水工建筑物前五章要点

水利工程是指对自然界的地表水和地下水进行控制和调配，以达到除害兴利目的而修建的工程。

根本任务是：除水害兴水利。

水利水电工程的设计阶段:项目建议书阶段、可行性研究阶段、初步设计、招投标设计、施工图设计资源水利就是从水资源开发、利用、治理、配置、节约、保护等六个方面系统分析，综合考虑，实现水资源的可持续利用。

水工建筑物：为了达到防洪、灌溉、发电、供水等目的，修建的各种不同类型的，用来控制和支配水流的建筑物。

水利枢纽指集中建造的不同类型的水工建筑物组成的有机的综合体。

水利枢纽分为蓄水枢纽（水库）和取水枢纽。

其中水库枢纽包括挡水、泄水、输水（或引水）三类建筑物，称为水库三大件。

水工建筑物的分类按其在枢纽中的作用分为：挡水建筑物：用以拦截江河，形成水库或壅高水位。

如拦河坝、拦河闸、提防、海塘、施工围堰。

泄水建筑物：用以宣泄多余水量，排放泥沙和冰凌，或为人防、检修而放空水库等，以保证坝和其他建筑物的安全。

如溢流坝、溢洪道、隧洞、泄水闸、泄水孔。

输水建筑物：为满足灌溉、发电和供水的需要，从上游向下游输水用的建筑物。

如：引水隧洞、压力钢管、渠道、渡槽、倒虹吸等。

取（进）水建筑物：是输水建筑物的首部建筑物，如引水隧洞的进口段、进水闸、扬水站等。

整治建筑物（丁坝、顺坝、导流堤、护岸）、专门建筑物（压力前池、调压室、沉砂池、冲沙闸）。

水利工程的特点：①工作条件的复杂性；②设计选型独特；③施工难度大；④社会、经济效益高；⑤对环境影响的多面性；⑥失事后果的严重性；重力坝的工作原理：在水压力及其他荷载的作用下，主要依靠坝体自身重量产生的抗滑力来满足稳定的要求；同是也依靠坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力，以满足强度的要求。

其基本剖面为上游面近于垂直的三角形剖面。

按结构形式分：实体重力坝、空腹重力坝、宽缝重力坝。

宽缝重力坝：将相邻坝段间的横缝部分地拓宽的重力坝。

空腹重力坝：在实体重力坝坝底沿坝轴线方向设置大尺寸的空腔按是否溢流分：溢流重力坝、非溢流重力坝按筑坝材料分：混泥土重力坝、浆砌石重力坝为了减少渗流对坝体稳定和应力的不利影响，在靠近坝体的上游面设排水孔，靠近坝踵的地基内设防渗帷幕，帷幕后设排水孔重力坝的优点：①结构作用明确，设计方法简便，安全可靠；②对地形、地质条件适应能力强；③枢纽泄洪问题易解决；④便于施工导流；⑤施工方便重力坝的缺点：坝体剖面尺寸大，材料用量多；②坝体应力较低，材料强度不能发挥；③坝体与地基接触面积大，坝底扬压力大，对稳定不利；④坝体体积大，施工水化热难以控制。

扬压力是由上、下游水位差产生的渗透水压力和下游水深产生的浮托力两部分组成。

作用在坝上的荷载，按性质分为基本荷载和特殊荷载泥沙压力根据坝前淤积高程——淤积计算年限可取50-100年。

波浪要素：波浪高度、波浪长度、波浪中心线超出静水面的高度。

基本烈度：是指该地区今后50年期限内，可能遭遇超越概率P50为0.10的地震烈度。

重力坝抗滑稳定分析目的:核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全性能。

失稳的形式：①沿坝体抗剪能力不足的软弱结构薄弱层面(坝体与坝基的接触面和坝基岩体内连续的断层破碎带)产生滑动。

②在各种荷载作用下，上游坝踵出现拉应力，使之裂缝，或下游坝趾压应力过大，超过坝基岩体或坝体砼的允许强度而压碎，从而产生破坏。

抗滑稳定分析方法：刚体极限平衡法、有限单元法、地质力学模型试验（重要工程）提高坝体抗滑稳定性的工程措施：①利用水重；②将坝基面开挖成倾向上游的斜面，增加抗滑力；③设置齿墙；④设置排水系统，减小扬压力；⑤加固地基（帷幕灌浆、固结灌浆）；⑥横缝溉浆；⑦预应力锚固措施。

