1、水利水电工程导论水利水电工程导论第五章第五章 取水输水建筑物取水输水建筑物第五章第五章 取水输水建筑物取水输水建筑物要充分利用水利枢纽工程拦截下来的自然来水，除了建挡水的坝、闸和保证枢纽安全的泄水建筑物以外，还需一个能够按要求将水库或河道的水保质、保量、并及时输送到用水目的地去的建筑物，这就是取水和输水建筑物。取水建筑物位于整个输水结构的首部，相当于“嘴巴”的功能，用来控制和调节水流，对输送的水体起到保质、保量的作用，形式主要有隧洞的进口段，渠道的进水闸、扬水站等。输水建筑物的作用就是将水源和用水目的地连接起来，有引水隧洞、引水涵管、渠道、渡槽、倒虹吸等。本章主要介绍取水枢纽、输水隧洞、以及渠
2、系中的输水建筑物。第五章第五章 取水输水建筑物取水输水建筑物第一节 取水枢纽5.1 5.1 取水枢纽取水枢纽取水枢纽是从河流、湖泊、水库等地表水源引水而修建在取水地段的水工建筑物综合体，又称引水枢纽或渠首工程。若引水期间取水枢纽处的河水位高于引水要求的水位，可在天然条件下自流引水；否则，需拦河筑坝或修建水闸，雍高水位，创造自流引水的条件，也可不建坝，在天然水位情况下用水泵提水。取水枢纽一般是指自流引水的情况，用水泵提水时则需建泵站。一、取水枢纽的作用和类型5.1 5.1 取水枢纽取水枢纽自河流引水的取水枢纽，根据是否修建拦河建筑物（坝或闸）而分为无坝取水和有坝取水两种类型。有坝取水需建壅水坝（
3、或拦河闸）、进水闸、防沙及冲沙设施等。在综合利用的有坝取水枢纽中，还可能建有船闸、电站、筏道、鱼道等专门建筑物。一、取水枢纽的作用和类型5.1 5.1 取水枢纽取水枢纽1.无坝取水我国著名的水利工程都江堰，就是一个典型的无坝取水工程。无坝取水是当引水比（引水流量与天然河道流量之比）不大、防沙要求不高、取水期间河道的水位和流量能够满足或基本满足要求时，只需在河道岸边的适宜地点选定取水口，即可从河道侧面引水，而无需修建拦河闸（坝）的取水方式。这是一种最简单的取水方式，其特点是工程简单、投资少、工期短、易于施工，对天然河道的影响较小，与其他国民经济部门（航一、取水枢纽的作用和类型5.1 5.1 取水
4、枢纽取水枢纽运、渔业、漂木等）要求之间的矛盾小，在水利建设中得到广泛应用；但由于不能控制河道的水位和流量，易受河道水流和泥沙运动影响，取水保证率相对较低。一、取水枢纽的作用和类型5.1 5.1 取水枢纽取水枢纽2.有坝取水采用无坝取水不能满足取水要求时，应建拦河闸或溢流坝，以抬高水位，保证引取水量，这种取水方式称为有坝取水。此外，当水位能满足要求，为保证较大的引水比及减少入渠泥沙、缩短干渠长度、雍高上游水位以改善航运条件、形成上下游水头差以利发电或冲沙，或为两岸取水创造有利条件等目的，也可采用有坝取水。有坝取水枢纽通常由雍水坝（或拦河闸）、进水闸、冲沙闸等拦水、取水以及各种防沙设施组成。一、取
5、水枢纽的作用和类型5.1 5.1 取水枢纽取水枢纽1.取水口位置的选择选择取水口（特别是无坝取水）位置时，首先要掌握河岸的地形、地质资料，研究河流水文泥沙特性及河床演变规律，并遵循下述原则：根据弯道水流特性，取水口选在河岸坚固、河流弯道顶点以下的凹岸处，以引取表层清水；在河流直段设置取水口时，选择河床稳定、水位较高、流速较大且主流靠近引水岸的河段；取水口不宜设在分叉河段上，如必须设置，则选在比较稳定的主叉道上，并对引水河段加以整治；二、取水枢纽的布置5.1 5.1 取水枢纽取水枢纽选择较短的输水干渠路线，并尽量避开陡坡、深谷及塌方地段，以减少工程量。2.无坝取水枢纽的布置按取水口的数目可分为一
