水工建筑物知识点

第一章绪论
*1，水资源具有储量的有限性、补给更新的循环性、时空分布的不均匀性、利与害的两重性，以及可储藏可输移等特点。

2，用来控制和分配水流，这些建筑物统称为水工建筑物，而不同类型水工建筑物组成的综合体称为水利枢纽。

3，水工建筑物按其作用可以分为：挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、取（进）水建筑物、政治建筑物、专门建筑物。

*4，水利工程的特点：1，工作条件复杂；2，受自然条件制约，施工难度大；3，效益大，对环境影响也大；4，失事后果严重
第二章水工建筑物设计综述
1，现代水利工程的特点：1,受自然条件制约，工程条件复杂多变；2，施工难度大，对环境和自然的影响也大；3，社会、经济效益高，与经济系统联系密切；4，工程失事的后果严重。

*2，工程设计步骤：技术预测→信息分析→科学类比→系统分析→方案设计→功能分析→安全分析→施工方案→经济分析→综合测评。

3，水利水电工程分等分级的意义：水利工程失常，会直接影响经济效益，而工程失事，将给社会带来巨大的财产损失和认为的灾害。

水利是过敏经济的基础产业，工作失常会导致社会经济运转受到阻滞和破坏，甚至形成社会问题。

因此，应从社会经济全局的利益出发，高度重视工程安全，将之与经济性合理地统一考虑。

有关规范将水利水电工程按重要性分等，将枢纽中的建筑物分级，就是体现了这种意图。

4，水利水电工程按其工程规模、效益和在国民经济中的重要性分成五等。

永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，根据其所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级和三级。

5，永久性建筑物系指工程运行期间使用的建筑物。

根据其重要性分为：1，主要建筑物。

系指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物，如堤坝、水闸、电站厂房及泵站等。

2，次要建筑物。

系指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大，并易于修复的建筑物，如挡土墙、导流墙及护岸等。

6，为了保证建筑物安全，必须在规划、设计阶段详加分析，保证其在蓄水及泄水能力，结构强度及稳定性等方面均有一定的安全储备。

表达形式：单一安全系数法和分项系数极限状态设计法。

*7，当整个结构（包括地基）或结构的一部分超过某一特定状态，结构不能满足设计规定的某种功能要求时，称此特定状态为该功能的极限状态。

*8，结构在给定的条件下，在基准期内完成预定功能的概率成为可靠度，或称可靠概率。

9，根据经验，导致水工建筑物出现事故或失事的主要因素为：1，作用的不利性变异（偏大）；
2，抗力的不良性变异（偏小）；3，状态方程变大不正确。

因此，设计时一定要保持有安全储备，即令R-S>0。

单一安全系数法中，如果R/S大于或等于规范给定的安全系数K，即认为结构符合安全要求。

*10，分项系数极限状态设计法的基点是概率原理的结构可靠度分析理论。

11，地震作用是典型的动态作用，在地基随机性运动的影响下，可能使基岩断层活化错动、砂土地层液化、库水对坝产生动水压力、建筑物震动开裂或倾倒、填土对挡土建筑物产生动土压力、水库库岸崩塌、土石坝坝坡滑动或沉降裂缝等反应，即地震作用效应，这些都需要认真对待。

第三章基岩上的重力坝
1，重力坝是用混凝土或石料等材料修筑，主要依靠坝体自重保持稳定的坝。

重力坝按其结
构型式，可分为实体重力坝、宽缝重力坝和空腹重力坝；按其是否溢流，可分为溢流重力坝和非溢流重力坝；按建筑材料，可分为混凝土重力坝和浆砌石重力坝。

2，工作原理：重力坝在水压力及其他何在作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所产生的拉应力，以满足强度要求。