应力分析的目的：①检验大坝在施工期间和运用期是否满足强度要求；②根据应力分布情况进行坝体砼标号分区；③为研究坝体某些部位应力集中和配筋等提供依据。

应力分析方法：理论计算、模型试验。

材料力学法基本假定：①坝体砼为均质、连续、各向同性的弹性材料；②视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力影响，并认为各坝段之间独立工作，横缝不传力；③不考虑两侧坝体的影响；④假定坝体水平截面上的正应力按直线分布，不考虑廊道对坝体应力的影响。

重力坝体温度的三个阶段：上升期（一般为15℃，最高为36℃）、降温期、稳定期。

温度裂缝的分类：贯穿性裂缝、表面裂缝温度控制的目的：①防止混泥土由于温度过高、内外温差过大、及气温骤降产生各种温度裂缝；②为做好接缝灌浆，满足结构受力要求，提高施工工效，简化施工程序提供依据。

温度控制的标准：①地基的容许温差；②上下层容许温差（不超过15~20℃）；③内外容许温差（不大于20~25℃）温度控制措施：①降低混泥土的浇筑温度（预冷骨料、加冰搅拌）；②减少混泥土水化热升温（用中、低水化热水泥、埋大石块、用冷却水管进行初期冷却、减小浇筑层厚度）；③加强对混泥土表面的养护和保护（对表面加覆盖、浇水养护）重力坝剖面设计原则：①保证大坝安全运用，满足稳定和强度要求；②尽可能节省工程，使剖面尺寸最小，造价最低；③坝体外形轮廓简单，便于施工，运行方便。

溢流重力坝的孔口形式：开敞溢流式、大孔口溢流式闸门按工作条件分为：工作闸门、检修闸门、事故闸门；按形式分：平面闸门、弧形闸门、翻板闸门重力坝消能形式及适用条件①挑流消能适用于基岩比较坚固的高坝或中坝；②底流消能适用于中、低坝或基岩较软弱的河道（挑角θ=20~25°）；③面流消能适用于水头较小的中、低坝，要求下游水位稳定，尾水较深，河道顺直，河床和河岸在一定范围内有较高抗冲能力。

消力戽适用于尾水较深，变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲能力的情况。

联合消能适用于泄洪量大，河床狭窄、下游地质条件差的高、中坝或单一消能形式经济合理性差的情况。

重力坝地基处理主要包含：防渗、提高基岩强度和整体性。

坝基固结灌浆的目的：①提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性；②减小基岩受力后的变形；③提高基岩的抗压抗剪强度。

帷幕灌浆的目的：①降低坝底渗透压力，防止坝基内产生机械或化学管涌，②减少坝基渗流量。

拱坝的类型：薄拱坝、一般拱坝、厚拱坝（重力拱坝）、单曲拱坝、双曲拱坝。

拱坝中心角对应力、稳定的影响：中心角愈大，拱圈厚度愈小，材料强度可得到充分利用，对应力有利。

但对拱坝坝肩稳定不利。

拱坝的最大应力常在1/3~1/2处拱坝的布置原则：①使材料的强度得到充分的发挥；②满足安全要求；③满足运用要求：a、泄洪b、引水c、交通；④满足施工要求：a、模板制作；b、倒悬度；⑤满足经济的要求：在满足上述多项要求的情况下，近可能使整个枢纽的总投资最小，最早受益拱坝的布置步骤：①根据坝址地形、地质图确定开挖深度，画出可利用岩石等高线；②在地形图上确定顶拱轴线的位置（尽量使拱轴线与基岩等高线在拱端处的夹角不小于30°）③按出拟拱冠梁的尺寸，选取拱圈，绘制个拱圈的平面图；④选取若干铅垂面，检查倒悬度及坝面光滑度；⑤应力计算和坝肩抗滑稳定校核；⑥计算坝体工程量，进行方案比较。

一般情况下，温降对坝体应力不利，而对坝肩稳定有利。

封拱温度越低，建成后愈有利于降低坝体拉应力。

温度荷载包括：均匀温度变化t m、沿坝厚温度梯度变化t d、非线性温度变化t n；拱坝应力分析方法：圆筒法、纯拱法、拱梁分载法（包括拱梁法和拱冠梁法）、有限单元法和模型试验法等。

