蒑德胜的水工建筑物

'绪论世界水资源概况地球上的水总量很大，约为15亿km3，但绝大部分是海洋中的咸水；人类可以利用的淡水总量约为0.38亿km3，仅占全球总水量的2.5%，这其中有80%左右的淡水储藏在极地和冰山、冰川，还有一部分藏于地下；对人类起着特别重要作用的地表水，全球约为47万亿m3，人均约9000m3。我国水资源概况特点一：总量并不丰富，人均占有量更低特点二：年内年际分配不均，旱涝灾害频特点三：地区分布不均，水土资源不相匹配。须建调水工程，提高水资源配置能力。特点四：我国自然水分蒸发强烈我国水能源概况我国的人均水资源并不丰富。但我国可用于发电的水能资源十分丰富，从青藏高原到海平面之间的巨大落差。特点一：总量丰富，开发不足可开发总量世界第一，占世界总量16.7％。到2010年，开发量约仅占可开发量40%，远低于发达国家60％的平均水平。美国82％；日本84％；欧洲是72%以上，瑞士达到100%特点二：地区分布不均，与经济发展不匹配78％水能资源集中于西部，东部仅6％；51％用电量在东部。特点三：江河来水量时间分布不均年内降雨集中在汛期；年际间江河来水量变化大。须建设（年调节、多年调节）大型水库。我们的任务今后15－20年是水利、水电建设的良好机遇期；中央一号文件防汛抗旱、粮食安全、城乡供水、生态保护等需求；西部大开发战略的机遇：东部：水能资源占6％，开发率大于50％；西部：水能资源占78%，开发率仅约30％（？）。水资源方面：我国目前面临着水多（洪涝灾害）、水少（干旱）、水脏（水污染）等一系列严峻问题；水能源方面：开发率低、地区分布极不均匀；任务：50 必须修建各项工程设施，对天然来水进行合理的调配和利用，这些工程措施统称为水利水电工程。按照工程开发目标可分为治河防洪工程、农业水利工程、水力发电工程、航道与港口工程、给排水工程和综合利用水利工程。所取得的成就水库8.54万多座，总库容达6344亿立方米（2007）；水库8.64万多座，总库容达6924亿立方米（2008）；江河堤防长度28.38万km（2007）；面积50万亩以上灌区149处，有效灌溉面积11207千公顷；全国农田有效灌溉面积达到58472千公顷（2008）；水电装机容量，约1.9亿千瓦（2010）。三峡工程建成＋南水北调工程已经开工（中线工程干线已基本贯通，东线工程每年调水150亿m3）。标志性工程:50年代，新安江水电站，混凝土宽缝重力坝，坝高102m60年代，刘家峡，混凝土重力坝，强震区，坝高147m70年代，乌江渡重力拱坝，石灰岩岩溶区，坝高165m80年代，葛洲坝工程，大江截流流量达4400～4800m3/s90年代，三峡工程，世界第一（库容、发电量、混凝土工程量、船闸等)；二滩拱坝，第一个国际招标，我国最高拱坝；小浪底，第一个引进外资，出现洋工仔.2000年后，以小湾、锦屏一级、白鹤滩、溪洛渡、水布垭等为代表的一大批巨型水电工程。水利枢纽和水工建筑物水工建筑物:水利水电工程中采用的各种建筑物。水利枢纽:在水域的适当地点，为了一种或多种目的而集中布置若干个不同类型的水工建筑物，各自发挥不同作用并协调工作，构成一有机综合体，称为水利枢纽。蓄水枢纽蓄水枢纽是在挡水建筑物（挡水坝）上游形成较大库容的水利枢纽，也叫水库枢纽。作用：抬高上游水位＋对河道天然流量进行年调节或多年调节（调洪作用）。适用条件：当天然来水量在各年之间或一年内有较大变化，但径流总量可满足要求的情况下，一般需修建较高的坝，以形成水库、抬高上游水位，并用水库的库容调节来水流量。建筑物组成：挡水建筑物（大坝）＋泄水建筑物＋取水建筑物，俗称“水库三大件”。根据水库的开发目的不同，还有水电站和通航船闸等。引水枢纽以引水为主要目标的低水头水利枢纽。作用：雍高上游水位，控制引水流量，满足用水需要。适用条件：河道天然流量充沛，但水位较低，水流不能进入渠道或管道。引水枢纽无需对河道天然流量进行调节，挡水建筑物高度不大，库容也不大。建筑物组成：进水闸、雍水坝（或拦河闸）、冲沙闸等建筑物组成。如果是综合利用的引水枢纽，还需建专门建筑物，如水电站和通航船闸。50 都江堰为最典型代表。泵站枢纽以泵站为主体的水工建筑物综合体。作用：把低处的水抽送到高处，达到灌溉、排涝、发电（抽水蓄能电站）、航运等目的。建筑物组成：最常见的配套建筑物通常有引水闸（灌溉泵站）、排水闸（排涝泵站）、通航船闸（兼有排洪、航运功能的河道）。世界上最大的泵站枢纽----江都电排站二、水工建筑物设计综述水工建筑物分类按作用分类：挡水建筑物（拦河坝、堤防，施工围堰）泄水建筑物（溢洪道、泄水闸、泄水隧洞）取水建筑物（取水口、进水闸、泵站）输水建筑物（渡槽、输水隧洞等）整治建筑物（丁坝、导流堤、护岸等）专门建筑物（船闸、鱼道、筏道等）按使用期限分类：永久性建筑物：工程运用期使用的建筑物；按在工程发挥的作用＋失事后造成的影响程度主要建筑物（坝、水闸、泄洪建筑物、水电站厂房等）；次要建筑物（挡土墙、导流堤、护岸等）。临时性建筑物：工程施工期使用的建筑物（导流建筑物、施工围堰等）水利工程的特点：工作条件复杂、受自然条件制约，施工难度大、效益大，对环境影响也大、失事后果严重水利水电枢纽工程分等、水工建筑物分级修建的水利工程应保证其可靠度（安全性、适用性、耐久性）同时又要保证其经济性。然而安全度与经济性是相互矛盾的，工程的安全度越高，投资也越大。反之，则相反。目的：使工程具有足够的、但又不是过分的可靠度，即可靠又经济（优化问题）。为此，根据水利工程的重要性对水利枢纽分等和对其水工建筑物分级。SL252-2000水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准水工建筑物划分级别依据：工程等别、使用年限（永久建筑物或临时建筑物）、重要性（主要建筑物或次要建筑物）、水工建筑物可划分为5个级别工程等别ⅠⅡⅢⅣⅤ主要建筑物12345次要建筑物3345550 分等级的作用确定洪水标准（洪水频率）挡水建筑物的安全超高结构强度和稳定性的安全系数建筑材料的品种、标号设计方法的选择：级别低的小型或临时建筑物采用简化计算方法；重大建筑物采用比较精确的计算方法（FEA），甚至做模型试验。解决水工问题的方法理论分析、数值分析、物理实验、原型观测、监测、工程经验水利工程的设计程序项目建议书：项目建议书是在流域规划、区域规划的基础上编制的要求建设某项工程的建议性文件，要求政府部门将该项工程列入中长期计划。可行性研究：在项目建议书的基础上，对拟建工程进行技术、经济论证。初步设计：在可行性研究的基础上，对工程进行的基本设计。包括进一步论证在指定地点和规定期限内进行工程建设的可行性和合理性。招标设计：招标设计是为水利工程招标而编制的设计。它是编制施工招标文件和施工计划的基础，招标设计属于水利施工和招投标课程教学内容。施工详图：施工详图是在初步设计和招标设计的基础上，绘制具体施工图的设计，是现场建筑物施工和设备安装的依据。如建筑物基础开挖图、地基处理图等。注意：对于规模小、重要性低的工程，上述设计阶段可以减少、合并。例如：小型工程可将可行性研究和初步设计合并，单一的小型建筑物也无需招标设计。大坝之最世界上最高的拱坝：前苏联时期（20世纪80年代）修建的、现位于塔吉克斯坦的英古里(Inquri)拱坝，272m；世界上最高的土石坝：前苏联时期（20世纪90年代）修建的、现位于格鲁吉亚的罗贡(Poryh)坝，335m；世界上最高的混凝土重力坝：20世纪90年代修建的、位于瑞士的大狄克逊(Granddixence)坝，285m。最高的拱坝：位于云南省澜沧江的小湾双曲拱坝，294.5m最高的重力坝：位于青海省龙羊峡大坝，178m最高的碾压混凝土重力坝：位于广西红水河的龙滩碾压混凝土重力坝，一期192m，最终220m最高的土石坝：位于陕西省渭河支流的石头河土石坝，114m；最高的面板堆石坝：位于湖北省清江的水布垭混凝土面板堆石坝，232m。50 重力坝什么是重力坝大坝：拦截江河渠道水流以抬高水位或调节流量的挡水建筑物。坝轴线：在平面上代表大坝位置的一根横断河谷的线。通常选取坝体主要部分断面上游面铅直段水平投影线为坝轴线。重力坝：是用混凝土(concrete)或者浆砌石(groutedrubble)材料建筑而成的挡水建筑物。重力坝的特点利用自重在坝基面产生的摩擦力以及坝与地基间的凝聚力来抵抗水平水压力而维持稳定。