水工建筑物作业答案解析

《水工建筑物》课程测验作业
及课程设计
一．平时作业
（一）绪论
1、我国的水资源丰富吗？开发程度如何？解决能源问题是否应优先开发水电？为什么？
我国水资源总量丰富，但人均拥有量少，所以应选不丰富。

我国水资源开发利用程度接近25%，从全国而言，不完全一样，呈现“北高南低”，南方特别是西南，水资源丰富而利用量少，利用程度低，而北方尤其是西北干旱地区和华北地区利用程度高。

解决能源问题应优先开发水电，因为水能在可再生能源中是开发技术最成熟，开发经验最丰富，发电成本最经济。

2、什么是水利枢纽？什么是水工建筑物？与土木工程其他建筑物相比，水工建筑物有些什么特点？
水利枢纽是修建在同一河段或地点，共同完成以防治水灾、开发利用水资源为目标的不同类型水工建筑物的综合体。

水工建筑物是控制和调节水流，防治水害，开发利用水资源的建筑物。

水工建筑物特点：工作条件的复杂性、设计选型的独特性、施工建造的艰巨性、失事后果的严重性。

3、水工建筑物有哪几类？各自功用是什么？
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。

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。

输水建筑物：为灌溉、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、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、进水闸等。

整治建筑物、专门建筑物。

整治建筑物（改善河道水流条件、调整河势、稳定河槽、维护航道和保护河岸）。

专门性水工建筑物（为水利工程种某些特定的单项任务而设置的建筑物）。

4、河川上建造水利枢纽后对环境影响如何？利弊如何？人们应如何对待？
河流中筑坝建库后上下游水文状态将发生变化。

上游水库水深加大，流速降低，河流带入水库的泥沙会淤积下来，逐渐减少水库库容，这实际上最终决定水库的寿命。

较天然河流大大增加了的水库面积与容积可以养鱼，对渔业有利，但坝对原河鱼的回游成为障碍，任何过鱼设施也难以维持原状，某些鱼类品种因此消失了。

水库调蓄的水量增加农作物灌溉的机会；但水温可能不如原来情况更适应作物生长。

此外，库水化学成分的改变，营养物质浓集导致水的异味或缺氧等，也会对生物带来影响。

人们应该充分考虑生态等因素及影响，合理开发河流。

5、水利枢纽、水工建筑物为何要分等分级？分等分级的依据是什么？
水利工程的作用是防洪除害与兴利，根据不同的要求棌用不同的标准，才能达到既经济，又高效的目的。

分等分级依据工程规模、效益以及在国民经济中的重要性来划分等级，依据所属工程的等别及其在工程中的作用和重要性分析确定。

（二）重力坝
1、重力坝的工作原理和工作特点是什么？
重力坝的工作原理是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。

特点：重力坝筑坝材料的抗冲能力强；重力坝结构简单，施工技术比较容易掌握，有利于机械化施工，断面尺寸大，材料强度高、耐久性好，安全性较高；对地形地质条件适应性较好；坝体与地基接触面积大，受扬压力的影响也大；重力坝剖面尺寸较大，坝体内部的压应力一般不大，因此材料的强度不能充分发挥；坝体体积大，水泥用量多，混凝土凝固时水化热高，散热条件差，分部浇筑，容易形成裂缝。

2、重力坝剖面比较宽厚的原因是什么？为什么说重力坝的材料强度不能得到充分利用？
依靠坝身自重在坝基面上产生摩阻力来抵抗水平水压力以达到稳定的要求并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。

重力坝剖面尺寸较大，坝体内部的压应力一般不大，因此材料的强度不能充分发挥。

3、作用在重力坝上的荷载有哪些？其计算方法如何？为什么要进行荷载组合？设计重力坝时需考虑哪几种荷载组合？
作用于重力坝上的荷载有坝体自重、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。

