水工建筑物第二章(1)

万家寨水电站鸟瞰图
五强溪重力坝
朱庄水库砌石重力坝
葛洲坝闸坝
磨子潭 支墩坝
梅山 连拱坝
伊太普重力坝
大狄克逊重力坝
三、重力坝的设计内容
重力坝的设计包括以下几方面的内容： (1)总体布置。首先选择坝址、坝轴线和 坝的结构型式，确定坝体与两岸及交叉建筑物 连接方式，最终确定坝体在枢纽中的布置。 (2)剖面设计。可参照已建的类似工程， 初拟剖面尺寸。
2)混凝土的耐久性 混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻 性、抗冲耐磨性、抗侵蚀性等。 (1)抗渗性是指混凝土抵抗水压力渗 透作用的能力。抗渗性可用抗渗等级表 示，抗渗等级系按28d龄期的标准试件所 测定的，分为w2、w4、w6、W8、wlO 和w12六级。对于承受侵蚀水的建筑物， 其抗渗等级应进行专门的试验研究，但 不得低于w4。坝体内部混凝土如无特殊 要求时，抗渗等级定为W2。
直接作用: 也称荷载， 直接作用: 也称荷载，指直接施加在结构上 的集中力或分布力。 的集中力或分布力。 间接作用: 也称间接荷载， 间接作用: 也称间接荷载，指使结构产生外 加变形或约束变形的原因。 加变形或约束变形的原因。 一、自重（包括设备自重） 自重（包括设备自重） 坝体自重由坝体体积和材料的重度计算确定。 坝体自重由坝体体积和材料的重度计算确定。 一般混凝土的重度为： 一般混凝土的重度为： 23.0~23.5kN/m 23.0~23.5kN/m3 当计算深层滑动时，还应考虑岩体的自重。 当计算深层滑动时，还应考虑岩体的自重。
●特殊荷载
特殊荷载包括：①校核洪水位时的 静水压力(10)；②相应于校核洪水位时的 扬压力(11)；③相应于校核洪水位时的浪 压力(12)；④相应于校核洪水位时的动水 压力(13)；⑤地震荷载(14)；⑥其他出现 机会很少的荷载(15)。
荷载组合情况分为两大类：一类是 基本组合，指水库处于正常运用情况下 可能发生的荷载组合，又称设计情况， 由基本荷载组成；另一类是特殊组合， 指水库处于非常运用情况下的荷载组合， 又称校核情况，由基本荷载和一种或几 种特殊荷载所组成。 进行荷载组合时，应根据各种荷载 同时作用的实际可能性，按表3- 1选用 (表中数字即荷载的序号)，必要时还可考 虑其他的不利组合。
(3)抗冲耐磨性是指抗高速水流或挟沙水流 的冲刷、磨损的性能。目前对于抗冲耐磨性尚 未制定出明确的技术标准。根据经验，使用高 等级硅酸盐水泥或硅酸盐大坝水泥拌制成的高 等级混凝土，其抗磨性较强，且要求骨料坚硬、 振捣密实。 (4)抗侵蚀性是指混凝土抵抗环境侵蚀的性 能。当环境水有侵蚀的情况，应选择抗侵蚀性 能较好的水泥，外部水位变化区及水下混凝土 的水灰比，可比常态混凝土的水灰比减少 0wenku.baidu.com05。为了降低水泥用量并提高混凝土的性 能，坝体混凝土内可适量掺加粉煤灰掺合料及 引气剂、塑化剂等外加剂。
二．重力坝的分类
按结构型式 分: 实体重力坝、 实体重力坝、 宽缝重力坝、 宽缝重力坝、 空腹重力坝、 空腹重力坝、 预应力重力 坝、装配式 重力坝等。 重力坝等。
按顶部是否泄流分：溢流坝和非溢流坝。 按顶部是否泄流分：溢流坝和非溢流坝。 按筑坝材料分：混凝土重力坝和浆砌石重力坝。 按筑坝材料分：混凝土重力坝和浆砌石重力坝。 三峡重力坝型式
1）分缝 由于地基不均匀沉降和温度变化、 施工时期的温度应力以及施工浇筑能力 等原因，一般要对坝体进行分缝。有一 些缝是永久性的，它们的存在不影响坝 体的整体性，不影响坝的正常运行；有 些缝是临时性的，只在施工时设置，它 们的存在将影响坝的整体性，使坝的正 常工作受到影响，因而要对这种缝加以 处理，使各个块体结合成整体。
为了减少工程造价，合理利用水泥， 通常将坝体混凝土按不同部位、不同工 作条件对混凝土性能的不同需求而进行 分区，采用不同的标号。
●重力坝的构造 重力坝的构造 重力坝的构造包括坝顶结构、坝体 分缝、防渗、排水、廊道系统等内容， 这些构造的科学合理选型和布置，可以 改善重力坝的工作状态，提高坝体的稳 定性，减小坝体应力，满足运用和施工 要求。