3，沿坝轴线用横缝将坝体分隔成若干个独立工作的坝段，纵缝将坝体分成若干个坝块。

*4，重力坝的分析内容：剖面设计、稳定分析、应力分析、构造设计、地基处理、溢流重力坝和泄水孔的空口设计、检测设计。

*5，作用是指外界环境对水工建筑物的影响。

进行结构分析时，如果开始即可使用一个明确的外力来代表外界环境的影响，则此作用（外力）可称为荷载。

作用分为：1，永久作用，如结构自重、土压力；2，可变作用，如各种水荷载、温度作用；3，偶然作用，如地震作用、校核洪水。

6，重力坝承受的荷载与作用主要有：1，自重（包括固定设备重）；2，静水压力；3，扬压力；4，动水压力；5，波浪压力；6，泥沙压力；7，冰压力；8，土压力；9，温度作用；
10，风作用；11，地震作用等。

7，扬压力：扬压力包括上浮力及渗流压力。

上浮力是由坝体下游水深产生的浮托力；渗流压力是在上、下游水位差作用下，水流通过基岩节理、裂隙而产生的向上的静水压力。

8，坝体混凝土温度变化会产生膨胀会收缩，当变形受到约束时，将会产生温度应力。

结构由于温度变化产生的应力、变形、位移等，称为温度作用效应。

热量的来源主要为气温、日照、水温以及水泥的水化热等。

9，抗滑稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或坝基内部缓倾角软弱结构面抗滑稳定的安全度。

混凝土重力坝沿坝基面的失稳机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝基处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后，形成滑动通道，导致坝的整体失稳。

10，将坝体与基岩间看成是一个接触面，而不是胶结面。

抗剪强度公式K S=f(∑W-U)/∑P。

c’为抗剪断凝聚力。

抗剪断公式K’S=f′(∑W−U)+c′A
∑P
11，提高坝体的抗滑稳定性的工程措施：1，利用水重。

应注意，上游面的坡度不宜过缓，否则，在上游坝面容易产生拉应力，对强度不利。

2，采用有利的开挖轮廓线。

开挖坝基时，最好利用岩面自然坡度，使坝基面倾向上游。

3，设置齿墙。

4，抽水存世。

5，加固地基。

包括帷幕灌浆、固结灌浆以及断层，软弱夹层的处理等。

6，横缝灌浆，以增强坝的整体性和稳定性。

7，预加应力措施。

12，应力分析的目的的是为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时也是为研究、解决设计和施工中的某些问题。

重力坝的应力状态与很多因素有关，如坝体轮廓尺寸、静力荷载、地基性质、施工过程、温度变化以及地震特性等。

*13，应力分析的过程是：首先进行荷载计算和荷载组合，然后选择适宜的方法进行应力计算，最后检验坝体各部位的应力是否满足强度要求。

*14，应力分析方法：模型试验法，材料力学法，弹性力学的解析法，（弹性理论的差分法、弹性理论的有限元法）
*15，T r=T max-T j温差/水化热温升=最高温度-入仓温度
*16，坝体浇筑块的温度变化引起体积变形，如变形受到地基或内部约束便产生温度应力。

施工期的温度应力脑阔地基约束引起的应力和内外温差引起的应力。

17，当坝体某部位的拉应力超过混凝土的抗拉度时，就会出现裂缝。

重力坝的裂缝多是由于温度应力引起的，裂缝分为贯穿性裂缝和表面裂缝。

为防止大坝裂缝，除适当分缝、分
块和提高混凝土质量外，还应对混凝土进行温度控制。

18，对大体积混凝土进行温度控制的目的：1，防止由于混凝土温升过高，内外温差过大及气温骤降产生各种温度裂缝；2，做好接缝灌浆，满足结构手里要求，提高施工工效，简化施工程序提供依据。

*19，温度控制措施：1，降低混凝土的教主温度T J；2，减少混凝土水化热温升T r；3，加强对混凝土表面的养护和保护。

*20，设计断面要满足稳定和强度要求，保证大坝安全，工程量要小，运用方便，优选体形，避免出现不利的应力分布状态。

21，重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力3项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面。