利用自重引起的压应力来抵消由水压力产生的拉应力。重力坝基本剖面呈三角形。通常上游面铅直或稍倾斜。结构形式类似于以地基为固端的悬臂梁，因为重力坝常沿坝轴线用横缝分成独立工作的若干坝段。重力坝的优点：(1)坝体材料抗冲性能好，泄洪和施工导流问题容易解决。泄洪：可坝顶溢流，或在坝身开设泄水孔泄洪，不需另设溢洪洞或泄水隧洞。这是重力坝的一个很大优点，这样不用另设河岸溢洪道、隧洞等其它泄水建筑物，枢纽布置也较紧凑。施工导流：可以利用坝体导流，不需另设导流洞。(2)断面形状简单，结构作用明确，施工方便，安全可靠。结构作用明确。重力坝沿坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明确，稳定和应力计算都比较简单。施工方便。大体积混凝土，可采用机械化施工，放样、立模、浇筑都比较方便，补强、维护和扩建也比较方便。安全可靠。剖面大且应力低，筑坝材料强度高、耐久性好，抵抗洪水漫顶、渗漏、地震的能力都比较强。根据统计，在各种坝型中，重力坝的失事率是较低的。(3)适合于在各种气候条件下修建。但在冬季，当温度低于-3℃时，混凝土中水会结冰，需采用加热、保温、防冻措施等。夏季，当温度高于30℃时，需采用低热水泥、低温水、加冰屑、预冷骨料，掺外加剂延长初凝时间。(4)对地基的要求比拱坝低，但比土石坝高。重力坝的缺点：坝体体积大，耗费材料多，不能充分利用材料强度。坝体与地基的接触面大，作用在坝底面上的扬压力大。施工期对大体积混凝土温控要求高。重力坝修在哪？重力坝坝址一般选在狭窄河谷，节省工程量。为了布置河床式溢洪道、坝后式水电站厂房和通航船闸，有时也选择在比较宽的河谷建坝（如葛洲坝工程、三峡工程）；因坝体重量大，水平水压力大。一般应修建在岩石地基上，地质条件好：基岩坚硬、完整；抗渗性能好；无难于处理的断层；50 重力坝的坝轴线一般采用直线布置，与河流流向垂直,避免不良的受力条件；溢流坝段宜布置在河道主流位置，两端以非溢流坝段与岸坡连接；在合适位置布置电站、船闸等其它建筑物，根据地形、地质、水力、施工等运行条件，使各建筑物有机而协调工作。重力坝的分类1）按坝顶是否溢流可分溢流重力坝：既可挡水，又可泄水的重力坝。非溢流重力坝：挡水2）按结构型式可分：实体重力坝:宽缝重力坝：特点：①减少扬压力，节约混凝土方量10～20℅；②改善混凝土浇筑时的散热条件；③施工复杂，模板用量多。支墩坝：由一系列独立的支墩顺坝轴线排列，前面设挡水构件，形成横断河道的挡水坝。挡水构件承受水压力等荷载，经支墩将荷载传给地基。特点：①节约混凝土方量，充分利用材料强度；②侧向稳定性差，对地基的要求严格；③钢筋用量较大，施工复杂。空腹重力坝：特点：①减少扬压力，节约混凝土方量20～30℅；②空腹可布置水电站厂房；③施工复杂，模板用量多。预应力重力坝：特点：①利用受拉钢筋或钢杆对重力坝施加预应力，改善坝体应力；②加大抗滑稳定性；③施工复杂，钢筋用量多。目前仅在小型工程和旧坝加固工程中采用。3）按施工方式可分常态混凝土重力坝碾压混凝土重力坝：用干贫混凝土或无坍落度干硬性混凝土经碾压而成的混凝土重力坝。（龙滩）（背景资料：20世纪七十年代，通过减少混凝土中水和水泥用量，发展了用无坍落度混凝土。经施工机械运输、摊铺，用振动碾压而成的混凝土，称为碾压混凝土（RCC）。）主要特点：①50 节约水泥，可简化温控措施。碾压混凝土一般都掺入较大数量（胶凝材料的30%～70%）的粉煤灰或其他具有一定活性的掺合料，因而水泥用量显著减少，水泥用量为50～120kg/m3，而常态混凝土的水泥用量为160～220kg/m3。②可缩短工期。工期一般可缩短1/5～1/3，甚至更短。③降低造价。碾压混凝土的单价比常规混凝土低15～30%，有的低50%左右。重力坝的设计内容总体布置：选择坝址、坝轴线和坝的结构形式，决定坝体与两岸其他建筑物的连接方式等；剖面设计（非溢流重力坝）：参照已建工程经验，初步拟定剖面尺寸；稳定计算：验算坝体沿建基面或地基中软弱结构面的稳定安全度；应力计算：使应力条件满足设计规范要求，保证大坝和坝基有足够的强度；构造设计：根据施工和运行要求，确定坝体的细部构造，如分缝、廊道系统、排水系统、止水系统等；地基处理：根据地质条件，进行地基的防渗、排水设计；进行断层等地质结构面的处理；溢流重力坝和泄水孔的孔口尺寸的设计：包括泄水建筑物体型、溢流堰顶高程、溢流重力坝前沿的宽度和泄水孔进口的高程、泄水孔口的尺寸，以及泄水重力坝的应力稳定计算；监测设计：包括坝体内部和外部的观测设计。重力坝的荷载作用在坝上的荷载主要有以下几种：坝体及坝上永久设备的自重；上、下游坝面上的静水压力；溢流坝反弧段上的动水压力;扬压力;冰压力；浪压力；泥沙压力；地震荷载，包括地震惯性力、地震动水压力和地震动土压力；由于建筑材料的体积变形（由温度和干湿所引起的伸缩变形）受到约束所引起的荷载；其他荷载，包括风压力、雪压力、船舶的缆绳拉力和靠船撞击力、运输车辆、货物、起重机和人群等的临时荷载以及爆炸引起的气浪力等。自重常沿坝轴线方向取1米宽坝体为计算单元。1、坝体及坝上永久设备的自重：坝体及其上永久性设施的重量W=∑（γiVi）。坝体自重：应按其断面的几何尺寸及材料容重计算。在初步设计阶段，混凝土的容重可根据骨料的类别采用23.0～23.5kN/m3，对重要的工程应采用混凝土的试验数值。对坝上永久设备：如闸门、启闭机、电机、电梯等自重均按实际重量计算。水荷载：上、下游坝面的静水压力水的容重：①清水γw;②浑水γw(按实际情况考虑)溢流坝反弧段上的动水压力坝底扬压力①无防渗排水设施的实体重力坝50 通常假定扬压力呈直线分布。扬压力可分解成两部分：浮托力与渗透压力无防渗排水设施有防渗帷幕和排水设施有抽排设施②设有防渗帷幕和排水设施的实体重力坝防渗帷幕：在坝基土岩中钻孔灌浆而形成一道连续的地下墙。排水幕：在坝基土岩中钻孔而形成一排水孔。作用：阻止渗透水流，降低渗透压力，延长渗径。α为扬压力折减系数：河床坝段：采用0.2~0.3；岸坡坝段：采用0.3~0.4。原型观测资料表明：扬压力因受泥沙淤积的影响随时间延长而减小，对稳定有利。③设有抽排降压设施的实体重力坝抽排降压设施：为了有效地减小坝基扬压力，还可在基础灌浆廊道下游设置纵、横排水廊道和基面排水孔由自动抽水设备定时抽排。α1为扬压力折减系数；α2为残余扬压力系数。坝身扬压力：渗入坝体内部的水流也产生扬压力。坝体扬压力影响坝内应力。为了减小坝体内扬压力，常在上游坝面附近3～5m范围内提高混凝土的防渗性能，形成防渗层；其后设置坝身排水管孔。坝体水平截面上的扬压力：当计算截面在下游水位以下时：坝体排水管幕处扬压力折减系数一般采用α=0.15～0.3；当计算截面在下游水位以上时：坝体排水管幕处扬压力折减系数α同上，下游坝面处扬压力为0；排水管幕与下游坝面之间按直线变化。荷载分布荷载组合除自重荷载之外，荷载总是变化的，而且这些荷载存在的概率也是变化的，设计时应考虑这些荷载同时出现的可能性。定义：在规定的计算情况下，同时作用在结构上的荷载的集合。（a）基本荷载：长期作用（如自重等）、或在建筑物工作期间经常出现的荷载（b）特殊荷载：偶然作用（如校核水位时的静水压力、浪压力等）或特别罕见（如地震）的荷载；（a）基本荷载组合：是由经常出现的荷载组成的荷载集合，用于建筑物的正常设计情况。由于出现的概率较大，设计规范中规定了较大的安全系数和安全超高。50 （b）特殊荷载组合：是指包含特殊荷载（偶然出现的荷载）的组合，用于校核情况。由于出现的概率小，故安全系数和安全超高均较小。荷载组合重力坝的稳定分析目的：核算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。建筑物设计基本原则：安全性与经济性。重力坝设计基本原则：保持稳定、剖面小、应力不超过材料强度（主要是上游坝面无拉应力）重力坝主要破坏模式滑动破坏：是坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动，包括沿坝基面浅层滑动和连续软弱结构面的深层滑动。倾倒破坏：在荷载作用下，上游坝踵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。重力坝稳定分析方法刚体极限平衡法——规范使用，重点讲解。