在进行重力坝的设计时，应该把各种荷载根据它们同时出现的机率，合理地组合成不同的设计情况，根据组合出现的概率大小，用不同的安全系数进行核算，以妥善解决安全和经济的矛盾。

基本组合、长期组合、短期组合、偶然组合。

4、重力坝失稳破坏形式是什么？稳定验算有哪些公式？它们主要区别在哪里？提高重力坝稳定性的工程措施有哪些？
两种破坏类型：一种是坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动，包括沿坝与基岩接触面的滑动以及沿坝基岩体内连续软弱结构面产生的深层滑动；另一种是在荷载作用下，上游坝踵以下岩体受拉产生倾斜裂缝以及下游坝趾岩体受压发生压碎区而引起倾倒滑移破坏。

稳定验算公式：单一安全系数法、极限状态分析法
（1）抗剪强度公式
Ks=f(∑W-U)/ ∑P
（2）抗剪断公式
Ks’=[f’(∑W-U)+c’A]/∑P
公式主要区别：①当整个可能滑动面基本上都由软弱结构面构成时，宜用抗剪强度公式计算，Ks值用1.05~1.3；②可能滑动面仅一部分通过软弱结构面，其余部分切穿岩体或混凝土，有条件提供一定抗滑力的抗力体时，应采用抗剪断公式核算，Ks’>2.3~3.0。

工程措施有：将坝的迎水面做成倾斜或折坡行，利用坝面上的水重来增加坝体的抗滑稳定；将坝基面开挖成倾向上游的斜面，借以增加抗滑力提高稳定性；利用地形地质特点，在坝踵或坝趾设置深入基岩的齿墙，用以增加抗力提高稳定性；采用有效的防渗排水或抽水措施，降低扬压力；利用预加应力提高抗滑稳定性
5、重力坝应力分析的目的是什么？目前应力分析的方法有哪几种？材料力学的基本假定是什么？如何应用材料力学法计算坝体的边缘应力和内部应力？
目的：检查坝体和坝基在计算情况下能否满足强度的要求，并根据应力分布情况进行坝体混凝土标号的分区；研究坝体某些部位的局部应力集中和某些特殊结构的应力状态，以便采取加强措施。

理论计算和模型试验两大类，理论计算又分为材料力学法和弹性理论法等。

基本假定：坝体水平截面上的垂直正应力呈直线分布，即可按材料力学的偏心受压公式计算。

6、拟定重力坝剖面的主要原则是什么？何谓重力坝的基本剖面？如何从基本剖面修改成实用剖面？
主要原则：“既满足稳定和强度要求，又使体积最小和施工简单运行方便”。

重力坝的基本剖面：在主要荷载作用下满足坝基面稳定和应力控制条件的最小三角形剖面。

考虑其他荷载和运用条件，修改坝顶宽度、坝顶高程和剖面形态，使其符合实际需要。

7、重力坝为什么要分缝？缝有哪几种类型？横缝如何处理？止水如何布置？纵缝有哪几种布置方式？为什么斜纵缝可以不进行水泥灌浆？
分缝原因：防止在运用期由于温度变化发生伸缩变形和地基可能产生不均匀沉陷而引起裂缝，以及为了适应施工期混凝土的浇筑能力和温度控制等。