6、首制取水及多首制取水两种。多首制取水一般设23条引渠取水，各引渠在下游一定距离处汇合成一条干渠。进水闸设在每条引渠进口或设在引渠汇合处。一首制取水设一条引渠取水，是工程中普遍采用的一种形式。二、取水枢纽的布置5.1 5.1 取水枢纽取水枢纽 无坝取水枢纽主要包括引水渠、进水闸、防沙设施及上下游整治建筑物等，取水口一般布置在河流弯道凹岸的顶点以下水深最大、环流作用最强的二、取水枢纽的布置图51 引渠式无坝取水示意图位置。引水角采用300500。适用于河岸稳定、引水流量小于天然河道流量的2535%的渠道。如图51。5.1 5.1 取水枢纽取水枢纽3.有坝取水枢纽的布置有坝取水是横贯河床设置壅水坝或
7、拦河闸控制河道水流，抬高水位，保证渠首引水的取水枢纽。有坝取水枢纽通常由壅水坝（拦河闸）、进水闸及防沙设施组成。在有通航、发电、过木、过鱼等综合利用要求的枢纽中，还应根据要求设置船闸、电站、筏道、鱼道等专门建筑物。在多泥沙河流上，为了排除泥沙，可以采用不同的渠首布置形式，常用引渠式、沉沙槽式、人工弯道式、底拦栅式等取水。二、取水枢纽的布置5.1 5.1 取水枢纽取水枢纽（1）引渠式取水 进水闸前设引渠用以引水、沉沙的取水方式。在多沙河流上，当河道狭窄、河岸陡峻、无适宜地点布置进水闸及冲沙闸，或河岸地质条件复杂，易受水流二、取水枢纽的布置图52 引渠式有坝取水工程布置示意图冲刷而变形，需将进水闸
8、远离河岸布置时，常用引渠取水。枢纽常由引水渠、引水涵洞、壅水坝、进水闸、冲沙闸等组成。如图52。5.1 5.1 取水枢纽取水枢纽（2）沉沙槽式取水 按侧面引水、正面排沙的原则进行布置，利用进水闸前的沉沙槽使水流中的粗沙下沉，并由冲沙闸排走，以减少入渠泥沙的一种有坝取水。沉沙槽式取水枢纽主要由壅水坝、进二、取水枢纽的布置水闸、沉沙槽、冲沙闸等组成。由于其布置简单且有一定的防沙能力，在国内外得到了广泛应用。如图53。图53 沉沙槽式取水枢纽示意图1-导流墙；2-沉沙槽；3-土坝；4-进水闸；5-冲砂闸；6-壅水闸；7-导流堤5.1 5.1 取水枢纽取水枢纽（3）人工弯道式取水 是将弯曲河段整治为有
9、规则的人工弯道，利用弯道环流原理，在弯道末端按正面引水、侧面排沙的原则布置进水闸和冲沙闸，以引取表层清水，排走底二、取水枢纽的布置层泥沙。该枢纽由人工弯道、进水闸、冲沙闸、泄洪闸以及下游排沙道等组成。如图54。图54 人工弯道式取水枢纽示意图1-冲砂闸；2-进水闸；3-导沙坎；4-泄洪闸；5-小路5.1 5.1 取水枢纽取水枢纽（4）底拦栅式取水 山区河流的特点是坡陡流急，水流中常挟带大量卵石、砾石及粗砂，为防止泥沙入渠，常采用底拦栅式取水枢纽。这种渠首的主要建筑物有底拦栅坝、二、取水枢纽的布置溢流坝、泄洪冲沙闸、拦沙坎及上下游导流堤（图55）。底拦栅式渠首构造简单，造价低廉，施工管理方便，适
10、用于大粒径砂石较多而小粒径推移质较少的山区河道的中小型工程。图55 不设冲沙闸的底栏栅式取水枢纽示意图（a）平面图 （b）I-I剖面1-壅水坝；2-底栏栅坝；3-金属栏栅；4-输水廊道；5-进水闸；6-渠道第五章第五章 取水输水建筑物取水输水建筑物第二节 水工隧洞5.2 5.2 水工隧洞水工隧洞为满足水利水电工程各项任务的需要，在地面以下开凿的各种隧洞，称为水工隧洞。其功用是：（1）配合溢洪道宣泄洪水，有时也可作为主要泄洪建筑物之用。（2）取（引）水发电，或为灌溉、供水、航运和生态输水。（3）排放水库泥沙，延长水库使用年限，有利于水电站等的正常运行。（4）放空水库，用于人防或检修建筑物。（5）
