114页图97 引嫩渠首拦沙坎布置图1拦沙坎；2叠梁第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第44页/共114页 2）导流堤式渠首：在不稳定的河流上及山区河流坡降较陡，引水量较大的情况下，采用导流堤式渠首来控制河道流量，保证引水。导流堤式渠首由导流堤、进水闸及泄水冲沙闸等建筑物组成。导流堤的作用是束窄水流，抬高水位，保证进水闸能引取所需要的水量。导流堤轴线与主流方向夹角成1020，向上游延长，接近主流。进水闸与泄水排沙闸的位置一般按正面引水排沙的形式布置，如图98（a）所示，进水闸轴线与河流主流方向一致，冲沙闸轴线多与水流方向成接近90的夹角，以加强环流，有利排沙。当河流来水量较大，含沙量较小时，也可按侧面引水、正面排沙的形式布置，如图98（b）,泄水排沙闸方向与水流方向一致，进水闸的中心线与主流方向以第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第45页/共114页3040为宜。图98 导流堤式渠首（a）正面引水，侧面排沙示意图（b）正面排沙，侧面引水示意图 第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第46页/共114页 2）多首制渠首：在不稳定的多泥沙河流上，采用一个引水口时，常常由于泥沙的淤塞而不能引足所需的水量，严重时甚至使渠首废弃。这时应采用多首制渠首。多首制渠首一般设有23条引水渠，各渠相距12公里，甚至更远些。洪水期仅从一引水口引水，其余引水口关闭。枯水期，由于水位较低，则由几个引水口同时引水，以保证引取所需水量。在图99所示的布置中有两条引水渠与进水闸相连。其优点是：某一个引水口淤塞后可由其它引水口进水，不致停止供水；引水渠淤积后，可以轮流清淤、引水。其主要缺点是清淤工作量大，维修费用大。第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第47页/共114页图99 多首制渠首布置示意图第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第48页/共114页3）无坝引水枢纽上下游河道整治 天然的弯曲河道一般都得摆动变迁的，修建无坝引水枢纽后改变了原来河道的水流条件，加剧了河道变迁，引水枢纽上下游应进行整治。整治的目的主要是：使河道主流靠近引水口，并能维持所需要的水位，以便引入所需的水量；调整水沙分布结构，引取表层清水，排走底层泥沙；保证渠首建筑物不受冲击或淘刷破坏，平顺水流以增加引水量。河道整治措施应根据河床的稳定性、地形、地质条件、水力特性，进行全面规划、综合治理。通常采取的措施是 1）修建丁坝、顺坝：丁坝、顺坝是用来控制和束窄水流，防止河床淤积变形，调整河宽，并保护河岸不受水流冲刷的河道整治建筑物，如图910所示。第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第49页/共114页用于引水口的上游河岸受水流冲刷而坍塌变形，河道主流轴线改变，偏离引水口，恶化引水条件等情况。2）清除引水口处的凸出体：当引水口前有硬土堆或硬石妨碍水流时，必须清除，以避免导致主流偏离引水口。3）堵塞河汊：当引水口处河道枯水时期形成几股汊道时，河槽位置频繁改变，使枯水期引水困难，可用筑潜坝截断汊道，将水流导向引水口。以上各项措施可单独采用，亦可与护岸工程综合在一起使用。必须注意的是丁坝及顺坝属于进攻性工程措施，在边界、边境河道治理中应慎重采用，避免引起双方争端。