分类：垂直于坝轴线的横缝和平行于坝轴线的纵缝。

横缝处理：高坝的横缝止水常采用两道金属止水片和一道防渗沥青井，中低坝的止水可适当简化。

纵缝布置方式：垂直纵缝、斜缝、错缝。

斜纵缝可以不进行水泥灌浆是因为缝面的剪应力很小，可只在缝面上凿毛、加设键槽。

8、重力坝各部位对混凝土性能有哪些要求？如何进行坝体混凝土标号分区？
Ⅰ区：上游库水位及下游库水位以上坝体表层混凝土，主要受大气的影响，要求该层要有较高的抗冻性，耐久性；Ⅱ区：上、下游水位变化区的坝体表层混凝土，既受水的作用也受大气的影响，要求该层有较高的抗冻和抗裂性；Ⅲ区：上、下游最低水为以下坝体表层混凝土，受水的作用，要求该层有较高的强度和抗冻、抗裂性；Ⅳ区：与地基接触的底层混凝土，受上部坝体自重和渗透扬压力作用，要求该部位有较高的强度和抗裂性；Ⅴ区：坝体内部混凝土，可以采用比坝基部位混凝土低一标号的混凝土，但要严格控制发热量，以避免温度应力造成
100，Ⅵ区：抗冲部位（如溢流面、坝体开裂；坝体内部混凝土的标号不应低于 R
90
泄水孔、闸墩、导墙等处）的混凝土，受高速水流的作用，要求该部位要有高强度，抗冻、抗冲刷、抗侵蚀性。

9、重力坝的坝身和坝基排水的目的是什么？各如何布置？
目的：减小渗水对坝体的有害影响，降低坝体中的渗透压力
布置方式：“在靠近上游坝面处应设置排水管，将坝体渗水由排水管排入廊道，再由廊道汇集于集水井，用水泵排向下游”，为了收集并排走由地基渗透进来的水，进一步降低坝底扬压力，主排水孔一般设在基础灌浆廊道的下游侧，如基岩裂隙发育，还可在基岩表面设置排水廊道或排水沟。

10、坝内廊道的作用有哪些？不同用途的廊道设置部位和尺寸如何确定？廊道系统的布置原则是什么？
坝内廊道设置应兼顾基础灌浆、排水、安全监测、检查维修、运
行操作和坝内交通等多种用途。

基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据灌浆机具尺寸和工作空间要求确定，宽度宜为2．5～3．om，高度宜为3．0～3．5m 。

交通及监测廊道最小宽度宜为1．2m，最小高度直为2．2m。

廊道系统的布置原则：高、中坝内必须设置基础灌浆廊道。

基础灌浆廊道的纵向坡度应缓于450，坡度较陡的长廊道，应分段设置安全平台及扶手。

当两岸坡度陡于450 时，基础灌浆廊道可分层布置，并用竖井连接。

基础灌浆廊道底板混凝土厚度不宜小于3m。

11、混凝土重力坝施工期产生裂缝的原因为何？防止裂缝的主要措施是什么？
产生裂缝的原因：当混凝土块体不能自由伸缩而受到约束时，就要产生温度应力，而当拉应力超过混凝土的抗裂能力时，则要产生温度裂缝。

措施：加强温度控制、提高混凝土的抗裂强度、保证混凝土的施工质量和采用合理的分缝、分块等。

12、重力坝对地基有哪些要求？为什么有这些要求？帷幕灌浆和固结灌浆的作用是什么？断层破碎带处理方式有哪些？
有足够的强度，以承受坝体的压力；具有足够的整体性和均匀性，以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷的要求；具有足够的抗渗性，以满足坝基渗透稳定和减少渗透的要求；具有足够的耐久性以防止在水的长期作用下基岩性质发生恶化。

固结灌浆目的：提高基岩整体性和弹性模量，减少基岩受力后的变形，并提高基岩的抗压、抗剪强度；降低坝基的渗透性，减少渗透量。

帷幕灌浆目的：降低坝基的渗透压力，减少渗透流量；防止坝基内产生机械或化学管涌，即防止基岩裂隙中的充填物被带走或溶滤。

对于倾角较大或与基面接近垂直的软弱破碎带，常采用混凝土梁或混凝土拱加固；对于倾角较小的软弱破碎带，除适当加深表层混凝土塞外，还要在较深的部位沿破碎带开挖若干个斜井和平洞，然后用混凝土回填密实。