11、在水利枢纽施工期用来导流一、水工隧洞的类型5.2 5.2 水工隧洞水工隧洞水工隧洞按其功用，可分为：（1）取（引）水、输水隧洞 取（引）水或输水以供发电、灌溉或工业和生活之用；（2）导流、泄洪隧洞 在兴建水利工程时用以导流或运行时泄洪；（3）尾水隧洞 排走水电站发电后的尾水；（4）排沙隧洞 排冲水库淤积的泥沙或放空库水以备防空或检修水工建筑物之用。一、水工隧洞的类型5.2 5.2 水工隧洞水工隧洞按隧洞内的水流流态，水工隧洞又可分为有压隧洞和无压隧洞。从水库引水发电的隧洞一般是有压的；灌溉渠道上的输水隧洞常是无压的，有的干渠及干渠上的隧洞还可兼用于通航；其余各类隧洞根据需要可以是有压的，也可以
12、是无压的。在同一条隧洞中可以设计成前段是有压的而后段是无压的。但在同一洞段内，除了流速较低的临时性导流隧洞外，应避免出现时而有压时而无压的明、满流交替流态，以防引起振动、空蚀和对泄流能力的不利影响。一、水工隧洞的类型5.2 5.2 水工隧洞水工隧洞 设计水工隧洞时，应该根据枢纽的规划任务，按照一洞多用的原则，尽量设计为多用途的隧洞，以降低工程造价。有压隧洞和无压隧洞在工程布置、水力计算、受力情况及运行条件等方面差别较大，对于一项具体工程，究竟采用有压隧洞还是无压隧洞，应根据工程的任务、地质、地形及水头大小等条件提出不同的方案，通过技术经济比较后选定。一、水工隧洞的类型5.2 5.2 水工隧洞水
13、工隧洞（1）水力特点 枢纽中的泄水隧洞，除少数表孔进口外，大多数是深式进口。深式泄水隧洞的泄流能力与作用水头H的1/2次方成正比，当H增大时，泄流量增加较慢，超泄能力不如表孔强；但深式进口位置较低，能提前泄水，从而提高水库的利用率，减轻下游的防洪负担，故常用来配合溢洪道宣泄洪水。泄水隧洞所承受的水头较高，流速较大，如果体形设计不当或施工存在缺陷，可能引起空化水流而导致空蚀；水流脉动会引起闸门等建筑物的振动；出口单宽流量大，能量集二、水工隧洞的工作特点5.2 5.2 水工隧洞水工隧洞中会造成下游冲刷。为此应采取适宜的防止空蚀和消能措施。（2）结构特点 隧洞为地下结构，开挖后破坏了原来岩体内的应力
14、平衡，引起应力重分布，导致围岩产生变形甚至崩塌。为此，常需设置临时支护和永久性衬砌，以承受围岩压力。但围岩本身也具有承载力，可与衬砌共同承受内水压力等荷载。承受较大内水压力的隧洞，要求围岩具有足够的厚度和进行必要的衬砌，否则一旦衬砌破坏，内水外渗，将危害岩坡稳定及附近建筑物二、水工隧洞的工作特点5.2 5.2 水工隧洞水工隧洞的正常运行。过大的外水压力也可使埋藏式压力隧洞失稳。故应做好勘探工作，使隧洞尽量避开不利的工程地质、水文地质地段。（3）施工特点 隧洞一般是断面小，洞线长，从开挖、衬砌到灌浆工序多，干扰大，施工条件较差，工期一般较长。施工导流隧洞或兼有导流任务的隧洞，其施工进度往往控制整
15、个工程的工期。因此，采用新的施工方法，改善施工条件，加快施工进度和提高施工质量是隧洞工程建设中值得研究的重要课题。二、水工隧洞的工作特点5.2 5.2 水工隧洞水工隧洞水工隧洞一般包括进口建筑物、洞身和出口建筑物三个主要部分（图56）。（1）进口建筑物 包括进水三、水工隧洞的组成图56 水工隧洞布置图喇叭口、闸门及其控制建筑物、通气孔道、进口5.2 5.2 水工隧洞水工隧洞渐变段（从安装闸门地段的矩形断面过渡到洞身断面）。该部分主要作用是进水和控制水流；保证水流平顺，避免空蚀现象；尽量减少局部阻力，保证过水能力。（2）洞身 隧洞的主体，其断面形式和尺寸取决于水流条件、施工技术情况和运用要求等。
16、有压隧洞一般采用圆形断面（图57a、b），而无压隧洞则采用圆拱直墙（图57c、d）或马蹄形（图57e）。隧洞断面尺寸必须满足设计流量的要求。洞身一般要修建衬砌，用以防护岩面并减三、水工隧洞的组成5.2 5.2 水工隧洞水工隧洞小洞壁糙度，防止渗漏，承受围岩压力、内水压力及其他荷载。地质条件较好的隧洞，特别是无压隧洞，可以不作衬砌，但要采用光面爆破开挖，以达到岩面平整的要求。（3）出口建筑物 其组成和功用按隧洞类型而定。用于引水发电的有压隧洞，其末端连接水电站的压力水管，在该部位通常还设置有调压室（井），当电站负荷急剧变化时，用以减轻有压隧洞和压力水管中的水击现象，改善水轮机的工作条件。泄水洞口