就是坝体、岩体或大坝与坝体组成的滑裂体看成刚体，不考虑滑裂体本身和滑裂体之间变形的影响，也不考虑滑裂面上应力分布情况，仅考虑滑裂面上的合力（正压力、重力），而忽略力矩的作用效应。数值方法——有限元法、块体元法、流形元法——暂时尚无控制标准。模型试验法。计算方法＋参数＋标准——要配套规范SL319－2005《混凝土重力坝设计规范》（安全系数法）DL5108－1999《混凝土重力坝设计规范》（分项系数极限状况法）（规范是行业标准，是工程师进行设计的准则）抗滑稳定问题分类:平面问题：各坝段独立受力，河床坝段一般作为平面问题处理。空间问题：当河床坝段坝基内断层多条相互切割交错构成空间滑动体时；地形陡峻的岸坡坝段。沿坝基面的抗滑稳定分析：以实体重力坝为例稳定分析时，以一个坝段或取单宽计算。目前常用的计算公式有摩擦公式和抗剪断公式。摩擦公式——认为坝体与坝基为接触状态。此法把滑动面看成是一种接触面，而不是胶结面。滑动面上的阻滑力只计摩擦力，不计凝聚力。摩擦公式针对当坝基面为水平时：抗滑稳定安全系数K为：50 式中：∑P为作用于坝基面以上的合力在水平方向投影的代数和。∑W为作用于坝基面以上的合力在垂直方向投影的代数和。U为作用于坝基面上的扬压力。f为坝基面上的摩擦系数。采用一般的摩擦试验取得。抗剪断强度公式抗剪断强度公式——认为坝体与坝基为胶结状态，滑动面上的阻滑力包括摩擦力和凝聚力。并直接通过胶结面的抗剪断试验确定抗剪断强度的参数f′和c′。坝基面上的抗滑安全系数（抗剪断稳定安全系数）K′为:式中：f′——坝基面上的抗剪断摩擦系数；c′——坝基面上的抗剪断凝聚力；A——坝基面上的面积；K′——按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数。设计抗滑安全系数抗滑稳定安全系数K、K′的设计要求值[K]、[K’]与建筑物级别、荷载组合有关，见下表：公式选用说明：①摩擦公式简单，概念明确，计算方便，多年来积累了丰富的经验。②如果用摩擦公式计算的K=1.0，并不意味坝处于临界状态。因为公式不考虑粘结力与实际不符，其安全裕度已含在假定中。安全系数只是一个抗滑稳定的安全指标，并不能反映坝体真实的安全程度。摩擦公式忽略了凝聚力，不合乎实际，而抗剪断公式则考虑，物理概念明确，比较符合坝体的实际情况，逐渐采用较多。我国规范规定中建议：当坝基内不存在可能导致深层滑动的软弱面时，应按抗剪断强度公式计算；对中型工程的中、低坝，为安全计，也可按抗剪公式（摩擦公式）计算。50 以上介绍的两种抗滑稳定计算公式虽然理论上还不够完善，但都有长期的使用经验。应用时应注意“抗滑稳定计算公式＋参数取值＋荷载组合＋控制标准”配套问题。沿坝基岩体软弱结构面的深层抗滑稳定分析当坝基内存在不利的缓倾角软弱结构面时，在水荷载作用下，坝体有可能连同部分基岩沿软弱结构面产生滑移，即所谓的深层滑动。在深层抗滑稳定分析中，一般根据深层抗滑体的不同，分为：单斜面深层抗滑稳定计算（计算与建基面类似）双斜面深层抗滑稳定计算多斜面深层抗滑稳定计算（计算方法与双滑面类似）单斜面深层抗滑稳定计算当坝基内只存在一个岩体软弱结构面，将软弱结构面以上的坝体和地基作为整体，按刚体极限平衡法，核算软弱结构面上的抗滑安全系数。式中fB——滑动面上的抗剪断屈服极限强度摩擦系数；cB——滑动面上的抗剪断屈服极限强度凝聚力；其余符号同前。折线滑动面抗滑稳定计算公式实际工程中，坝基内往往存在多条相互切割交错的断层和软弱夹层。构成复杂的滑动面。在深层抗滑稳定分析时，应验算所有可能的滑动通道，从中找出最不利的滑动面组合和其上抗滑安全系数。一般：将倾向下游的缓倾角断层、泥化夹层假设为第一滑动面；将倾向上游的断层、泥化夹层假设为第二滑动面；也可以假定多条滑裂面，通过试算确定一条最不利的第二滑动面。折线滑动面抗滑稳定计算公式计算时将滑移体分成两区，在其分界面BD上，引入一个需要事先假定与水平面成φ角的内力Q（抗力）。分别令①区或②区处于极限平衡状态，即可演绎出三种不同的计算方法：被动抗力法、剩余推力法、等安全系数法折线滑动面抗滑稳定计算公式被动抗力法先令②区处于极限平衡状态（抗滑稳定安全系数为1），求得抗力Q后，再计算①区沿AB面的抗滑稳定安全系数K1，作为整个坝段深层抗滑稳定安全系数。被动抗力法的概念清楚但理论依据不足；当抗力体提供的Q较小，坝体段可能产生较大的位移，导致于上游帷幕破坏，而该现象无法定量分析，计算结果中也不能反映出来。剩余推力法假定坝体段的稳定安全系数K1=1，求抗力体上的推力Q；由此计算出抗力体的稳定安全系数K2，作为深层抗滑稳定安全系数。剩余推力法存在的问题是当坝体段的f1较大时，Q可能为负值或零，不符合实际情况；为承受Q，抗力体可能会产生较大的变形，以至坝趾岩体压碎，计算结果中也不能反映出来。50 等安全系数法假定K1=K2，分别由两个极限平衡方程求解K、Q。由于第一滑动面一般为断层、泥化夹层，产生塑性破坏，变形较大；第二滑动面一般处于完整岩体中，破坏形式为脆性破坏，变形较小既破坏，因此两滑动面上的安全系数实际不相同。三种方法比较剩余推力法、被动抗力法，由于先令一个区处于极限平衡状态，也即相当于这一区的K＝1，因而推算出另一区的K值要比等安全系数法的为大，相比之下，等安全系数法更合理。岸坡坝段的抗滑稳定分析：空间问题，与岸坡坝基面的开挖形状有关。提高抗滑稳定性的工程措施（1）将坝体上游面做成倾斜，利用水重增加向下的垂直力。（2）开挖时将坝基面向上游倾斜，对抗滑稳定有利。（3）在坝踵处设深齿墙。当软弱夹层埋藏较浅时，将坝踵附近出露的软弱夹层开挖齿槽切断，并回填混凝土处理，施工简单，工程量不大，有利于坝基防渗。（4）采用有效的防渗排水或抽水措施，减少扬压力。提高抗滑稳定性的工程措施（5）设置混凝土洞塞。当软弱夹层埋藏较深时，厚度大且倾角较平缓，全部挖出工程量大，可在软弱夹层中放置数排混凝土洞塞，增加软弱夹层的抗剪能力。（6）在坝趾下游处修建深齿墙。在坝趾下游处修建深齿墙可以增加尾岩抗力作用，在坝基开挖过程中出，发现了原来没有预见到的夹层时适于该措施。提高抗滑稳定性的工程措施（7）钢筋混凝土抗滑桩。在坝基软弱夹层的下游坝趾、抗力体部位，布置钢筋混凝土抗滑桩，深入到滑动面以下完整岩体中，利用桩体承受推力或剪力增加尾岩抗力。（8）预应力锚索。预应力锚索加固是在坝顶钻孔至基岩深部，孔内放置钢索，其下端锚固在夹层以下的完整岩石中，而在坝顶锚索的另一端施加拉力，使坝体受压，既可提高坝体的抗滑稳定性，又可改善坝踵的应力状态。重力坝的应力分析目的：为了检验大坝在施工期和运行期是否满足强度要求；为解决设计和施工中的某些问题，如砼分区，某些部位的配筋等提供依据。过程：进行荷载计算及荷载组合选择合适的方法进行应力计算检验大坝各部位的应力是否满足强度要求方法：1.模形试验方法；2.材料力学方法3.弹性理论的解析方法；4.弹性理论的差分方法5.弹性理论的有限单元法重力坝的应力分析的材料力学方法一）基本假定坝体砼为均质，连续各向同性的弹性材料50 取单宽坝体作为固结在地基上的悬臂梁计算，且不受两侧坝体的影响水平断面上的垂直正应力σy是直线分布二）计算单元、计算截面计算单元：垂直坝轴线方向，取单位坝宽为计算单元。对溢流坝段，取一个坝段为计算单元。计算截面：在计算单元的横剖面上，截取若干个控制性水平截面进行应力计算一般选取坝基面、上下游折坡处、坝体削弱部位（廊道部位等）以及需要计算坝体应力的部位重力坝的应力分析的材料力学方法三）边缘应力计算作用力与应力的正方向规定如右图所示：X坐标轴指向上游，Y坐标轴向下为正；取水平外力以指向上游为正，铅直外力以向下为正，力矩以反时针方向为正；——与弹力符号相反正应力以压为正，剪应力以微分体的拉伸对角线在一、三象限为正。——与弹力符号相同为便于区别，上下游边缘应力分别用“′”和“″”加以标注。重力坝的应力分析的材料力学方法水平截面上的边缘垂直正应力σyˊ和σy〞假定任一水平截面上的垂直正应力σy呈直线分布，可用材料力学偏心受压公式计算。式中：ΣW——作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和。ΣM——作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和。T——计算截面沿上下游方向的宽度。