（三）拱坝
1、拱坝和重力坝的工作条件有何不同？
重力坝完全靠自重维持稳定，拱坝利用筑坝材料强度承担以轴向压力为主的拱内力，并由两岸拱端岩体来支撑拱端推力。

2、拱坝对地形、地质条件有何要求？河谷形状对拱坝剖面和荷载分配有何影响？
地形指标包括坝顶高程处的河谷宽度L和坝高H之比（称L/H为宽高比）及河谷断面形状
较理想的地质条件是岩石均匀单一，有足够的强度，透水性小，耐久性好，两岸拱座基岩坚固完整，边坡稳定，无大的断裂构造和软弱夹层，能承受拱端传来的巨大推力而不致产生过大的变形，尤其要避免两岸边坡存在向河床倾斜的节理裂隙或构造。

河谷的宽高比愈小，说明河谷愈窄深。

此时拱坝水平拱圈跨度相对较短，悬臂梁高度相对较大，即拱的刚度大，拱作用容易发挥，可将荷载大部分通过拱作用传给两岸，坝体可设计的薄些，反之设计得厚些；河谷的断面形状，V形河谷，拱圈跨度自上而下逐渐减小，拱刚度逐渐增强，拱可做得薄些；U形河谷，拱圈跨度自上而下几乎不变，拱刚度不增加而水压力增加，需增加梁的刚度，做得厚些；梯形河谷介于V形和U形之间；河谷在平面上的形状应呈喇叭口，以使两岸拱座下游有足够厚的岩体来维持坝体的稳定。

3、选取拱圈中心角要考虑哪些因素？这些因素之间的关系如何？
中心角愈大，拱圈厚度愈小，说明中心角愈大，材料强度可得到充分利用，对应力有利；反之，拱圈中心角减小，半径愈大，拱作用减弱，要求加大拱圈厚度。

加大中心角使拱圈弧长增加，在一定程度上会抵消一部分由减小拱厚所节省的工程量。

从经济和应力角度考虑，采用较大中心角有利但拱端轴力方向将向顺岩坡等高线方向偏转，对坝肩稳定不利。

4、单曲拱坝、双曲拱坝各有什么优缺点？各适用什么场合？
单曲拱，又称为定外半径定中心角拱，对U型或矩形断面的河谷，其宽度上下相差不大，各高程中心角比较接近，外半径可保持不变，仅需下游半径变化以适应坝厚变化的要求。

特点：施工简单，直立的上游面便于布置进水孔和泄水孔及其设备，但当河谷上宽下窄时，下部拱的中心角必然会减小，从而降低拱的作用，要求加大坝体厚度,不经济。

双曲拱坝，变外半径等中心角，变外半径变圆心。

特点：拱坝应力条件较好，梁呈弯曲形状，兼有拱的作用，更经济，但有倒悬出现，设计及施工较复杂。

适用：对于底部狭窄的“V”字形河谷可考虑采用单曲拱坝；对“V”、“U”型河谷都适用双曲拱坝。

5、双曲拱坝的倒悬是怎样形成的？如何处理拱坝过大的倒悬度？
因上下层拱圈半径或中心角的变化，容易形成上层坝面突出下层坝面，即产生倒悬，以两岸最为明显。

使靠近河岸坝段上游面维持直立，而河床中部坝段俯向下游；使河床中部坝段直立，而河岸坝段向上游倒悬，此时在上游侧加设临时的混凝土支撑或通过开挖做成基础支持；协调前两种方案，使河床坝段稍俯向下游，河岸坝段稍向上游倒悬。

（四）土石坝
1、设计和建造土石坝的基本要求有哪些？
坝体和坝基在施工期及各种运行条件下都应当是稳定的；不允许坝顶过流；根据上堵下排的原则，确定合理的防渗体形式，加强坝体与坝基、岸坡与其他建筑物连接处的防渗效果，布置有效的排水及反滤设施，避免大坝发生渗透破坏；对坝顶和边坡采取适当的防护措施；进行大坝安全监控系统设计，布置观测设备，监控大坝安全运行。