P76图3-44
22，承载能力极限状态是指坝体沿坝基面或地基中软弱结构面滑动和坝趾因超过筑坝材料抗压强度而破坏的临街状态；正常使用极限状态是指坝踵不出现拉应力。

23，泄水重力坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物，其泄水方式有坝顶溢流和坝身泄水孔泄水。

在水利枢纽中，泄水重力坝可承担泄洪、向下游输水、排沙、放空水库和施工导流等任务。

泄水建筑物的泄水方式分为：表面溢流式（如溢流重力坝和岸边溢洪道）和深水泄流式（如坝身泄水孔和河岸泄水隧洞等）。

24，P83孔口设计——P85闸门和启闭机之前
*25，溢流坝段的横缝布置：1，闸墩中间；2，溢流孔跨中。

26，空化：在自然条件下，水体中含有许多很小的气核，当过坝水流中某店的压强降至饱和蒸汽压强时，气核迅速膨胀为小空泡，正中现象称为空化。

空蚀：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，可使坝面遭到破坏，这种现象称为空蚀。

27，掺气：空气从自由表面进入水体，产生掺气现象，掺气水流主要分为自掺气和强迫掺气两大类。

28，消能工消能时通过局部的水利现象，把水流中的一部分动能转换成热能，随水流散逸。

实现这种能量转换的途径有：水流内部的紊动、掺混、剪切及漩滚；水股的扩散及水股之间的碰撞；水流与固体边界的剧烈摩擦和撞击；水流与周围气体的摩擦和掺混等。

消能工设计原则：1，尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流和空气的紊动中，以及水流和空气的摩擦上；2，不产生危及坝体安全的河床和岸坡的局部冲刷；3，下泄水流平稳，不影响水流中其他建筑物的正常运行；4，结构简单，工作可靠；5，工程量小。

29，常用的消能工型式有：底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等。

挑流消能方式应用最广，底流消能方式次之。

临界水跃消能效果最好，但流态不稳定，有时会产生远驱水跃，河床需要保护的范围反而加长，应设法避免，可采取措施：1，在护坦末端设置消力坎，在坎前设置消力池；2，降低护坦高程形成消力池；3，既降低护坦高程，又建造消力坎形成综合消力池。

*30，挑流消能的特点与设计。

挑流消能时利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎，将下泄急流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床，与下游水流衔接的消能方式。