重力坝的应力分析的材料力学方法水平截面上边缘剪应力τˊ、τ〞（不考虑扬压力）对上游坝面A点三角形微元体，根据力的平衡条件ΣFy=0，得同理可得式中pˊ、p〞——分别为计算截面处上下游坝面的水压力强度（如有泥沙压力和地震动水压力时也应计算在内）；n、m——为上下游坝面坡度，n=tgφu，m=tgφd，，φu、φu分别为上下游坝面与铅直面的交角。重力坝的应力分析的材料力学方法边缘水平正应力σxˊ和σx〞（不考虑扬压力）对于上游坝面A的微元体，取ΣFx=0得：同理可得B点重力坝应力控制标准坝基面应力的控制标准50 坝体应力的控制标准重力坝的剖面设计设计原则：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量最少；③外部形状简单，便于施工；④运行管理方便。影响剖面设计的因素很多，诸如荷载、地基条件、运用要求、筑坝材料、施工条件等等。设计时需要综合考虑上述因素进行方案比较，从中选出最优方案。近年来开始采用优化设计方法，取得了良好效果。基本剖面基本剖面：重力坝承受的主要荷载是水压和自重，控制剖面尺寸的主要指标是稳定和强度要求。因为作用于上游面的水压呈三角形分布，所以重力坝的基本剖面是三角形。实用剖面（非溢流重力坝剖面）三种形式：（1）铅直上游坝面（实用剖面a）适用：坝基f、c较大，剖面由应力条件控制。优点：便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备。缺点：经济性不明显。（2）上游坝面上部铅直、下部倾斜（实用剖面b）优点：利用部分水重增加坝的稳定性，上部仍能便于管道进口布置和操作。缺点：上游折坡点要结合应力和管道进口布置高程选定，要验算折坡点截面的强度和稳定。一般在坝高的1/3~2/3的范围内。（3）上游坝面略呈倾斜（实用剖面c）优点：增加坝体自重，利用部分水重增加坝的稳定性，可避免库空时下游产生过大拉应力。适用：fˊ、cˊ较小情况。实用剖面（非溢流重力坝剖面）在通常情况下，上游边坡系数n=0～0.2，下游边坡系数m=0.6～0.8，坝底宽约为坝高的0.7～0.9倍，这些经验数据可作为拟定坝剖面时的参考。坝顶宽度：满足设备布置、运行、交通及施工的要求，非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的8～10%，并不小于2米。若作交通要道，应按交通要求布置。有时在坝顶布置移动式起重机，坝顶宽度应满足安置起重机轨道以及其他运用上的要求。当有较大的冰压力或漂浮物撞击力时，坝顶最小宽度还应满足强度的要求。实用剖面（非溢流重力坝剖面）坝顶高出水库静水面的高度可按下式计算：式中：2h1——波浪高度；h0——波浪中心线高出静水位的高度；hc——安全超高。注：在计算h1和h0时，设计和校核情况应采用不同的计算风速值。50 安全超高值（单位：m）典型的坝顶结构图由于布置上的要求，有时需将坝顶部分地伸出坝外；当要求的坝顶较宽时，也可做成桥梁结构型式。坝顶防浪墙的高度一般为1.2m，采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构。在坝体伸缩缝处，防浪墙也应留有伸缩缝，缝内设置止水。重力坝剖面优化设计可采用优化方法，进行重力坝剖面优化设计。确定描述坝体体形的设计参数；建立目标函数：一般取结构的重量和造价，因重力坝的造价主要取决于坝体砼方量，故取坝体体积作为目标函数；确定约束条件：如稳定约束、应力约束、几何约束等；优化计算方法：目标函数和约束条件都是设计参数的非线性函数，因此重力坝的优化设计是一个非线性规划问题。重力坝的泄水与消能防冲泄水重力坝即是挡水建筑物，又是泄水建筑物；既要满足稳定和强度的要求，又要满足水力条件的要求。其中水力条件包括：要有足够的泄流能力；要使水流平顺地流过坝面，避免产生振动和空蚀；应使下泄水流对河床不产生危及坝体安全的局部冲刷，不影响枢纽中其它建筑物的正常运行。孔口设计（一）孔口型式根据泄水孔的位置以及坝顶是否有胸墙，泄水重力坝孔口型式（泄水方式）可分为坝顶溢流式（或称表孔溢流）、大孔口溢流式和深式泄水孔三种。坝顶式溢流（表孔溢流）特点：下泄流量Q与H03/2正比（H0为水头），超泄能力大。闸门承受水压力小，孔口尺寸可大些。工作可靠，操作、检修方便。能排泄冰凌和其它漂浮物。预泄洪水的能力低.大孔口式溢流特点：可以提前预泄洪水，降低上游洪水位，降低坝高，减少工程量。大孔口溢流式由于有胸墙挡水可以减小闸门高度。当库水位低时，胸墙不影响泄流，和坝顶溢流式相同；当库水位较高时，由于胸墙的拦阻，不能排泄冰凌和漂浮物。胸墙多做成固定的，也可以做成活动的。深式泄水孔50 深式泄水孔可以根据孔内流态分为有压和无压两类。特点：可用于预泄洪水、放空库水、排放泥砂、向下游供水、施工导流等。（一般不用作主要的泄水建筑物）下泄流量与H1/2成正比（H为水头），超泄能力较小。由于闸（阀）门承受的水头较高，操作、检修都比较复杂。孔口设计（二）孔口尺寸1、确定洪水标准(洪峰流量和洪水总量)，确定堰顶（或孔口）高程和孔口尺寸，进行水库调洪演算的重要依据。2、单宽流量的选定：单位宽度泄水坝下泄的流量称为单宽流量，用字母q表示，是影响设计的重要因素。单宽流量越大，单位宽度下泄水流所含的能量越大，消能越困难，对下游局部冲刷可能越严重，但溢流坝段可缩短，枢纽布置也容易。单宽流量的选择与枢纽布置、堰顶（或孔口）高程、孔口尺寸、闸门型式、下游消能防冲等直接有关，关系着枢纽的造价和安全。3、选定溢流坝段的孔口尺寸一般先根据前述特点选定泄水型式（坝顶溢流、大孔口溢流、深式泄水孔或其组合型式），拟定若干个堰顶高程和孔口尺寸方案；再根据洪水标准及预报情况，分别进行调洪演算，求出各方案的防洪库容、设计和校核洪水位及相应的下泄流量，并估算出淹没损失和枢纽造价。从淹没损失、下泄流量、单宽泄流量以及造价等方面进行技术经济比较，选出最为经济合理的方案。在拟定孔口尺寸时，应尽量采用闸门设计规范推荐的宽高比。为了控制下游河床的水流流态，应对称均衡开启闸门。因此，孔口数目最好采用奇数。溢流坝面设计溢流坝面的形状对溢流能力和流态有很大影响。坝顶溢流式可分为非真空剖面堰和真空剖面堰两种类型。目前，我国水利水电工程中应用较广的是非真空剖面堰，其坝面曲线有克—奥曲线和幂曲线（或称WES曲线）两种（详见有关水力学方面的专著）。高速水流问题溢流坝设计中有关高速水流的几个问题：高水头溢流坝（包括深式泄水孔）泄水时，由于流速很高（可达30～40m/s），因而产生了一系列问题，如：空蚀、掺气、脉动等。设计时必须予以考虑。消能防冲通过坝体的下泄水流具有很大的能量，例如，当单宽流量q=100m3/sm，上下游水头差H=50m，则在1m宽的河床上水流的势能差约50MW，q、H越大，势能差也越大。如此巨大的能量主要消耗于两个方面：水流的内部损耗，如摩擦、冲击、紊动、漩涡；水流与固体边界作用，如摩擦、冲刷等；当冲刷扩展到坝基时，就会危及坝体安全。消能措施的主要任务：50 就是尽量促使能量消耗于水流内部阻力（混掺阻力和粘滞阻力）和外部阻力（礅、柱等固体阻抗），最大限度地限制其冲刷破坏的作用；采取控制水流的措施，将具有巨大能量的水流挑离坝体，使之冲刷河床但不致影响建筑物和附近岸坡的安全。消能方式主要有：挑流消能、底流消能、面流消能及消力戽消能。消能防冲消能防冲重力坝的材料与构造建筑重力坝的材料一般为混凝土、浆砌石等。用于建造重力坝的混凝土属于水工混凝土，除应有足够的强度以保证其安全承受荷载外，还应要求在周围天然环境和使用条件下具有经久耐用的性能，即具有强度、抗渗、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀、低热、抗裂等性能要求。常用的砼标号有C10、C15、C20、C25、C30、C40等。坝体材料分区各部分工作条件不同，对材料性能指标的要求也不同。为了节约和合理使用水泥，通常需要对坝体材料分区：1区：上下游水位以上坝体表层混凝土，以抗冻性能控制。2区：上下游水位变化区的坝体表层混凝土，以抗冻性能控制。3区：上、下游最低水位以下坝体表层混凝土，以抗渗性能控制。4区：坝基部位混凝土，以强度性能控制。5区：坝体内部混凝土，以强度性能控制。6区：有抗冲刷要求部位的混凝土（例如溢流面，泄水孔，导墙和闸墩等），以抗冲刷性能控制。材料分区原则分区数尽量少，以利施工。