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1、第八章 渠系建筑物:渡槽 aqueduct;flume（1）、调节建筑物：调节水位、分配流量，如节制闸、分水闸（2）、交叉建筑物：输送渠水跨越沟谷、河流、道路等，如渡槽、涵洞、倒虹吸等（3）、落差建筑物：连接差集中渠段，如跌水、陡坡等8.1.1 渡槽的作用、类型及位置选择 一、渡槽的作用、组成、类型 渡槽是输送渠水跨越山冲、谷口、河流、渠道及交通道路等的交叉建筑物作用：输水为主，兼排洪，导流。组成：槽身、支承结构、基础、进口、出口等部分。,分类：二、渡槽的位置选择轴线(中心线)起止点 一般来说，在渠系规划设计时，已经从全局上初步确定了渡槽的位置，这对于中、小型渡槽，已无多大选择的余地，而对于大
2、型渡槽，因工程量及投资大，将涉及到位置选择的方案比较问题，这些方面与地形和地质条件等因素密切相关。,位置选择时，拟考察的主要因素：(1)地形、地质条件：利用有利地形缩短槽身长度；选择良好的地质条件处，以减少基础的处理工程量，尽量使进出口落在挖方渠道上。(2)渡槽轴线尽量布置成直线，避免进出口急转弯；(3)跨越河流的渡槽，尽量与河流正交，并满足槽下净空要求，对于跨越公路、铁路的渡槽，亦是如此；(4)为了对于大型渡槽及上、下游填方渠道发生事故时进行检修，在进口段之前适当位置，设置节制闸(5)尽量少占耕地，减少拆迁，选择有较宽敞的施工场地，并便于交通运输。,8.1.2 渡槽的水力设计，荷载及荷载组合
3、（一）、渡槽的水力设计任务：槽身断面选型；拟定断面尺寸；确定进出口高。具体包括：纵坡i；水深h；净宽b；起止点高程。基本步骤：按最大过流量Qmax，拟定槽身纵坡I，净宽b，净深h。按设计流量Q设，计算渡槽全长范围内的总水头损失z；若z等于或小于z允许值，可最终确定I,h,b值，进而定出相关高程。,1、水力设计的计算方法及总水头损失计算渡槽长度L(1520)H，(H槽中水深)称短渡槽过流量Q按淹没宽顶堰计算长渡槽L(1520)H按明渠均匀流计算A过水断面积；C谢才系数；R水力半径；I纵坡(槽身)。,渠道水流，通过渡槽时的水面线变化过程，共可划分为三个阶段：(1)进口段：槽内流速大于渠道内的流速，
4、U进口段形成水面跌落，其值记Z，影响范围L1：损失系数见表81；U1渠内流速。,(2)渡槽段：明渠均匀流速，仅表现为沿程损失 记Z1iL(3)出口段：渠道内流速小于渡槽内流速U，出口段形成水面回升，其值记为Z2，影响范围l2。依表82查求注：表102是由模型实验总结的近似关系。总损失：z(Z-Z2)+Z1(83)注意点：富裕高度(槽壁超高)通过设计流量时；z允许水头损失，渠道规划设计时确定；检验由设计流量Q求得H(槽内水深)，即求得h。,当hh-H and ZZ h槽深 按Qmax拟定I,b,h，直至满足要求。2、槽底纵坡I，槽身净宽b和净深h的设计(1)底纵坡I：影响关系：底坡i大工程量 U
5、 Z 灌溉面积 效益 底坡i小结果相反 综合比较拟定。(2)净宽b，净深h(确定h/b)影响关系：h/b 纵向刚度 风力 稳定h/b且i过大，水深小，进口槽底抬高值y1过大，流量大时，进口降水段过小，当引起渠道冲刷。故需作综合比较选择。经验取值(初拟)i=1/5001/5000 且iJc临界坡 h/b0.61.0,3、进出口高程的确定 当设计确定i，b，h计算设计流量Q设相应的H，Z2各值后，依图102求出槽身起止点高程1，2进一步计算进口槽底抬高y1，出口渠底降低y2，一般y1，y2均为正值H1进口渠道水深H2出口渠道水深,y2要求0.1,（二）、渡槽的荷载及其组合 1、荷载：注意：上述荷载