能量耗散大体分三部分：急流沿固体边界的摩擦消能；射流在空中与空气摩擦、掺气、扩散消能；射流落入下游尾水中淹没紊动扩散消能。

挑流消能通过鼻坎可以有效地控制射流落入下游河床位置、范围和流量分布，对尾水变幅适应性强，结构简单，施工、维修方便，工程量小。

但下游冲刷较严重，堆积物较多，尾水波动于雾化都较大。

挑流消能适用于基岩比较坚固的中、高水头各类泄水建筑物。

挑流消能设计主要内容：选择鼻坎型式、确定鼻坎高程、反弧半径、挑角、计算下游挑距和下游冲刷坑深度。

31，修建在基岩上的重力坝，其坝址由于经受长期的地质作用，一般都有风化、节理、裂隙等缺陷，有时还有断层、破碎带和软弱夹层。

地基处理额主要任务是：1，防渗；2，提高基岩的强度和整体性。

坝基开挖与清理的目的是使坝体坐落在稳定、坚固的地基上。

32，固结灌浆（针对地基岩石）的目的：提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性。

固结灌浆孔一般布置在应力较大的坝踵和坝趾附近，以及节理裂隙发育和破碎带范围内。

帷幕灌浆的目的：降低坝体渗透压力，防止坝基内产生机械或化学管涌，减少坝基渗流量。

防渗帷幕布置于靠近上游面轴线附近，自河床向两岸延伸。

灌浆帷幕和排水孔幕在渗流控制中的作用不同，前者主要是减小坝基渗流量，后者主要是降低扬压力。

33，重力坝的建筑材料主要是混凝土。

混凝土要求参数：抗渗、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀、低热、抗裂。

混凝土的强度等级是按混凝土立方体试块的抗压强度标准值f cb确定的。

*34，为了节约和合理使用水泥，通常将坝体按不同部位和不同工作条件分区，采用不同强度等级的混凝土。

35，横缝垂直坝轴线，用于将坝体分成若干个独立的坝段，横缝的划分主要取决于地基特性、河谷地形、温度变化、结构布置和浇筑能力等。

其作用是：减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求（如混凝土浇筑能力及温度控制等）。

临时性横缝的缝面应设置键槽和灌浆系统。

36，为了适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度应力，常在平行坝轴线方向设纵缝，将一个坝块，待其温度接近稳定温度后再进行接缝灌浆。

37，用碾压混凝土筑坝是将土石坝施工中的碾压技术应用于混凝土坝，采用自卸汽车或皮带输送机将超干硬性混凝土运到仓面，以推土机平仓，振动碾压实的筑坝新方法。

*38，支墩坝由一系列支墩和挡水面板组成，支墩沿坝轴线排列，前面设挡水面板。

第四章拱坝
1，拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上是凸向上游的拱形，其拱冠剖面是竖直向上的或向上游凸出的曲线形。

坝体结构既有拱作用又有梁作用，其承受的荷载一部分通过拱的作用压向两岸，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。

2，稳定特点：坝体的稳定性主要依靠；两岸工段的反力作用。

1959年12月，法国马尔巴塞拱坝溃决，就是由于左坝肩失稳造成拱坝破坏。

结构特点：拱坝属于高次超静定结构，超载能力强，安全度高，当外荷载增大或某一部位发生局部开裂时，坝体的拱和梁作用会进行自行调整，使坝体自重应力重新分配。

3，理想的地形应是左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。

坝端下游侧要有足够的岩体支承，以保证坝体的稳定。

*4，拱坝属于空间壳体结构，其体形设计要比重力坝复杂得多。

体形和布置要求：使坝体材料强度得以充分发挥，不出现不利的应力状态，并保证坝肩岩体的稳定，而工程量最省，造价最低。

5，水平径向荷载包括：静水力学、泥沙压力、浪压力及冰压力。

其中，静水压力是坝体承受的最主要荷载，应由拱、梁系统共同承担，可通过拱梁分载法来确定拱系和梁系上的荷载分配。

6，施工中，全部自重应由悬臂梁承担，悬臂梁的最终应力是由拱梁分载法算出的应力加上由于自重产生的应力。

灌浆前的自重作用应由梁系单独承担，灌浆后建筑的混凝土自重参加拱梁分载法中的变位调整。

7，温度作用是拱坝设计中的一项主要荷载，根据坝体稳定温度场，可定出沿不同高程各灌浆分区的封拱温度（由梁变拱的温度），一般选在年平均气温或略低时进行封拱。

*8，由于拱座嵌固在基岩中，限制坝体随温度变化而自由伸缩，于是就在坝体内产生了温度应力。

上述温度改变值，即为温度作用，也就是通常所称的温度荷载。

P159图4—19
9，纯拱法假定坝体由若干层独立的水平拱圈叠合而成，每层拱圈可作为弹性固端拱进行计算。

拱梁分载法是将拱坝视为由若干水平拱圈和竖直悬臂梁组成的空间结构，坝体承受的荷载一部分由拱系承担，一部分由梁系承担，拱和梁的荷载分配由拱系和梁系在各交点处变位一直的条件来确定。