相邻区的强度标号相差不宜超过两级，以免引起坝内应力重分布或产生裂缝。分区的厚度一般不得小于2～3m。重力坝的(细部)构造重力坝的构造设计包括坝顶结构、坝体分缝、止水、排水、廊道布置等内容。这些构造的合理选型和布置，可以改善重力坝工作性态，提高坝体抗滑稳定性及减小坝体应力，满足运用和施工上的要求，保证大坝正常工作。（一）坝顶结构1、非溢流坝一般采用实体结构顶面按路面设计，在坝顶上布置排水系统和照明设备。少数情况，也可采用某种轻型结构，后者较适用于地震区。重力坝的(细部)构造2、溢流坝溢流坝坝顶上的构造有闸门、闸墩、边墩和导墙、工作桥及交通（公路）桥等。50 重力坝的(细部)构造（1）工作闸门工作闸门主要用于调节下泄流量。在动水中启闭，要求有较大启闭力。形式为：弧形闸门或平面闸门。（2）检修闸门检修闸门用于短期挡水，以便对工作闸门及机械设备检修。检修闸门在静水中启闭，启闭力较小。闸门的形式一般采用平板闸门，各闸孔可交替使用平板检修闸门。当库水位在检修期低于溢流堰顶高程时，可不设检修闸门。重力坝的(细部)构造（3）闸墩闸墩用于分隔闸孔；承受和传递水压力；支承闸墩上部结构重量。闸墩高度和长度应满足闸门、工作桥、交通桥、启闭设备的布置和运行要求。闸墩厚度应满足强度、稳定条件。（4）边墩和导墙边墩用于分隔溢流坝段，非溢流坝段。导墙是边墩向下游的延续，用于分隔下泄水流与坝后电站的出水水流。导墙应高出掺气后的溢流水面1.0～1.5m。（5）工作桥、交通桥、启闭设备工作桥用于管理人员进行闸门操作和维护等。交通桥用于沟通河流两岸的交通。启闭设备用于起闭工作闸门和检修闸门。重力坝的(细部)构造（二）坝体分缝目的：a、适应施工能力的要求（如混凝土浇筑能力及施工期温度控制）；b、防止温度应力产生裂缝；c、防止不均匀沉降产生裂缝。坝体分缝类型按其作用可分为温度缝（又称伸缩缝）、沉陷缝和施工缝。按其使用期限可分为永久缝和临时缝。温度缝和沉陷缝多为永久缝，施工缝多为临时缝。重力坝的(细部)构造（三）坝体排水：减少渗水对坝体的危害。布置：①沿坝轴线方向，一般每隔2～3m的间距布置一根排水管。②坝体排水离上游坝面距离一般为（1/10～1/20）坝前水深，以防止渗水溶滤破坏作用。排水线路：渗入坝体→排水管→廊道集水井→下游。重力坝的(细部)构造（四）坝内廊道系统：在坝体中设置廊道系统主要用于基础灌浆、排水、观测、检查、坝内交通等。重力坝的(细部)构造1、基础灌浆廊道作用：基础灌浆廊道主要用于防渗帷幕及地基排水孔的施工。尺寸：城门洞型2.5m×3.5m，满足灌浆要求；距上游坝面：应满足砼渗透坡降要求，一般（1/10～1/20）坝前水深。距坝基面：满足帷幕灌浆时盖重的要求，在基岩面以上应有1.5倍廊道宽度的距离，一般取4-5m。50 重力坝的(细部)构造2、检查排水廊道和其它廊道沿高程：每隔15-20m设一层。离上游坝面的距离：与基础灌浆廊道一样，通常可取为0.05～0.1倍坝前水深，且不应小于3.0m。尺寸：满足交通检查等要求，上圆下方，尺寸＞1.2m×2.2m。坝体排水与廊道的连接型式：1型：坝体排水在廊道顶部滴水，廊道壁面经常被排水浸湿。2型：在坝体排水处设置铸铁管连接，接头施工较复杂。3型：坝体排水与廊道之间采用1m水平连接管，连接管容易被砂浆或杂物堵塞，无法疏通。重力坝的地基处理对建坝地基的要求强度：即具有一定的承载能力，不发生显著的变形。抗渗性：不发生管涌等渗透破坏。（管涌是坝基中的细土壤颗粒被渗流带走而逐渐形成渗流通道的现象）。天然地基经过长期的地质作用，一般都有风化、节理、裂隙等缺陷以及断层、软弱夹层等结构面。重力坝的地基处理的任务就是提高地基的强度、稳定性和抗渗能力。地基处理措施：挖、灌重力坝的地基处理一、坝基的开挖和清理坝基的开挖，即挖出覆盖层及风化破碎的岩石。开挖深度应根据大坝的工程等级、坝高和基岩条件确定：坝高超过100m：应挖到新鲜、微风化或弱风化下部的基岩；坝高100m～50m：宜挖到微风化至弱风化中部的基岩；坝高小于50m：宜挖到弱风化中部至上部的基岩。两岸地形较高的坝段其开挖基岩的标准可比河床部位适当放宽，也可采用其它措施如固结灌浆等以补其不足。重力坝的地基处理二、坝基的固结灌浆在坝基的较大范围内钻孔，进行浅层低压灌浆，用于整体加固地基。目的：提高基岩的整体性和弹性模量，减少基岩受力后的变形；提高基岩的抗压抗剪强度；降低坝基的渗透性，减少渗漏量。设计内容：1、确定灌浆范围：①应力较大的上下游部位②局部节理裂隙发育和破碎带及其附近的范围。（固结灌浆的范围主要在为坝趾及坝踵处。）2、灌浆孔的深度：5～8m。3、灌浆孔的间距：3～4m。4、排列型式：梅花形或井字形。50 三、帷幕灌浆是在靠近上游坝基布设一排或几排钻孔，利用高压灌浆填塞基岩内的裂缝和孔隙等渗水通道，在基岩中形成一道相对密实的阻水帷幕。目的：减少坝底渗透压力；降低坝底渗流坡降，防止坝基发生机械或化学管涌；减少渗流量。注意事项：深度：帷幕应伸入相对不透水层3～5m。厚度：灌浆帷幕的厚度要能保持帷幕的渗透稳定。帷幕的厚度与灌浆孔排数有关。灌浆材料：有水泥浆和化学灌浆等。灌浆次序：浇混凝土坝块压重——固结灌浆——帷幕灌浆。钻孔方向一般为垂直向下，或取10°的倾角，以穿过更多的裂隙。帷幕应伸入两岸坝肩基岩的一定范围内。以防止绕坝渗漏重力坝的地基处理四、坝基排水坝基排水的目的是进一步降低坝底渗透压力。(通过打排水孔和设置基础排水廊道)。坝基排水系统一般包括：排水孔幕和基面排水。重力坝的地基处理五、断层破碎带和溶洞的处理1．断层破碎带的处理（1）断层的走向大致与坝轴平行且为陡倾角特点：力学性能差，但不透水。处理方式：开挖，再回坝混凝土塞或混凝土拱。重力坝的地基处理（2）断层的走向大致与坝轴平行且为缓倾角特点：存在深层不稳定问题，应尽量避开走向大致与坝轴平行且为缓倾角断层。若不可避免，应进行处理。处理方式：埋深较浅，应全部挖出；埋藏较深，顶面加砼塞，沿破碎带挖若干平洞，填混凝土斜塞，形成框形支承系统。重力坝的地基处理（3）如有两层或两层以上缓倾角软弱夹层时，可采用抗滑桩，以提高大坝的抗滑稳定性。重力坝的地基处理（4）断层破碎带的走向为顺河流方向特点：透水，力学性能差。处理：钻孔灌浆，设置混凝土防渗墙。50 2、岩溶处理影响：在岩溶地区，可溶性岩层长期受溶蚀作用后所产生的溶洞、漏斗、溶槽、暗河等地质缺陷，不仅形成漏水的通道，而且削弱了基岩的承载能力。在岩溶地区建坝以前，必须查清岩溶在当地的分布规律、范围和充填物的性质及充填程度。处理措施：主要是开挖、回填和灌浆等办法的配合应用。在我国乌江渡工程的施工中曾成功地进行了大量的岩溶处理工作。拱坝拱坝设计的关键技术拱坝集锦拱坝特点拱坝类型拱坝的荷载及组合拱坝的应力分析拱坝设计鉴赏拱坝的稳定拱坝的泄水消能拱坝的地基处理拱坝的特点拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。和重力坝相比，在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持，主要是利用拱端基岩的反作用力来支承。拱圈截面上主要承受轴向力，应力分布较均匀，可充分利用筑坝材料的强度。因此，是一种经济性和安全性都很好的坝型拱坝的特点一、拱坝的工作特点可以看成是由若干水平拱圈和竖直悬臂梁组成的空间网格结构，外部水压力由拱、梁共同承担，大部分荷载通过拱圈传向两岸坝肩，小部分通过悬臂梁传到基础1、拱与梁的共同作用；2、稳定性主要依靠两岸拱端的反力作用，因而对拱端地基的要求很高；3、有利于发挥砼的抗压强度4、拱梁所承受的荷载可相互调整,因此可以承受超载；拱坝嵌固在基岩上，属于无数次超静定结构。具有较大的超载能力5、拱坝坝身可以泄水；6、不设永久性伸缩缝；7、抗震性能好；50 8、几何形状复杂，施工难度大。拱坝对地形、地质条件的要求拱坝对地形的要求：（1）要求河谷狭窄宽高比：坝顶处河谷宽度B与坝高h的比值厚高比：坝底厚度δ与坝高h的比值河谷的宽高比越小，意味着河谷越狭窄；拱坝的厚高比越小，意味着拱坝可以建得越薄。河谷狭窄拱的刚度升拱的作用升坝的厚度降拱坝对地形、地质条件的要求（2）河谷形状：对开挖后的坝基岩面而言对于V形河谷：随着水深对于U形河谷，刚好相反拱坝对地形、地质条件的要求（3）河谷左右两岸大致对称对称的优点：①坝体结构对称；②受力条件好；③节省工程量；④设计和施工方便。