17、一般设有消能建筑物，如出口设置扩散三、水工隧洞的组成5.2 5.2 水工隧洞水工隧洞段以扩散水流，减小单宽流量（从洞内流出的最大流量除以水面宽度），防止对出口渠道或河床的冲刷。三、水工隧洞的组成（a）（b）（e）（d）（c）图57 水工隧洞断面形式 第五章第五章 取水输水建筑物取水输水建筑物第三节 输水建筑物5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物输水建筑物是指将水从一处输引到另一处的建筑物，可分为无压（渠道、渡槽、跌水、陡坡等）和有压（隧洞、压力水管、倒虹吸等）两种。下面简要介绍水利工程中常见的渠道、渡槽、倒虹吸、涵洞、跌水和陡坡。5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物为输送水流而在地面上开挖、填
18、筑或埋设的人工水道工程称为渠道。渠道按功能可分为灌溉、排水、航运、引水发电、城乡工农业供水等几大类型。一、渠道渠道按布置形式可分为明渠与暗渠两类。明渠修建在地面上，有自由表面；暗渠是埋设在地面以下的封闭式管道，可以是有压或无压的，多用于灌溉和排水等。5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物灌溉渠道是最常见渠道的一种类型，一般可分为干、支、斗、农四级固定渠道。干、支渠主要起输水作用，称为输水渠道；斗、农渠主要起配水作用，称为配水渠道。渠道设计主要内容：选定渠道线路、确定断面形状和尺寸、拟定渠道的防渗设施等。1.渠道线路的选择平原地区，渠道路线最好是直线；在山坡地区，渠道路线应尽量沿等高线方向布置，以
19、免过大的挖填方量。除此以外，在渠道线路的选择上，还应该尽量避开渗漏严重、流沙、泥泽、滑坡以一、渠道5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物及开挖困难的岩层地带；考虑在施工过程中的交通运输、水和动力供应、机械施工场地、取土和弃土的具体位置，以及建成后的日常管理和维护等条件。2.渠道断面形状渠道横断面尺寸，应根据水力计算确定。通常渠道横断面的形状为梯形或矩形（见图58）。土坡渠道常用梯形断面，边坡较易保持稳定，也便于施工。在较好的岩石中开挖渠道或混凝土浇筑的渠道常用矩形断面。渠道纵断面是根据水位一、渠道5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物要求确定的渠道空间位置，渠道坡度要满足在渠道内水流不冲不淤流速的
20、要求。一、渠道渠道渠道挡墙（a）梯形断面 （b）矩形断面图58 渠道断面形状渠道渠道挡墙5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物渡槽是当输送水流的渠道需要跨越河渠、溪谷、洼地和道路时的架空水槽，也可称为过水桥。普遍用于灌溉输水，也用于排洪、排沙等，大型渡槽还可以二、渡槽通航。渡槽主要用砌石、混凝土及钢筋混凝土等材料建成。渡槽由进口段、出口段、槽身和支承结构等部分组成（见图59）。渡槽的进出口段主要作用是与渠道平顺衔接，并起平顺水流的作用，需5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物要设置渐变段。槽身横断面常用矩形和U形图510（a）。矩形槽身可用浆砌石或钢筋混凝土建造。对无通航要求的渡槽，为增强侧墙稳定