拱冠梁法是一种简化了的拱梁分载法。

它是以拱冠处的一根悬臂梁为代表，与若干水平拱作为计算单元进行荷载分配，然后计算拱冠梁及各个拱圈的应力，计算工作量比多拱梁分载法节省很多。

*10，拱梁分载法的理论基础源于力学上的两个基本原理：1，内外力替代原理；2，唯一解原理。

结果是近似的是由于在计算中采用了一些简化的假定，以及拱、梁数目的有限性。

应用拱梁分载法的关键是拱梁系统的荷载分配。

拱系和梁系承担的荷载要根据拱梁各交点（称为共轭点）变位一致的条件来确定。

*11，拱冠梁法是按中央悬臂梁（拱冠梁）与若干层水平拱在其相交点变位一致的原则分配荷载的拱坝应力分析方法，是简化了的拱梁分载法。

*12，拱坝稳定是拱坝安全的根本保证。

拱坝失稳包括：坝肩岩体（拱座）失稳和沿建基面及其附近软弱面的上滑失稳，最常见的失稳是坝肩岩体在拱端推力的作用下发生的滑动失稳。

*13，拱坝稳定分析方法：刚体极限平衡法、有限元法和地质力学模型试验法。

P179
14，改善拱坝稳定措施：1，加强地基处理，对不利的节理和结构面等进行有效的冲洗和固结灌浆，以提高其抗剪强度。

2，加强坝肩岩体的灌浆和排水措施，减少岩体内的渗流压力。

3，将拱端向岸壁深挖嵌进，以扩大下游的抗滑岩体，也可避开不利的滑裂面，这种做法对增加拱座的稳定性较为有效。

4，改进拱圈设计，如采用三心拱、抛物线拱等型式，使拱端推力尽可能转向正交于岸坡。

5，如拱端岩基承载力较差，可局部扩大拱端或设置重力墩。

6，控制整体变形（挡墙、锚杆、预应力锚固）
15，拱坝坝身泄水方式：自由跌落式、鼻坎挑流式、滑雪道式及坝身泄水孔式。

*16，拱坝的消能方式主要为（本质：横向扩散，纵向拉开）：1，跌流消能。

水流从坝顶表孔直接跌落到下游河床。

跌流消能最为简单，但由于水舌入水点距坝趾较近，需采取相应的防冲措施。

2，挑流消能。

鼻坎式挑流、滑雪道式和坝身泄水孔式泄水大都采用各种不同形式的鼻坎，使水流分散、扩散、冲撞或改变方向，在空中消减那部分能量后再跌入水中，以减轻对下游河床的冲刷。

17，拱坝是整体结构，为便于施工期间混凝土散热和降低收缩应力，防止混凝土产生裂缝，需要分段浇筑，各段之间设有伸缩缝，在坝体混凝土冷却到年平均气温左右、混凝土充分收缩后，再用水泥浆封填，以保证坝的整体性。

伸缩缝由横缝和纵缝两类。

1，收缩缝（临时）分横缝纵缝，施工结束后需灌浆。

2，结构缝（改善坝体应力条件的缝）类似于周边缝、永久缝，不需灌浆，强化拱效应，弱化梁效应。

3，施工缝（施工中的混凝土浇筑缝，新老混凝土接触面上的缝）
18，重力墩是拱坝坝端的人工支座，可用于：河谷形状不规则。

为减小宽高比，避免岸坡的大量开挖；河谷有一岸较平缓，用重力墩与其他坝段（如重力坝或土石坝）或岸边溢洪道相连接等情况。

通过重力墩可将坝体传来的作用力传到基岩。

第五章土石坝
1，土石坝是指由土、石料等当地材料经抛填碾压填筑而成的坝。

*2，优点：1，可就地、就近地取材。

2，能适应各种不同的地形、地址和气候条件。

3，机械的发展，提高了土石坝的压实密度，减小了土石坝的断面，加快了施工进度，降低了造价。

4，设计进度快，大坝的安全可靠性有保障。

5，高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等土石坝配套工程设计和施工技术的综合发展，对加速土石坝的建设和推广
也起到了重要的促进作用。