6、，并不是任何渡槽都出现，应根据具体情况取舍！风压力：温度、砼收缩、徐变 温度变化荷载(对拱结构渡槽)，取决于封拱温度及可能出现的高温与低温(同拱坝部分),2、荷载组合 基本组合(设计条件)：特殊组合(校核条件)：,8.1.3 梁式渡槽一、槽身结构(一)槽身结构布置与构造1、槽身纵向支承形式和跨度 梁式渡槽的槽身是搁置槽墩或槽架上的，它既起着输水作用又起着纵梁的作用。为了适应温度变化及地基的不均匀沉陷等原因而引起的变形，须用横向变形缝将槽身分为独立工作的若干节。变形缝之间的每一节槽身，沿纵向一般是两个支点。按支点的位置分：(1)简支梁式：,(2)悬臂梁式：(3)连续梁式：受力条件较好，但对地基不
7、均匀沉陷敏感，采用较少。,2、槽身横断面形式和构造(1)断面形式：分为,主要控制性尺寸：1、深宽比(h/b)：水力计算拟定2、侧墙厚高比(t/h1)，有拉杆矩形槽 t/h11/121/6，f1020cm。U形槽主要控制性(图105)断面半园矩形(上部)1）R0，h0由水力计算拟定 R0内半径 h0上部矩形高2）经验尺寸：t(11/101/15)R0；h0=(0.40.6)R0 a=(1.52.5)t；b=(12)t，C=(12)t；d0=(0.50.6)R0 t0=(1.01.5)t,（二）槽身结构计算1、槽身结构计算方法简述 根据支承形式，跨宽比及跨高比的大小以及槽身断面形式等的不同，槽身的
8、应力状态与计算方法将有所不同。总体上讲，主要有弹性力学方法，结构力学方法以及板壳理论方法。随着计算机的普及，有限元方法将会成为一发展方向。在计算结构中，主要有二方向的内容，一是纵向计算，二是横向计算。这里将主要介绍横向计算。2、纵向计算 1）、计算工况：满槽水运行情况 2）、要点：用结构力学方法，根据支承情况，选择计算的力学模型(简图)，如多跨连续梁，简支梁，悬 臂梁等；计算出弯矩及剪力；,矩形槽：a)侧墙作纵梁考虑，计算内力及配筋，抗裂及开裂宽度验算，最后定出有关尺寸；b)由于底板相对较薄、刚度较小，不考虑底板的纵向作用，偏保守。3、横向计算 槽身的横向结构计算的方法和原理，在结构力学课程中
9、已全面细致地进行过讲解，没有必要重复。但是，要求同学们能抽出时间，对结构力学作必要的温习与回顾。在这里，将着重叙述矩陈与U形槽身横向计算的荷载，计算假定及计算简图的选择。,原理：沿槽长方向取1.0m作为计算分析对象(图108)，同时，考虑两截面上的剪力差值QQ1Q2，然后按框架结构求解其横向内力。基本荷载：水重，自重(1米槽长)注：Q在截面沿高度上呈抛物线形分布，方向向上，绝大部分分布在两侧墙截面上。计算简图：a)不带拉杆：简化为矩形开口框架 图88中去掉顶端水平链杆；,假定：设拉杆处的横向内力与不设拉杆处的横向内力相同，将拉杆均匀化，且不计拉杆的抗弯作用与轴力对变位的影响，拉杆按铰接考虑。拉