若河谷不对称，应采取以下措施：①开挖成对称；②设重力墩；③填筑垫座。拱坝对地形、地质条件的要求（4）河谷平面形状——向下游收缩B-B坝址虽然河谷狭窄，但位于向下游扩散的喇叭口处,两岸拱座单薄,对稳定不利。A-A处坝址两岸拱座厚实，拱轴线与等高线接近垂直,因此应将A-A处选为坝址。拱坝对地质的要求：拱坝要求基岩特别是坝肩岩体完整坚硬，没有大的断裂构造和软弱夹层，同时要求基岩耐风化、渗透性小。然而理想地质条件的坝址是极少的，对于存在地质缺陷的坝址，应当在查明地质情况的基础上，论证工程处理措施的可行性，如需进行固结灌浆以增加地基的整体性和牢固程度发展趋势对地形地质条件的限制有所放宽，坝更高，坝体薄，坝型多样化，双曲拱坝居多，坝顶泄流的单宽流量加大，最优化设计处于实用阶段。拱坝类型拱坝的拱圈一般采用圆弧曲线或者接近圆弧的其他曲线，如抛物线、椭圆、对数螺旋线等。拱圈半径R和圆弧中心角是影响拱圈受力条件的两个关键参数。拱跨一定的情况下，减小拱圈半径、增大圆弧中心角，可以降低拱圈界面应力，从而相应的减小拱圈厚度。中心角的影响：中心角大一些,拱圈厚度小一些,拱圈内力小一些,适当加大中心角是有利的.50 但过大的中心角将使拱端弧面的切线与河岸等高线的夹角变小,降低拱座的稳定性.经验表明：坝顶中心角一般为900～1100。坝身下部，河谷渐窄，中心角减小。拱坝的分类1.按坝的高度分类高坝：坝高>70m；中坝：坝高30～70m；低坝：坝高<30～70m。2.按坝的厚高比分类，按拱坝在最大坝高处坝底厚度T和坝高H的比值T/H分薄拱坝：T/H＜0.2；中厚拱坝：T/H=0.2～0.35；厚拱坝（或称重力拱坝）：T/H＞0.35。3.按拱坝体型分类（1）单曲拱坝：只在水平截面内呈弧形，在铅直断面上无曲率或曲率很小。单曲拱坝的施工比较简便，直立的上游面也有利于布置进水口或泄水孔的控制设备。单曲拱坝适用于近似矩形的河谷或岸坡较陡的U形河谷。（2）双曲拱坝：在水平和铅直断面内都有曲率的拱坝。特点：①体积小；②承载能力比单曲拱坝要大一些；③梁的应力有所改善；④有利于各层拱圈采用较优的中心角；⑤坝体上部倒悬，有利于布置坝顶溢流；⑥双曲率拱坝结构复杂，施工难度较大。适用情况：适用于V形河谷或岸坡较缓的梯形河谷，双曲体形可使各高程拱圈的中心角都较大，拱圈应力均匀。4.按拱圈轴线形式分类（按水平拱圈的形式分类）合理的拱圈型式：压力线接近拱轴线，使拱截面的压应力分布趋于均匀（1）圆拱坝：拱圈轴线为一段单心圆弧。优点：设计和施工较简单。缺点：拱圈中压力线偏离中心线较大；拱端推力方向与岸坡边线的夹角往往较小，不利于坝肩岩体的抗滑稳定。适用情况：圆拱坝一般适用于中、低拱坝。（2）多心拱坝：包括二心拱、三心拱、四心拱、五心拱等。多心拱可以适应河谷形状，减少或加大拱端的曲率半径，用以改善坝身应力或增加坝肩稳定。（3）变曲率拱坝：包括抛物线、椭圆形或对数螺旋形的水平拱圈。拱圈中间段曲率较大，可改善拱中部应力；近两岸曲率较小，有利于坝肩岩体的抗滑稳定。变曲率拱坝适用于不同河谷形式，设计和施工较为复杂，多用于高、中拱坝。5.按水平拱的厚度变化分类（1）等厚度拱坝：水平截面为厚度不变的水平拱。等厚拱圈也可在拱端附近局部加厚，以减小拱座处岩基单位面积上所受的推力。（2）变厚度拱坝：水平截面为变厚度的水平拱，一般从拱冠至拱座逐渐加厚，以改善拱圈的内应力条件。变厚拱坝的应力条件较好，但设计和施工较为复杂，一般用于高、中拱坝。其它形式的拱坝（1）重力拱坝：重力作用较为显著的拱坝。其坝体最大厚度与坝高比一般大于0.35。50 即利用重力的特性保持抗滑稳定，又利用拱效应，将荷载传到坝肩岩体。优点：①兼有拱坝及重力坝的优点，安全性较高，对抗御超标准洪水或意外荷载潜力较大；②便于在坝体内布置泄水孔及坝顶溢流;③便于在坝下游面设置厂房;④坝体应力及渗透压力比降较低；⑤有时为适应地形、地质上的需要，还可调整体型结构，降低坝基应力，以满足坝址地质要求。如美国胡佛坝地质差，要使221m的大坝最大坝基应力控制在3MPa以下，才采用了这种坝型。（2）周边缝拱坝：坝体在坝基面附近设全坝底永久缝。周边缝拱坝或称为铰拱坝，国外以意大利修建较多，如奥西埃塔双曲拱坝，建于1939年，坝高76.8m。国内有白云江拱坝等中小型拱坝也采用周边缝拱坝。优点：①周边缝可松弛坝体周边的弯曲应力，消除因温度、收缩等引起的应力，改善坝体的应力状态。②周边缝与基岩间的垫座，对于坝体与基岩间的荷载传递，有扩散作用，使应力、变形均匀化。③垫座的尺寸、形式可灵活调整，以适应不对称或不规则地形及有局部缺陷的坝基。④垫座可提前施工，便于基础灌浆。⑤周边缝拱坝的施工程序复杂、对施工质量要求严格。我国梅花周边缝拱坝失事。国内对周边缝拱坝持谨慎态度。（3）空腹拱坝当坝体较厚时，可修建空腹拱坝以减少坝体工程量，降低扬压力，有利于坝体散热；狭窄河谷上可利用空腹布置电站厂房。国外如葡萄牙的本波斯达空腹拱坝，坝高86m，底厚42m，空腹宽14m，高20m。我国的凤滩空腹重力拱坝，坝高112.5m，底厚65.5m,空腹宽20.5m，高40.2m，长255.8m,内设4台10万千瓦机组的电站厂房，经试验、原形观测，坝体应力较好，基本为压应力。拱坝的荷载及组合一、拱坝的荷载1、坝体自重自重由谁承担------与封拱时间的有关封拱——拱坝是分块浇筑的，为了使其发挥拱的作用，用灌浆的方式将各浇筑块连接起来的工程措施。2、上、下游坝面的静水压力3、溢流坝反弧段上的动水压力4、扬压力拱坝应力计算时：拱坝稳定分析时：均需计入。拱坝的荷载及组合5、冰压力6、泥沙压力50 7、浪压力8、地震荷载9、温度荷载——温度上升为主要荷载，自重和扬压力降为次要温升（封拱后，拱坝形成整体，当坝体温度高于封拱温度时）、温降温度荷载定义：是指运行过程中任一时刻坝体空间温度场与封拱温度之差。封拱温度：拱坝分块浇注并充分冷却后，施工期混凝土所产生的热量已基本上散发完毕，坝体温度已趋于相对稳定，然后在缝中灌浆封拱，形成整体，此时的温度即是封拱温度。封拱温度的确定：是坝体温升、温降的计算基准。一般沿不同高程进行灌浆分区，根据坝体温度场定出各区的封拱温度。封拱温度低，有利于降低坝的拉应力。封拱一般选在年平均气温或略低于它时进行。温度荷载拱坝是高次超静定结构，温度变化对坝体变形和应力都有较大影响。因此，温度荷载是拱坝设计中的主要荷载之一。温度荷载的大小与封拱温度有关，封拱温度的高低对温度荷载的影响很大。封拱前拱坝的温度应力属于单独浇注块的温度问题，与重力坝相同；封拱后，拱坝形成整体，当坝体温度高于封拱温度时，即温度升高，拱圈伸长并向上游位移，由此产生的弯矩、剪力的方向与库水位产生的相反，但轴力方向相同。当坝体温度低于封拱温度时，即温度降低，拱圈收缩并向下游位移，由此产生的弯矩、剪力的方向与库水位产生的相同，但轴力方向相反。因此一般情况下:温降对坝体应力不利，对坝肩稳定有利。温升对坝体应力有利，对坝肩稳定不利。荷载组合1、基本组合（1）水库正常蓄水位及相应尾水位，和设计正常温降、自重、扬压力、泥沙压力、浪压力和冰压力。（2）水库死水位(或运行最低水位)及相应的尾水位，和设计正常温升、自重、扬压力、泥沙压力、浪压力。（3）其它常遇的不利组合。2、特殊组合（1）校核洪水位及相应尾水位，和此时出现的设计正常温升、自重，扬压力、泥沙压力、动水压力和浪压力。（2）基本组合1+地震荷载。（3）基本组合1+其它稀有的荷载组合。（4）施工期的荷载组合，包括接缝未灌浆和分期灌浆两种情况：1)接缝未灌浆：①自重；②遭遇施工洪水时的静水压力加自重。2)接缝分期灌浆：①自重及接缝灌浆部分的坝体温度荷载(设计正常温升或设计正常温降)；②遭遇施工洪水时的静水压力，自重及接缝灌浆部分坝体设计正常温升的温度荷载。50 荷载组合对应力而言基本组合：正常水位下相应荷载+温降死水位（运行最低水位）+温升特殊组合：正常水位下相应荷载+温降+地震对稳定而言基本组合：设计水位下相应荷载+温升特殊组合：校核水位下相应荷载+温升拱坝应力控制指标拱坝的应力控制指标涉及到筑坝材料强度的极限值和安全系数的取值。应力控制指标还与计算方法有关，我国拱坝设计规范中的指标是针对用拱梁分载法算得的主应力而言的。容许压应力：容许压应力等于混凝土的极限抗压强度（90天龄期）除以安全系数，规范规定基本组合:安全系数为4.0(1、2级拱坝)；为3.5(3级拱坝)。