21、性和改善槽身的横向受力条件，可沿槽身在槽顶每隔12m设置拉杆图510（b）。如有通航要求，则可适当增加侧墙厚度或沿槽长每隔一定距离加肋（见图510），槽身跨度采用512m。U形槽身是在半圆形的上方加一直段构成，常用钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土建造。为改善槽身的受力条件，可将底部弧形段加厚。一般可在槽顶加设横向拉杆。二、渡槽5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物二、渡槽图59 渡槽剖视示意图a）梁式渡槽；（b）拱式渡槽1-进口段；2-槽身；3-出口段；4-排架；5-伸缩缝；6-块石填料；7-槽底；8-边槽墩；9-槽墩；10-小支墩；L-跨度；f-矢高图510 渡槽槽身横截面形式示意图（a）设拉杆的
22、矩形槽；（b）设肋的矩形槽；（c）U形槽；（d）圆管形槽5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物渡槽按槽身材料，可分为木渡槽，砖、石砌渡槽，混凝土、钢筋混凝土渡槽，预应力混凝土及钢丝网水泥渡槽。按支撑结构型式，可分为梁式、拱式、桁架拱式、桁架梁式及斜拉式渡槽等，常用的是梁式与拱式渡槽。渡槽设计内容包括总体布置、槽身断面形式与尺寸确定、支撑结构及其基础类型选择、水力计算及结构计算等。在设计中要求总体布置和各部分结构型式尺寸选择合理，满足强度与稳定要求；能通过设计流量，且水头损失满足灌区规划要求；达到经济、安全、美观的目的。二、渡槽5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物1.梁式渡槽梁式渡槽的槽身直接撑在
23、槽墩或槽架上，既可用以输水又起纵向梁作用。为了防止温度变化引起槽身变形过大，结构破坏，在渡槽槽身上需设伸缩缝，以保证槽身热胀冷缩的变化，缝内设止水。梁式渡槽根据槽身分缝与支承位置，可分为简支梁式、双悬臂梁式、单悬臂梁式和连续梁式几种，前两种为常用形式。简支梁式渡槽的经济跨度一般等于或略小于墩架高度，约为815m。双悬臂梁式渡槽每节槽身长度一般可增大到3040m。二、渡槽5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物梁式渡槽的支承结构型式有重力墩、排架等多种型式。其中，重力墩可分为实体墩和空心墩两种型式；排架可分为单排架、双排架及A字形排架等型式。梁式渡槽的基础型式与上部荷载、地质条件、洪水冲刷及施工条件
24、等因素有关，其中地质条件是主要因素。2.拱式渡槽 当渠道跨越地质条件较好的窄深山谷时，选用拱式渡槽较为有利。拱式渡槽由槽墩、主拱圈、拱上结构和槽身组成。拱式渡槽与梁式渡槽相比，二、渡槽5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物主要区别在于支撑结构。主拱圈是拱式渡槽的主要承重结构，按照主拱圈的结构型式可分为板拱、肋拱和双曲拱，附图8为长达875m的淠史杭灌区将军山渡槽。按主拱圈设铰情况可分为无铰拱、双铰拱等。按建筑材料可分为砌石拱和混凝土拱等型式。根据拱上结构型式的不同，拱式渡槽又可分为实腹式和空腹式两类。肋拱渡槽是大、中跨度拱式渡槽中广为采用的一种形式。二、渡槽5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物倒