10、杆的实际拉力为计算拉力x1乘以拉杆间距。不计底板上截面上的剪力，侧墙截面上的剪力不影响侧墙的横向弯矩，将它集中置于侧墙底面，按链杆考虑。依对称性得(图810),(2)有拉杆的U形槽身 原理：沿槽长方向取1米进行计算分析，其荷载与带拉杆的矩形槽身相同；基本假定：1）槽身薄壳断面上的剪力分布(2t)成抛物线形(图811)2)剪力方向沿槽壳厚度中心线的切线方向。注意：二者方向相反，起抵消作用,2、拉杆作用按均化法处理(方法同前)依对称性，取一半考虑获得图811(b)当获得计算简图和荷载后，内力计算方法详见结构力学教材。U形槽身的应力分布规律：上半部外侧受拉；下半部内侧受拉。配筋：双层布筋：按内外侧控
11、制截面分别配筋；单层布筋：按弯矩图形将钢筋布置在受拉一侧。,（三）、槽墩和槽架1、槽墩,2、槽架(1)、槽架的形式和构造三种基本形式,单排架由两根铅直立柱与横梁组成的单跨多层钢筋砼刚架结构，多用于高度25m情形双排架相当于由两个单排架组装而成，显著的特点是由四根立柱组成，其强度、性均较单排架作用强。适用高度大于25m的情况；A字形排架多由两片A字形刚组成(即横槽方向和顺槽方向)。一般只在某 一方向上布置A字形。高度低，流量大顺槽方向布置A形排架；高度大，流量小横槽方向布置A形排架。注：相关构造尺寸，请同学自学！排架基础连接方式：,2、槽架结构计算 着重讲解单排架的结构计算(1)计算条件 荷载组
12、合,(2)荷载计算：(图819),垂直：横向：,应用反对称性，取一半计算；计算简图819(b)，(c)。,(3)计算方法和内容方法：a)结构力学“无切力分配法”(力矩分配)；b)杆系有限元法；内容：a)内力计算；b)配筋；c)立柱纵向弯曲稳定(按压杆稳定法)校核；d)施工吊装校核。三、基础结构(学生自学),8.1.4 拱式渡槽支承结构：墩台，主拱圈，拱上结构传力特点：槽身荷载拱上结构主拱圈墩台,(一)、拱上结构及槽身拱上结构是槽身与主拱圈的连接结构，分为：着重介绍空腹式1、实腹式拱上结构：1）砌背式；2）填背式。2、空腹式拱上结构,（1)、横墙(立墙)腹拱式拱上结构及槽身1)建筑特点：2)布置
13、及构造：,(2)、排架式拱上结构及槽身(图824)1)建筑特点 2)布置及构造,(二)、主拱圈结构的形式，布置和构造1、主拱圈的结构形式和构造结构形式,（5）拱铰的作用和构造 拱式渡槽的主拱圈，按设铰数目的不同，分为：有铰拱：二铰拱，三铰拱减小，消除支座变位影响；无铰拱稳定性好。拱铰形式：弧形拱，钢筋砼铰，钢铰。,2、主拱圈及拱式渡槽的特点 1、受力特点：经拱座约束，将拱上荷载转变为轴力(弯矩较小)，应力以压应力为主，(能充分发挥砼，石材等抗压性能好，抗拉性能较差的特点)2、连拱效应及推力拱特点：对于多跨连拱渡槽，应设加强墩；3、结构布置的对称性：尽量使拱上荷载对称，且中部小，两侧大。3、主拱
14、圈及拱式渡槽基本尺寸的选择 主要名词：(1)拱顶；(2)拱轴线；(3)跨度l；(4)矢高；(5)拱宽b；(6)矢跨比(f/l)；(7)宽跨比(b/l)；(8)拱脚高程。基本尺寸：(3)(8)拱宽(b)一般与渡身总宽度b相同宽跨比(b/l)影响到横向稳定 b/l大 稳定 b/l 稳定性 一般：b/l1/20,增稳措施：渡身断面：深度减小，宽度加大自拱顶至拱脚逐渐加宽 矢高(f)当拱脚高程一定，矢高可变余地较小；一般需满足净空要求(如航运、交通)拱脚高程(跨河渡槽)应高于最高洪水位 逢跨比(f/l)一般取(1/41/10)（三）、主拱圈结构设计主要内容：结构布置；结构计算。1、拱轴线的形式与选择(