特殊组合:安全系数为3.5(1、2级拱坝)；为3.0(3级拱坝)。容许拉应力：基本组合：容许拉应力为1.2MPa；特殊组合：容许拉应力为1.5MPa。拱坝的应力分析分析方法综述拱坝实质上是一个变厚度、变曲率而边界条件又很复杂的壳体结构。影响坝体应力的因素很多，严格的理论计算是很困难的。为了便于数学上的处理，通常不得不作一些必要的假定和简化。根据假定和简化以及所讨论问题的侧重点不同，有如下一些分析方法:圆筒法、纯拱法、拱冠梁法、拱梁分载法、壳体理论法、有限单元法、模型试验法等圆筒法圆筒法是把拱坝当作是铅直圆筒的一部分，采用圆筒公式进行计算。它是拱坝计算中使用最早，最简单的方法，只适用于承受均匀外水压力的等截面圆弧拱圈，只能粗略地求出径向截面上的均匀应力。它不考虑拱在两岸的嵌固条件，不能计入温度及地基变形的影响，因而不能反应拱坝的真实工作状态。纯拱法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合而成，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。该方法虽然可以计入每层拱圈的基础变位、温度、水压力等的作用，但忽略了拱坝的整体作用，求得的拱应力偏大，也不符合拱坝的真实工作情况，但该法计算简便，概念明确，对于在狭窄河谷中修建的拱坝，不失为一种简单实用的计算方法。50 同时纯拱法也是拱梁分载法的重要组成部分，分配给拱的荷载需要用它来计算水平拱圈的应力。拱冠梁法只取拱冠处一根悬臂梁，根据各层拱圈与拱冠梁交点处径向变位一致的条件求得拱梁荷载分配，且拱圈所分配到的径向荷载从拱冠到拱端为均匀分布，认为拱冠梁两侧梁系的受力情况与拱冠梁一样。拱梁分载法基本原理：①把拱坝看成由一系列水平拱圈和一系列铅直梁所组成，荷载由拱和梁共同承担；②各承担多少荷载由拱梁交点处变位一致条件决定。荷载分配后，梁按静定结构计算应力，拱按纯拱法计算应力。确定拱梁荷载分配的方法可以用试荷载法，也可以用计算机求解联立方程组来代替试算。拱梁分载法是目前国内外广泛采用的一种拱坝应力分析方法，它把复杂的壳体问题简化为结构力学的杆件计算，概念清晰，易于掌握。拱梁分载法拱梁分载法是计算拱坝应力的一种常用的方法，它假定荷载由拱和梁共同承担。如果不考虑梁的作用，则就是纯拱法。最早的拱梁分载法（时称试荷载法，简称试载法）是美国垦务局1923年为修建胡佛拱坝，在此前已有的拱冠梁法的基础上，通过大量研究工作而扩充提出的一种壳体（拱坝）结构数值分析方法。(美国垦务局是美国政府下属的一个部门，负责管理美国西部的水资源和水力发电。)拱梁分载法的理论基础源于工程力学上的两个基本原理：内外力替代原理、唯一解原理。拱梁分载法从坝（图a）中切出一片梁（图b）：如果不仅把外荷载p施加在梁上，而且把梁的两个侧面上的应力也作为表面荷载作用在梁上，然后按一根独立的梁进行计算，那么就可得到梁的变位和应力的准确值（内外力替代原理）。同样，从坝中切出一片水平拱（图c）：如果不仅把外荷载p施加在梁上，而且把水平拱的上下两个表面上的应力也作为边界荷载作用在两个表面上，再按独立拱进行计算，一样也可以得到水平拱的变位和应力的准确值。如果梁和拱在某点相交，则由两套系统算出来的该点变位应该一致，因为两者都表示该点的真实变位。系统的选取实际设计时常只选择有代表性的几层拱圈和几根悬臂梁进行计算。布置拱梁：力求分布均匀，一般要求有一个悬臂梁位于拱坝的最高断面处，其余的在水平拱的拱座处（以便于拱端梁底地基变位计算)。共轭点：拱圈与悬臂梁的交点。拱冠梁：最大坝高处的悬臂梁。拱圈数取n，悬臂梁数m则为2n-1(为了满足梁立于拱端的要求）。工程中常选n=5～7，如5拱9梁，6拱11梁，7拱13梁等。切取悬臂梁的方法：一般沿坝轴线（通过坝顶外弧线）取单宽悬臂梁50 拱梁分载法特点：拱梁分载法的基本原理而言，应该说它是一个准确的计算方法。之所以计算出的结果是近似的，是由于在计算中采取了一些简化假定，如：计算所取拱、梁数目的有限性。只在有限的拱、梁交点处变位一致协调，非处处协调；假定拱的法向截面在变形后仍保持为平面；地基变形只能作近似计算。有限单元法拱坝连同地基这一连续的整体空间结构离散为有限个单元构件，以结点互相连接，通过建立结点位移和结点力之间的平衡方程，求得结点位移进而求出单元应力。有限单元法适用性强，可用于解算体形复杂、坝内有较大的中孔或底孔、设有垫座或重力墩以及坝基内有断层、裂隙、软弱夹层的拱坝在各种荷载作用下的应力和变形。是拱坝应力分析的一种有效方法。模型试验法结构模型试验也是研究解决拱坝应力问题的有效方法。现代模型试验技术的发展已不仅仅限于研究坝的弹性阶段工作状态，也可进一步研究坝的非弹性影响及破坏条件。当前在模型试验中需要研究解决的问题有：寻求新的模型材料，施加自重、渗透压力及温度荷载的试验技术以及坝体破坏条件的研究等。坝肩岩体稳定分析一、可能滑动面的形式和位置(一)单独的陡倾角结构面和缓倾角结构面组合：这些软弱结构面大都属于比较明显的连续的断层破碎带、大裂隙、软弱夹层等.二、拱坝消能防冲挑流消能窄缝式消能工挑流消能拱坝的坝基处理土石坝土石坝设计的关键技术土石坝集锦土石坝概述土石坝类型土石坝的设计原则土石坝的渗流土石坝的稳定土石坝的应力与变形分析土石坝设计筑坝土料及填筑标准土石坝的防渗和排水结构50 土石坝概述定义：是以土、石等材料填筑的坝。亦称当地材料坝。历史久远：公元前600多年，我国开始填筑土堤，防御洪水，蓄水兴利。如：安徽芍陂陂塘灌溉工程、浙江海塘（或海堤）等。解放后至今，我国内已建成的八万多座水坝，土石坝约占90%左右。国际上：古印度、古埃及等，也很早开始修建土坝。近代的土石坝筑坝技术自２０世纪５０年以后得到发展，并促成了一批高坝的建设。目前，土石坝是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。土石坝的优点是土石坝得以广泛应用和发展的主要原因筑坝材料取自当地，可节省水泥、钢材和木材。由于设计和施工技术的发展，放宽了对筑坝材料的要求，几乎任何土石料均可筑坝。对坝基工程地质条件要求比其它坝型低，能适应各种不同的地形、地质和气候条件。任何不良的坝址地基，经处理后均可筑坝。特别是在气候恶劣、工程地质条件复杂和高烈度地震区的情况下，土石坝实际上是唯一可取的坝型。抗震性能较好等。土石坝的缺点一般需在坝外另行修建昂贵的泄水建筑物，如溢洪道、隧洞等；如库水漫顶，将垮坝失事，故抵御超标准洪水能力较差；粘性土料的填筑受气候条件影响。土石坝的类型1．按坝的高度分类（SL274-2001碾压式土石坝设计规范）低坝：坝高<30m中坝：坝高30～70m高坝：坝高>70m《DL/T5395—2007碾压式土石坝设计规范》，100m2．按筑坝材料分类土坝：主要由土料填筑而成。土石混合坝：由土石混合筑成的坝。堆石坝：绝大部分由石料筑成的坝（砾石含量>70%，起骨架作用）。3．按施工方法分类根据填筑施工方法，一般可分为碾压式土石坝、水力冲填坝、水中倒土坝、定向爆破堆石坝等几种。碾压式土石坝:分层铺土石料，逐层碾压建成的坝。60年代以来，随着大型碾压机械的出现与采用，这种坝型得到广泛应用，并修建了一系列高土石坝。50 4．按防渗体的型式分类。对碾压式土石坝，按土料在坝身内的配置和防渗体所用的材料种类可分为：均质坝：坝体绝大部分甚至全部由同一种透水性较小的土料分层填筑而成，坝体不设专门的防渗措施。筑坝土料多用粘性壤土或砂质粘土（透水性较小）。土质防渗体分区坝：坝体由透水性很小的土质防渗体（如粘土防渗体）和若干种透水土石料分区填筑而成。土质防渗体设在坝体中部或上游，称为土质心墙坝或土质斜心墙坝；设在坝体上游面的称为土质斜墙坝。均质坝优缺点优点：材料单一，构造简单，施工方便，易于控制质量。缺点：如坝体材料粘性较大，雨季或冬季施工较为不便。坝内渗透水流的表面——浸润面（浸润线）较高。土石坝挡水后，坝体内形成渗流，饱和区土石料承受上浮力，减轻了抵抗滑动的有效重量；浸水后土石料的抗剪强度降低；渗流力可对坝坡形成不良作用；渗流从坝坡、坝基或河岸逸出时可能引起管涌、流土等渗流破坏。不适宜建高坝。这是因为坝体由细颗粒较多的土料组成，多用透水性较小的粘性壤土或砂质粘土，施工期坝体内部容易产生超孔隙水压力，又因材料抗剪强度较小等问题。