2、土石坝有哪些基本类型？各自的优缺点及适用的场合如何？
按施工方法可分为碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破坝、水力冲填坝和水中倒土坝。

碾压式混凝土坝按坝体横截面的防渗材料及其结构可分为均质坝、分区坝、人工防渗材料坝。

均质坝：结构简单，施工方便，当坝址附近有合适的土料且坝高不大时可优先采用，防渗性好；抗剪强度低，且施工碾压困难，在多雨地区受含水量影响更难压实，因而高坝中一般不采用。

分区坝：心墙与坝体同步上升，施工难度大，心墙料与坝壳料固结速度不同，心墙内易产生拱效应而形成裂缝；斜墙相互干扰少，但抗震性能和适应不均匀沉陷的能力均不如心墙；斜心墙坝可不同程度克服心墙坝和斜墙坝的缺点。

人工防渗材料坝：坝坡设计较陡，土石工程量减少，工程造价低，施工方便工期短，受气候因素影响小。

抛填式堆石坝：堆石体孔隙率大，承受水压力后变形量大，石块尖角容易被压裂或减裂，抗剪强度较低，目前已很少采用。

水力充填坝：不需运输机械和碾压机械，功效高，成本低，缺点是土料的干容重较小，抗剪强度较低，需要平缓的坝坡，坝体土方量较大。

水中倒土坝：不需要专门的重型碾压设备，但由于坝体填土干容重低，孔隙水压力大，抗剪强度小，故坝坡平缓，工程量大。

定向爆破坝：适用于河谷陡峻、山体厚实、岩性简单交通运输条件极为不便的地区。

3、影响土石坝坝坡的因素有哪些？如何影响？土石坝剖面如何拟定？
上游坝坡长期处于饱和状态，加之水库水位有可能快速下降。

使其处于不稳定地位。

土质防渗体斜墙坝上游坝坡的稳定受斜墙土料特性控制。

粘性土料的稳定坝坡为一曲面，由粉土，砂，轻壤土修建的均质坝，透水性大，为保持渗流稳定性，放缓坡度当坝基或坝体土料沿坝轴线分布不一致时，让坝坡换面变化。

根据坝高，坝的等级，坝型，筑坝材料特性，坝基情况以及施工，运行条件等参照工程的实践经验初步拟定。

然后通过渗流和稳定的分析检验，最终拟定合理剖面形状。

4、如何根据土石坝的工作特点和土石料的性质来进行坝各部位的土料设计？
坝壳对土石料要求：（1）填筑坝壳的土石料，应具有较好的透水性，以减少坝体内孔隙压力和渗透力⑵具有较高的抗剪强度，以减少坝体工程量。

⑶具有一定的抗渗稳定性，不易发生管涌，土石料级配要求好，不均匀系数宜大些。

⑷应具有较好的抗震稳定性，不易遇震发生液化。

坝壳材料采用石渣料。

防渗体对土石料的要求：⑴应具有一定的不透水性，要求渗透系数 K< 105 cm/s。

⑵应具有一定的可塑性，以适应坝身和坝基的变形而不致产生裂缝。

5、渗流分析中，浸润线的基本方程是如何推导出来的？如何根据这个方程对各种坝型.各种坝基进行渗流分析？
315,316
6、渗透变形有那几种？如何防止渗透变形？
管涌、流土、接触冲刷、接触流失。