6，对地震的适应性较好，始终成为高坝选型的首选。

3，土石坝按施工方法可分为：碾压式土石坝、充填式土石坝、水中填土坝和定向爆破土石坝。

碾压式土石坝可分为均值坝、土质防渗体分区坝（心墙坝、斜心墙坝、斜墙坝等）、非土质材料防渗体坝。

*4，坝坡坡率选择规律：1，上游比下游缓，但堆石料上下游坝坡坡率的差别可比砂土料小。

2，斜墙坝上游坝坡一般比心墙坝缓，厚心墙坝的下游坝坡一般比斜墙坝缓。

3，粘性土料做成的坝坡，常按高度分成数段。

砂土和堆石的稳定坝坡为一平面，可采用均一坡率。

4，由粉土、砂、轻壤土修建的均质坝，一般要求放缓下游坝坡。

5，当坝基或坝体土料沿轴线分布不一致时，应分段采用不同坡率。

*5，渗流分析的内容包括：1，确定把体内浸润线；2，确定渗流的主要参数——渗流流速与比降；3，确定渗流量。

6，浸润线：水从土石坝引水面经过坝体向下游渗透所形成的自由水面和坝体横抛面的相交线被称为浸润线。

7，P220推渗流分析公式
*8，流网基本特征；1，等势线和流线互相正交。

2，流网各个网格的长宽比保持为常数时，相邻等势线间的水头线相等，各相邻流线间通过的渗流量相等。

3，上游水位下的坝坡和库底，以及下游水位下的坝坡和河底均为等势线，总水头等于坝上下游水位差。

4，坝体下不透水层面为一流线。

5，浸润线为一流线，线上各点按其高程确定水头。

6，渗流在下游坝坡上的逸出段与浸润线一样，其压强等于大气压强，各点水头也随高程而变化。

7，在两种渗流系数不同的土层交界面上，流线间的夹角有如下关系：tanα1/tan α2=k1/k2
9，管涌：指在渗流作用下，土中的细颗粒由骨架孔隙通道中被带走而流失的现象，主要出现在较疏松的无粘性土中。

流土：指在向上渗流作用下，局部表层土体被顶起或是粗细颗粒群发生浮动而流失的现象。

前者多发生在表层为粘性土或其他细粒土组成的土层中，后者多发生在不均匀砂土层中。

管涌和流土发生在单一土体中。

10，接触冲刷：指渗流沿着渗流系数不同的两种土层接触面上或是建筑物与地基接触面上流动时，将细颗粒沿接触面带走的现象。

接触流土：指在渗流系数相差悬殊的两种土层交界面上，由于渗流垂直于层面流动，将渗流系数较小土层中的细颗粒代入深流系数较大土层中的现象。

两者发生在多土体中。

*11，渗流变形取决于土的颗粒组成和级配。

天然土一般包含粗、细两种颗粒，粗粒土形成骨架，细粒土填充于其中。

12，固结：超过稳定渗流的孔隙水压力逐步消散，外部荷载相应地转移到土骨架上，土体的压缩变形趋于稳定。

13，滑动失稳诱因：由于该处孔隙水来不及消散，孔隙水压力升高，土的有效应力基本上保持不变。

但滑动力则随着坝的升高而增加，导致抗滑安全系数降低，坝和地基的稳定受到威胁。

14，固结分析的目的在于了解施工期和蓄水期粘性土防渗体和坝基中孔隙水压力消散及沉降变形的发展过程，评价坝体和坝基的稳定。

15，对土石坝提出的一般要求是：1，具有与使用目的相适应的工程性质。

2，土石料的工程性质在长时期内保持稳定。

3，具有良好的压实性质。

*16，坝壳料主要用来保持坝体的稳定，应具有比较高的强度。

下游坝壳的水下部位以及上游坝壳的水位变动区内则要求具有良好的排水性能。

*17，对满足抗渗和稳定要求的坝的基本剖面，尚需进一步通过结构设计来保障的安全和正常运行。