五、重力坝的材料及构造
●混凝土的性能 混凝土的性能 重力坝建筑材料主要是混凝土。重 力坝除要求材料有足够的强度外，还要 有一定的抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、 抗冲耐磨性以及低热性等。
1)强度 混凝土的强度等级应由按照标准方 法制作养护边长为150mm的立方体试件， 在28d龄期用标准试验方法测得的具有95 ％保证率的抗压强度标准值确定，用符 号C(N/m2)表示。对用于大坝的大体积混 凝土，其立方体抗压强度则是由在9()d龄 期用标准试验方法测得的具有80％保证 率的抗压强度标准值确定。
第二章 挡水建筑物
挡水建筑物的作用是拦截江河，提 高水位或形成水库，如各种材料和类型 的坝，各种用途和结构形式的水闸，以 及沿江河海岸修建的堤防、海塘等。在 水利水电工程中，挡水建筑物的种类繁 多，本章主要介绍混凝土重力坝、拱坝 和土石坝，并对近年来迅速发展的碾压 混凝土坝及混凝土面板堆石坝给予简要 的介绍。
六、重力坝的地基处理
重力坝承受较大的荷载，对地基的要求较 高。重力坝对地基的要求介于拱坝和土石坝之 间。除少数较低的重力坝可建在土基上以外， 一般都需要建在岩基上。然而，由于天然基岩 经受长期地质构造运动及外界因素的作用，多 少存在着风化、节理、裂隙、破碎等缺陷，在 不同程度上破坏了基岩的整体性和均匀性，降 低了基岩的强度和抗渗性能。因此，必须对地 基进行适当的处理，以满足重力坝对地基的要 求。重力坝对地基的要求主要有以下几点：
●基本荷载
基本荷载包括：①坝体及其上永久 设备的自重(1)；②正常蓄水位或设计洪 水位时的静水压力(2)；③相应于正常蓄 水位或设计洪水位时的扬压力(3)；④泥 沙压力(4)；⑤相应于正常蓄水位或设计 洪水位时的浪压力(5)；⑥冰压力(6)；⑦ 土压力(7)；⑧相应于设计洪水位时的动 水压力(8)；⑨其他出现机会较多的荷载 (9)。
四、重力坝的荷载及其组合
重力坝上的主要荷载有坝体自重、 上下游坝面上的水压力、扬压力、浪压 力或冰压力、泥沙压力以及地震荷载等。 设计重力坝时应根据具体的运用条件确 定各种荷载及其数值，并选择不同的荷 载组合，用以验算坝体的稳定和强度。
作用在坝上的荷载见图2 作用在坝上的荷载见图2—3，按其性质为基 本荷载和特殊荷载两种
第一节 重力坝
重力坝是一种古老而且应用广泛的坝型，它因主 要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定而得名。19世 纪以前，重力坝基本上都采用浆砌毛石修建；19世纪 后期，逐渐采用混凝土筑坝；进人20世纪，逐渐形成 了现代的混凝土重力坝。目前，世界上最高的重力坝 是瑞士的大狄克桑斯坝，坝高285m。由于重力坝的结 构简单，施工方便，抗御洪水能力强，抵抗战争破坏 等意外事故的能力也较强，工作安全可靠，至今仍被 广泛采用。其中，浆砌石重力坝的设计计算方法与混 凝土重力坝基本相同，所以本节仅介绍混凝土重力坝。
(2)抗冻性是表示混凝土在饱和状态下能经 受多次冻融循环而不破坏，同时也不严重降低 强度的性能。混凝土抗冻性用抗冻等级表示。 抗冻等级系按28d龄期的试件采用快冻试验测 定的，分为F50、F100、F150、F200、F300五 级。在具体施工时，应根据建筑物所在地区的 气候分区、冻融循环次数、表面局部小气候条 件、水分饱和程度、结构构件重要性和检修的 难易程度等因素选用抗冻等级。 抗冻性好的混凝土，其抗温度变化和干湿 变化的能力也较强。因此，在温暖地区为了使 混凝土具有抗风化能力，也应提出一定的抗冻 性要求。
按缝的作用可把缝分为沉降缝、伸缩缝及 工作缝。沉降缝是将坝体沿长度分段，以适应 地基的不均匀沉降，避免由此而引起坝体裂缝。 伸缩缝是将坝体分块，以减少坝体伸缩时地基 对坝体的约束和新旧混凝土之间的约束而产生 的裂缝。工作缝主要是便于分期浇筑、装拆模 板以及混凝土的散热而设的临时缝。按缝的位 置可分为横缝、纵缝及水平缝。横缝多为永久 缝，纵缝及水平缝皆为临时缝，图3-4所示为重 力坝的分缝示意图。