纯拱法假定拱坝由一系列各自独立互不影响的水平拱圈叠全而成，每层拱圈简化为两端固结的平面拱，用结构力学方法求解拱的应力。

拱冠梁法基本原理：①它按照拱冠部位的中央悬臂梁和若干水平拱在交点处径向变位一致的原则进行拱梁荷载分配。

②求得各层拱圈的拱冠梁各自承担的荷载后，拱圈各截面的应力，拱冠梁按悬臂梁结构计算应力。

拱坝稳定分析的方法：刚体极限平衡法、有限单元法、地质力学模型试验改善拱坝稳定的措施：①加强地基处理，对不利的节理和结构面进行有效的冲洗和固结灌浆，提高抗剪强度；②加强坝肩的灌浆和排水措施，减少岩体内的渗流措施；③将拱端向岸壁深挖嵌进，扩大下游的抗滑岩体，避开不利的滑裂面；④改进拱圈设计；⑤若拱端基岩稳定性较差，可局部扩大拱端或设置重力墩。

拱坝坝身泄水方式：自由跌落式、鼻坎挑流式、滑雪道式、坝身泄水孔式。

土石坝的设计要求：①具有做够的断面以保持坝的稳定；②设置良好的防渗和排水设施用于控制渗流；③根据现场条件选择筑坝土石料的种类、坝体的结构形式等；④坝基足够稳定；⑤泄洪建筑物具有足够的泄洪能力，坝顶具有足够的安全超高，以防洪水漫顶；⑥采取适当的构造措施，使坝应用可靠和耐久。

土石坝的类型：按其施工方法分碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水力冲填坝和水中填土坝。

碾压式土石坝分为均质坝、分区坝（心墙坝、斜墙坝和斜心墙坝）、人工防渗材料坝。

均质坝渗透系数不大于1x10-4cm/s,心墙和斜墙不大于1x10-5cm/s坝顶高程按设计高程和校核高程选择较大值，竣工时的坝顶高程应留有坝高1%的沉降量中低高度的均质坝，其平均坡度率约为1:3，土质防渗体的心墙坝1:1.5~1:2.5（下游采用堆石）1:2.0~1:3.0（下游采用土料）；1:1.7~1:2.7（上游采用堆石），1:2.5~1:3.5（上游采用土料）马道的宽度不小于1.5m由于上游坝坡长期浸泡于水中，土的抗剪强度下降，会降低坝体的稳定性。

所以，当材料相同时，上游坡常比下游坡缓，对在同一水位侧坝坡，水下部分也常比水上部分缓。

防渗体的作用：防渗，降低坝体浸润线、降低渗透坡降和控制渗流量。

渗流计算的内容和目的：①确定坝体浸润线及下游出逸点的位置，绘制坝体和坝基流网图。

②确定坝体和坝基渗流量，以便估算水库的渗漏损失；③确定坝体和坝基的渗流流速和坡降，验算该处是否会发生渗透破坏；④确定水库水位骤降对水库水位的影响。

目的：①为坝体内各部分土的饱水状态的划分提供依据；②确定对坝坡有重要影响的渗流作用力；③为稳定分析和应力分析提供依据；④检验土体的渗流稳定性，防止发生流土和管涌；⑤确定坝体和坝基防渗体的尺寸和排水设施的容量和尺寸；⑥确定通过坝和河岸的渗流水量。

渗流分析方法：流体力学法、水力学法、流网法、试验法和数值解法。

水力学法基本假定：①坝体为均质，坝内各点在各方向的渗透系数相同；②渗透水流为二元稳定层流状态，符合达西定律；③渗透水流是渐变的，任一铅直过水断面内各点的渗透坡降和流速相等。

渗透变形的类型：管涌（在渗流作用下，土中的细颗粒由骨架空隙通道中被被带走而流失的现象）流土（在向上渗流作用下，表层局部土体被顶起或是粗颗粒群发生流动而流失的现象）、接触冲刷、接触流土等类型。

防渗透变形的工程措施：①土料设计时考虑提高土的抗渗性；②采取水平或垂直防渗措施，尽可能地延长渗径，以达到降低渗透坡降的目的；③设置排水沟或减压井，降低坝体浸润线和下游渗流出口处的渗透压力；④对可能发生管涌的部位，设置反滤层；⑤对可能发生流土段，设置盖重增加土体抵抗渗透变形的能力。