15、1)小跨度主拱圈：a)中心角：120o130o b)半园拱：应力分布差(2)较大跨度排架拱：荷载近于均布，宜用二次抛物线原则：拱轴线接近于荷载压力线（各断面压力中心的连线）。,(3)实腹式渡槽(图1032)名词：拱轴系数 m=gk/gS;gk拱脚荷载强度gs拱顶荷载强度经推导，可得荷载压力线(即拱轴线)当1，y1=f时，,2.主拱圈的结构计算主要内容：内力计算；强度、稳定性验算。拱的稳定性问题，一般来说，只能对一些典型结构，在典型荷载作用下，这在一些力学书籍和专著中，有比较准确的解答。由于拱式渡槽的主拱圈，结构形式及荷载均较复杂，特别是难于合理考虑拱上结构对主拱稳定影响。目前，已有的计算方法是
16、近似的。拱圈的内力计算方法，总体上讲，因结构的形式，拱轴线形式、设铰数目以及荷载形式的不同而各异；另外，渡槽横向荷载作用下的内力，准确计算也比较复杂，也常采用近似方法计算。拱圈的稳定问题及横槽向荷载作用下的内力计算问题等，可参考桥梁及渡槽工程的有关书籍和资料。此处主要介绍铅直荷载作用下无铰拱的内力计算等问题。鉴于拱式渡槽的主拱圈，因结构与荷载一般情况下多为对称，可取一半进行计算分析，如图(832).,要点：由对称性知，在弹性中心，将只有对称的超静定未知力x1和x2。同时，仅作用有实腹拱的设计荷载(无论是实腹拱还是空腹拱，根据实际情况决定计算荷载均可)。对于无铰拱，拱圈内的剪 力及拱轴的曲率对弹
17、性中心变位的影响很小，可忽略不计，只计算由内力弯矩M产生的弯曲变形和由轴力N产生的弹性压缩而引起的弹性中心的变位。也就是说：弹性中心变位弯矩M引起的变位轴力N引起的变位。在拱荷载作用下，基本结构任意截面的弯矩Mp，轴力NP，剪力QP，应用力法求解得：,拱圈任意截面的内力：注意点：拱圈在自身重力作用下的内力，是否按无铰拱计算应根据施工方法决定。3、主拱圈强度及稳定验算（1）主拱圈强度验算 在各种荷载作用下，计算主拱圈各截面的内力，求出各截面在各种荷载最不利组合情况下产生的内力（包络图），最后进行强度验算。荷载组合：1）基本组合：设计水深水重+自中+人群荷载；2）特殊荷载：a）满槽水重+自重+人群
18、荷载+横向风载+温升；b）自重+横向风载+温降+混凝土收缩（检修）,（2）主拱圈稳定验算1）纵向稳定验算按轴向受压构件强度计算方法验算2）横向稳定验算,（四）槽墩、拱座及槽台根据受力情况，槽墩分为：,8.1.5 渡槽的进、出口建筑物及总体布置（一）、进、出口建筑物 作用与要求：平顺衔接渠道与槽中水流，减小水头损失；连接槽跨结构与两岸渠道，避免漏水及由此引起的过大沉降与滑坡；满足适用交通、泄水等要求。主要尺寸：进、出口渐变段长度lj=C(b1-b)(834)b1渠道水面宽度；b槽身水面宽度,其他构造设计 a)U形槽设连接段与渐变段未端的矩形断面连接；b)考虑交通要求交通桥或人行桥；c)考虑停水检修节制闸或预留检修门槽；d)注意止水、防渗。（二）槽身与两岸渠道的连接 1、槽身与填方渠道的连接(图837，838),斜坡式连接 连接段置于柔性的地基上，由于填土沉降，易引起裂缝、漏水，注意地基的碾压，夯实，防渗，止水。挡土式连接：(图838)边跨槽身的一端支承在重力式挡土墙或边槽墩上，并与渐变段或连接段连接。,2、槽身与挖方渠道连接(图839),