25、虹吸管是当渠道横跨山谷、河流、道路时，为连接渠道而设置的压力管道，其形状如倒置的虹吸管（如图511）。渠道与山谷、河流等相交，既三、倒虹吸管可以用渡槽，也可用倒虹吸管。倒虹吸管水头损失大，维修管理不如渡槽方便，在小型工程应用较多。一般来说，当所穿越的山谷深而宽时，采用渡槽不经济；当交叉高差不大，或高差虽大，5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物但允许有较大的水头损失时，采用倒虹吸管比渡槽工程量小，且造价低，施工方便。倒虹吸管由进口段、管身和出口段三部分组成。其中，进口段一般包括渐变段、进水口、拦污栅、闸门及沉沙池等。管身断面有圆形、箱形等形状。圆形管具有水流条件好、受力条件好的优点，在工程实际中
26、应用较广，主要用于高水头、小流量情况。箱形管分矩形和正方形两种，可做成单孔或多孔，适用于低水头、大流量情况。根据流量大小、运用要求及经济效益等，可采用单三、倒虹吸管5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物管、双管或多管方案。倒虹吸管的材料有木质、砌石、陶瓷钢筋混凝土、铸铁和钢材等。三、倒虹吸管图511 沿地面敷设的倒虹吸管示意图1-进口段；2-露天管；3-镇墩；4-上埋式管；5-出口段5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物当渠道与道路相交而又低于路面时可设置输水用的涵洞，让水从公路路基的下面流过，不妨碍交通，称为输水涵洞（图四、涵洞512a）；当渠道穿过山沟或小溪，而沟溪流量又不大时，可用一段填方渠
27、道，下面埋设用于排泄沟、溪水流的涵洞，称为排水涵洞（图512b）。5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物 涵洞由进口段、洞身和出口段三部分组成。按洞身断面形状，涵洞可以做成圆管涵、盖板涵、拱涵和箱涵（图513）。圆管涵因水力条件和受力条件较好，且有压、无压均可，是普遍采用的一种形式，管材多用混凝土或钢筋混凝土。拱涵由拱圈、侧墙及底板组成，可用浆砌石或混凝土四、涵洞图512 涵洞剖面示意图（a）输水涵洞；（b）排水涵洞5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物建造，适用于填土高度大、跨度较大的无压涵洞。盖板涵的断面呈矩形，其底板、侧墙可用浆砌石或混凝土，盖板多为钢筋混凝土结构，当跨度小时，也可用条石，适
28、用于洞顶铅直、荷载较小、跨度较小的无压涵洞。箱涵为四周封闭的钢筋混凝土结构，适用于填土高度大、跨度大和地基较差的无压涵洞和低压涵洞。当洞身较长，为适应地基不均匀沉降，应设沉降缝，间距应不大于10m，也不小于23倍洞高，缝内设止水。涵洞的洞底高程、纵坡、孔径及出口消能防冲设施的形式和尺寸，根据过涵设计流量、上下游水位和沟、四、涵洞5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物渠、溪、谷的底部高程，在满足选定的过涵水流形态条件下、通过水力计算确定。涵洞进出口，可根据需要设置防冲护砌或消能设施。四、涵洞图513 涵洞断面形式示意图（a）盖板涵；（b）拱涵1；（c）管涵；（d）箱涵5.3 5.3 输水建筑物输水建筑物当渠道通过地面坡度较陡的地段或天然跌坎，在落差集中 处 可 建 跌 水 或 陡 坡（图514）。跌水根据落差大小，五、跌水与陡坡（a）跌水 （b）陡坡图514 单级跌水和陡坡剖面图可做成单级或多级。跌水多用浆砌石或混凝土建造。单级跌水的落差较小，一般不超过5m。如跌差较大，可采用多级跌水。陡坡和跌水的主要区别在于前者是以斜坡代替跌水墙。一般来说在坡度陡而落差不超过1.5m的地段可用单极跌水；落差较大时以采用陡坡比跌水经济合理；如落差很大则可建多级跌水。