采取水平或垂直防渗措施，以便近可能延长渗径，达到降低渗透坡降的目的；采取排水减压措施，以降低坝体浸润线和下游渗流出口处的渗透压力。

对可能发生管涌的部位，需设置反滤层，拦截可能被带走的细颗粒，对下游可能产生流土的部位，可以设置盖重以增加土体抵抗渗透变形的能力。

7、反滤层的主要作用是什么？在坝的哪些部位要设置反滤层？如何设计和布置反滤层？
提高土体抵抗渗透破坏能力，起到滤土、排水的作用。

在土质防渗体（如心墙等）与坝壳或坝基透水层之间，以及下游渗流逸出处设置反滤层。

反滤层一般有2~3层不同粒径的砂石料。

石料采用耐久的、抗风化的材料，层的设置大致与渗流方向正交，且顺渗流方向粒径应由小到大。

通常水平反滤层的最小层厚可采用30cm，垂直或倾斜反滤层的最小层厚可采用50cm。

8、土石坝失稳的形式有哪些？坝坡坍滑有哪几种类型？为什么土石坝只进行局部稳定验算，而不进行整体稳定验算？
滑动、液化、塑性流动。

圆弧滑动面、折线形滑动面、复合滑动面。

土石坝坝坡较缓，在外荷载及自重作用下，不会产生整体水平滑动。

如果剖面尺寸不当或坝体、坝基材料的抗剪强度不足，在一些不利荷载组合下有可能发生坝体或坝体连同部分坝基一起局部滑动的现象，造成失稳。

9、渗流和孔隙压力对土石坝的稳定有何影响？计算中如何考虑？
渗流，由于物理或化学作用，导致土体颗粒流失，土壤发生局部破坏；其方向为各点是渗流方向，单位土体所受到的渗透力大小为γJ，γ为水的重度，J为该处的渗透坡降。

空隙压力的存在使土的抗剪强度降低，也使坝坡稳定性降低；两种方法，一种是总应力法，即采用不排水剪的总强度指标φu、c u来确定土体的抗剪强度，τu=c u+σtanφu；另一种是有效应力法，即先计算孔隙压力，再把它当作一组作用在滑弧上的外力来考虑，此时采用与有效应力相对应的排水剪或固结快剪试验的有效强度指标φ`、c`。

10、设置排水的目的是什么？坝体排水有哪些形式？各自优缺点及适用的场合如何？
降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；防止渗流逸出处的渗透变形，保护坝坡和坝基；防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏，起到保护下游坝坡的作用。

棱体排水，排水效果好，除了能降低坝体浸润线防止渗透变形外，还可支撑坝体、增加坝体的稳定性和保护下游坝脚免遭淘刷，多用于
下游有水和石料丰富的情况；贴坡排水，不能降低浸润线，但能提高坝坡的抗渗稳定性和抗冲刷能力。

结构简单，便于维修；褥垫排水，能有效降低坝体浸润线，但对增加下游坝坡的稳定性不明显，常用于下游水位较低或无水的情况；综合式排水，兼有各种排水形式的优点。

11、为什么上下游坝面要设置护坡？护坡的型式有哪些？各自的优缺点及适用场合如何？
设置护坡的目的是为了保护上游坝坡免受波浪淘刷、顺坡水流冲刷、冰层和漂浮物等的危害作用及下游坝坡免遭雨水冲刷、冻胀干裂等主要因素的破坏作用。

混凝土护坡：在边坡坡脚可能遭受强烈洪水冲刷的陡坡段；草皮护坡：在风沙坡地，应先设沙障，固定流沙，再播种草籽；干砌石护坡：坡面较缓(1.0：2.5～1.0：3.0)、受水流冲刷较轻的坡面，采用单层干砌块石护坡或双层干砌块石护坡；浆砌石护坡：坡度在1：1～1：2之间，或坡面位于沟岸、河岸，下部可能遭受水流冲刷，且洪水冲击力强的防护地段，宜采用浆砌石护坡。

12、砂砾石地基处理有哪些工程措施？各种措施的设计要求是什么？
砂卵石地基的处理主要是解决防渗问题，通过采取“上堵”、“下排”相结合的措施，达到控制地基渗流的目的。

13、土石坝产生裂缝的原因是什么？裂缝的形式有哪些？如何防止？
变形裂缝，主要由不均匀沉降引起。