第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第50页/共114页图910 (a)丁坝1正常主流轴线;2-引水口；3-偏移主流轴线；4原河岸线5冲刷河岸线；6-河岸防护；7-丁坝；8-浅滩第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第51页/共114页图910(b)顺坝 1沉排；2坝头；3坝身；4坝根；5格坝；6护岸第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第52页/共114页四、有坝引水枢纽布置四、有坝引水枢纽布置1有坝引水枢纽位置选择首先应根据河道特性：在弯曲河道上应选择弯道凹岸；在顺直河段，引水口应选在位于主流靠近河岸的地方；在多泥沙河流上应选在河床稳定的地段；兼顾干渠底高程应选择河岸坚固、高度适宜的地段，避免增加渠首土石方开挖量；当河流有支流流入时，应选择支流汇入处的上游，如为了引更多水量，亦可选在其下游，但应充分考虑相互影响。其次考虑地质条件：其优劣顺序为岩石地基、沙卵石和坚实粘土、沙砾石及沙基。淤泥和流沙不宜作为坝址。再次应考虑施工条件及抗冻条件：从施工条件第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第53页/共114页考虑应选取河道宽窄适宜，既满足施工又不使溢流坝过大。从严寒地区抗冻角度考虑应把引水口设在向阳的一侧。渠首位置选择应按上述原则拟定几个不同方案进行技术经济比较，择优选取。2在多泥沙河流上有坝引水枢纽的布置 在多泥沙河流上有坝引水枢纽的布置，其核心问题就是根据河流含量情况，选取合理的泥沙处理措施。对于大、中型渠首，应通过水工模型试验确定泥沙处理措施。根据泥沙处理措施的不同，渠首的布置形式有如下几种。（1）沉沙槽（冲沙槽）式渠首：正面排沙、侧面引水的布置型式。渠首由溢流坝、冲沙闸、泄洪第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第54页/共114页闸、沉沙槽、导水墙、进水闸及防洪堤等建筑物组成，如图911所示。溢流坝：抬高水位，以便引水灌溉；渲泄河道多余的洪水。根据河宽及上游允许壅高可建成带闸门的溢流坝或拦河闸。进水闸：控制入渠流量，位于坝端河岸上。多泥沙河道上，进水闸的引水角多为7075的锐角，以减少水头损失和减弱横向环流，使入渠泥沙减少。冲沙闸：既可以定期冲洗水闸前的泥沙，又可以渲泄河道部分洪水，使河道主流趋向进水闸，保证进水闸能引取所需的水量。泄洪闸：在寒区把冲沙闸尺寸加大，起到泄洪、第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第55页/共114页冲沙、排冰作用，避免冰排从坝顶渲泄，防止冰排破坏坝体。在文开河的河道上，当泄洪闸能够渲泄凌汛流量时，坝前的冰凌可以慢慢融化，也是一种防止冰排的方法。第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第56页/共114页（a）河南鲇鱼山灌区渠首工程布置图（b）陕西千惠渠渠首工程布置图图911 沉沙槽式渠首工程布置图1导水墙；2曲线沉沙池；3分水墙；4进水闸；5冲沙闸；6壅水坝。第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第57页/共114页 导水墙与沉沙槽：导水墙位于冲沙闸与溢流坝连接处，并与进水闸的上游翼墙共同组成沉沙槽。当冲沙闸冲沙时，槽内水流应有较高流速，以便冲走沉沙槽内的泥沙。此外，导水墙还可拦阻坝前的泥沙，以免经沉沙槽进入渠道。拦沙坎与导沙坎：为防止泥沙进入干渠，在进水闸引水口前设拦沙坎，如图911（a）。也可在沉沙槽入口处设导沙坎，一般与水流方向成3040夹角，其高度约为沉沙槽内水深的1/4。（2）人工弯道式渠首：在不稳的河床上，修建人工弯道，根据弯道环流分沙的原理，就可以正面引水、侧面排沙，如图912。人工弯道：要求其在汛期能形成较强烈而稳定的横向环流，以利于引水防沙。一般情况下，弯道半第三节第三节 引水枢纽引水枢纽 第九章 水 利 枢 纽第58页/共114页径R3B，弧中心线长度L=（1.01.4）R、渠底坡降i等于或略缓于天然河道的纵向比降，底宽B按进水闸流量的22.2倍设计。冲沙闸：设在进水闸旁靠凸岸的一侧，用以冲洗引水弯道淤积的泥沙，与进水闸的夹角为3645为宜。泄洪闸：在引水弯道进口处设置泄洪闸，用以泄洪和排沙，并使河道主槽靠