一、重力坝的工作原理及特点
工作原理: 工作原理: 主要依靠坝体的自 重，在坝体和地基的 接触面上产生抗滑力 来抵抗库水对坝体的 水平推力， 水平推力，以达到稳 定的要求。 定的要求。
重力坝的优点: 重力坝的优点: （1）对地形、地质条件适应性好。 对地形、地质条件适应性好。 （2）枢纽泄洪及导流问题容易解决。 枢纽泄洪及导流问题容易解决。 （3）结构简单、体积大，有利于机械化施工。 结构简单、体积大，有利于机械化施工。 （4）运行期间的维护及检修工作量较少。 运行期间的维护及检修工作量较少。 重力坝的缺点: 重力坝的缺点: （1）坝底扬压力较大。 坝底扬压力较大。 （2）材料强度一般不能充分发挥。 材料强度一般不能充分发挥。 （3）水泥水化热大，易导致坝体裂缝。 水泥水化热大，易导致坝体裂缝。
2)坝体防渗、排水和廊道系统 为了减少坝体渗透压力，靠近上游坝面应 设排水管幕，将渗入坝体的水由排水管排人廊 道，再由廊道汇集于集水井，由抽水机排到下 游。一般要求排水管距上游坝面的距离不小于 坝前水头的1／25～1／15，且不小于2m，以使 1 25 1 15 2m 渗透坡降在允许范围以内。排水管的间距为2-3m，上、下层廊道之问的排水管应布置成垂直 或接近于垂直方向，不宜有弯头，以便检修。 为了满足施工运用要求，如灌浆、排水、观测、 检查和交通的需要，须芷坝体内设置各种廊道， 这些廊道互相连通，构成廊道系统。
2.2 重力坝上的作用及作用效应组合
2.2.1 作用 作用是指外界环境对水工建筑物(水工结构) 作用是指外界环境对水工建筑物(水工结构) 的影响。按其随时间的变异分为： 的影响。按其随时间的变异分为： 永久作用： 自重、 土压力、 淤沙压力、 永久作用 ： 自重 、 土压力 、 淤沙压力 、 预 应力、地应力、围岩压力等。 应力、地应力、围岩压力等。 可变作用： 静水压力、 扬压力、 可变作用 ： 静水压力 、 扬压力 、 动水压力 及外水压力、 冰压力、 风荷载、 雪荷载、 及外水压力 、 冰压力 、 风荷载 、 雪荷载 、 冻涨 浪压力、温度作用、灌浆压力等。 力、浪压力、温度作用、灌浆压力等。 偶然作用： 地震力、 偶然作用 ： 地震力 、 校核洪水位时的静水 压力等。 压力等。
(3)稳定分析。用单一安全系数法和 可靠度理论法，核算坝体沿坝基面或沿 地基深层软弱结构面抗滑稳定安全性能。 (4)应力分析。用材料力学法和可靠 度理论法，对坝体材料进行强度校核。 (5)构造设计。根据施工和运行要求， 确定坝体细部构造(混凝土分区、廊道、 排水、分缝、止水设计等)。
(6)地基处理。地基的防渗(帷幕灌浆)、 排水、断层、破碎带处理等。 (7)溢流重力坝和泄水孔的孔口设计。 (8)监测设计。包括坝体内部和外部 的观测设计，制定大坝的运行、维护和 监测条例。
进行荷载组合时应注意以下几个问题： (1)应根据各种荷载同时作用的实际可能性， 选择计算中最不利的荷载组合。 (2)分期施工的坝应按相应的荷载组合分期 进行计算。 (3)施工期的情况应作必要的核算，作为特 殊组合。 (4)根据地质和其他条件，如考虑运用时排 水设备易于堵塞，需要经常维修时，应考虑排 水失效的情况作为特殊组合。
(1)具有足够的强度，以承受坝体的 压力； (2)具有足够的整体性、均匀性，以 满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷； (3)具有足够的抗渗性，以满足渗透 稳定，控制渗透流量； (4)具有足够的耐久性，以防止岩体 性质在水的长期作用下发生恶化。
根据统计资料，重力坝的失事中有40％是 因为地基问题造成的。中国在这方面也有很多 经验教训。因此在重力坝设计中，必须十分重 视对地基的勘测研究及处理，这是一项关系大 坝安全、经济和建设速度的极为重要的工作。 地基处理主要包含两个方面的工作：一是 防渗；二是提高基岩强度。一般情况下，地基 处理包括坝基开挖清理，对基岩进行固结灌浆 和防渗帷幕灌浆，设置基础排水系统，对特殊 地质构造如断层、破碎带和溶洞等进行专门的 处理等。