均质坝在中小型工程中应用较广。土质心墙坝优缺点优点：断面较小（比均质坝、粘土斜心墙坝）。较能适应不均匀沉陷和抗震能力较强。缺点：心墙与坝体施工干扰较大。不易检修。土质心墙坝在较高的坝及地震区、严寒地区采用较多。土质斜墙坝优缺点优点：斜墙与坝体施工干扰小。（因而较适合于雨季天多的地区施工。）当地基防渗采用水平铺盖时，便于斜墙与铺盖的连接。下游坝坡的稳定性比土质心墙坝有利。易于检修。缺点：不适合于地震区（抗震性和对不均匀沉陷的适应性不如粘土心墙坝）。上游坝坡较缓，因此防渗体与坝主体材料都比土质心墙坝多。斜心墙坝、薄斜墙坝土石坝的类型人工防渗材料坝这种坝型的防渗体一般由钢筋混凝土、沥青混凝土或其它非土质材料做成。其中防渗体布置在坝体中央附近的称为心墙坝；防渗体布置在上游面的称为面板土石坝。在堆石坝中，一般将防渗体设在上游坝面，又称面板堆石坝。土石坝修在哪？与地基有关：50 高山峡谷覆盖层很厚，混凝土坝不经济，宜修土坝；高山峡谷覆盖层不厚，但基岩缓倾角裂隙，泥化夹层很多，宜修土坝。与筑坝材料有关：黄土地区：除用碾压式土石坝外，也可用水中填土、水力冲填法；东北地区：多雨、冰冻，粘土施工不方便，适宜修薄心墙坝、薄斜墙坝，坝壳料采用砂卵石。西南地区：粘土压实难，采用薄心墙坝中南华南（湖北、广东）：风化岩做坝壳料坝高：高坝多采用土质防渗体分区坝，低坝多采用均质坝。高土坝，一般修心墙，斜墙不稳定。条件合适时宜采用混凝土面板堆石坝。土石坝设计原则及要求不允许水流漫顶，坝身不能泄洪。要求①应按洪水标准设置足够大的泄洪建筑物（具有足够的泄洪能力），②坝顶在洪水位以上要有足够的安全超高，以防洪水漫顶，造成大坝失事。土石坝设计原则及要求需有适宜的坝坡维持坝坡及坝基的稳定性（坝体坝基必须稳定可靠）。据统计，土石坝失事有1/4是滑坡破坏造成的。当坝坡太陡或土体的抗剪强度指标较小时，在渗透压力和土体上部重力等荷载作用下，局部坝坡土体（包括坝基土体）将向坡外滑移，简称滑坡。为了保持坝坡稳定，合理选择土料；合理设计坝坡；施工中做好地基处理，土料压实要符合设计标准。土石坝设计原则及要求应设置良好的防渗和排水措施，控制渗流及防止坝体产生渗透变形。（坝体坝基满足渗透稳定要求）渗流在坝体内产生自由水面线,称为浸润线。以坝体浸润线为界，线上的土为非饱和状态，线下土体则呈饱和状态。渗流的危害：造成水库的水量损失；减轻坝体渗流区内土体的有效重量，渗流区内土体的抗剪强度指标也将相应降低，对坝坡的稳定不例；使渗流逸出处土体的产生渗透破坏。措施：设置防渗和排水设施，以减少水库的渗漏损失和保证坝坡的稳定性。根据现场的土料条件，选择好土料的填筑标准，防止过大的沉陷。一般施工质量好的土石坝沉陷量为坝高的0.2～0.4%，不均匀沉降要产生裂缝，均匀沉降影响坝高。设计坝高时应预留坝体沉陷值。采取适当的构造措施，保护坝顶、坝坡免受自然现象（如雨水、波浪等的冲蚀，夏季日晒、冬季冻胀等形成裂缝）的破坏，提高坝运行的可靠性和耐久性。在库水位变化范围内，上游坝面应有坚固的护坡，防止波浪冲击和淘刷。下游坝坡应能防止雨水的冲刷破坏作用。保护坝内粘性土料，防止夏季日晒、冬季冻胀等形成裂缝。提高土石坝的机械化施工的水平。50 比如先进的碾压设备，堆石料铺料厚度就可以达到1.5m甚至2m，而常使用的16t平面碾仅能碾压0.8～1.0m左右，明显地看出设备对填筑进度的影响。快速施工，可以使大坝提前发挥经济效益，对建设单位来说至关重要。如像小浪底这样的大坝，坝体总填筑量约5185万m3，如不采取有效加快填筑施工措施，维持在每月20～30万m3的水平，那建设周期则长达172～260个月，那是任何业主都无法承受的，而实际上，小浪底大坝实际平均填筑强度约150万m3/月，最高强度达到200万m3/月以上，有效的减少了建设周期，确保了施工的顺利进行。土石坝的枢纽布置特点：岸边溢洪道（或隧洞）泄洪，电站厂房采用引水发电系统和地面厂房（或地下厂房）。天生桥一级土石坝的渗流土石坝中，渗流荷载起主要作用渗流分析的内容是：确定坝体浸润线的位置。确定渗流的要素，如渗透坡降与渗流流速。确定通过坝体和坝基的渗流量。渗流分析的目是：对初选的坝的形式与剖面尺寸进行检验，为核算上下游坝坡稳定、应力应变分析及排水设备(排水设施型式和尺寸)选择、布置坝内观测管提供依据。根据坝体内部的渗流要素与渗流逸出坡降，检验土体的渗流稳定性，进行坝体防渗布置与土料配置，防止渗流逸出处发生管涌和流土。——用于验算抗渗稳定性。计算通过坝体和河岸的渗流水量损失，并设计排水系统的容量和尺寸。渗流计算方法：流体力学法、水力学法、有限单元法、流网法等渗透变形及防止措施渗透变形型式（类型）：通常归纳为管涌、流土、接触冲刷和接触流失4种渗流对土体的作用：从宏观上看，影响坝的应力和变形。从微观上看，可使土体颗粒失去原有的平衡，而产生渗透变形。渗透变形(seepagedeformation)：由于渗流引起土体或土颗粒移动的局部破坏现象，称为渗透变形(或称渗透破坏)。对单一土层结构，主要是管涌和流土，对双层结构土层或土层与建筑物(或岩体)界面处主要是接触冲刷和接触流失。管涌与流土管涌：指土体中部分颗粒被渗透水流移动和带出的现象。(渗流中土体大颗粒之间的小颗粒被冲出的现象称为管涌。特点：发生于无粘性土或粘性很小的土中（如砂砾土）；管涌从发生到破坏，需持续一段时间。管涌可能发生的部位：非粘性土的渗流逸出点和进入排水处。流土：渗流水将局部土体整体带走的现象称为流土。土体被掀起浮起的现象50 特点：发生在粘性土和较均匀的非粘性土中；发生即破坏。流土发生的部位：流土常见于渗流出口处。接触冲刷、接触流土、化学管涌接触冲刷：渗流沿着两种不同土层的接触面流动时，沿层面带走细颗粒的现象。一般发生在两层级配不同的非粘性土中。接触流土：渗流垂直于两种不同土层的接触面流动时，把其中一层的细粒，移入到另一层中去的现象。例如反滤层的淤塞。化学管涌：土体中的盐类被渗流水溶解带走的现象。渗透变形破坏标准土体在渗流作用下是否发生渗透破坏，主要取决于土体本身的抗渗强度。通常用临界渗透坡降作为判定标准。（抗渗强度：土体抵抗渗透破坏的能力，以临界渗透坡降表示。）临界渗透坡降：指土体开始发生渗透变形时的渗透坡降，可通过试验和计算确定。关于临界渗透坡降，目前计算方法还不完善，对重要建筑物宜以试验及实际观测方法来确定。试验法：包括室内和现场试验。对重要的大型水利工程,可直接进行现场试验,根据试体的埋藏情况，可在试坑、钻孔和平洞中进行。记录各级水头下的水位、流量和试体的变形情况，绘制比降与流量的关系曲线，确定临界比降值。计算法：应视渗透变形形式、渗流方向、颗粒级配特征和地层结构类型，选择相应的公式进行计算。抗渗稳定性验算容许渗透坡降[J]：可按建筑物级别，以临界坡降除以安全系数K求得：对管涌：安全系数K一般可取2.0～3（依建筑物级别和土壤的类型选用）。对流土：对粘性土：K一般可取1.5；对非粘性土：K一般可取2.0～2.5。当渗透变形的形式确定后，也可根据规范中有关图表选取临界坡降和允许坡降；抗渗稳定性验算：就是查验下列不等式是否成立：说明：鉴于流土破坏对建筑物的安全威胁最大，相应允许比降确定比管涌允许比降取较大安全系数值。在没有反滤层保护时，坝体、坝基渗透出逸比降应小于材料的允许渗透比降。理论上讲，土的抗渗比降大于出逸比降时，渗透稳定满足要求，可以不设反滤层。但实际工程中，鉴于渗流控制问题的重要性和复杂性，在有渗水出逸处一般都设反滤层保护。防止渗透变形的工程措施渗透变形的防止措施可以从两个方面考虑：（1）降低渗透坡降。（2）提高土体的抗渗能力。具体措施有：设置垂直或水平防渗设施：如采取心墙、斜墙、截水槽及混凝土防渗墙及水平铺盖等防渗措施。作用：拦截渗透水流，延长渗径，消刹水头，达到降低渗透比降的目的。设置排水设施（垂直和水平）：如贴坡、棱体排水、减压井、排水渠等。盖重：在可能发生流土的地方设置。50 设置反滤层：在可能发生管涌的地方设。反滤层是提高坝体抗渗破坏能力、防止各种渗透变形特别是防止管涌的有效措施。在防渗体渗流出口处，如不符合反滤要求，必须设置反滤层。土坝坝坡稳定分析目的：是保证土石坝在自重、孔隙压力等荷载的作用下，具有足够的稳定性，不致发生通过坝体或坝基的整体或局部剪切破坏。土石坝的失稳类型。根据以往的工程实践和理论分析，土石坝的失稳破坏一般有以下三种类型：滑坡塑性流动液化塑性流动原因：土体过度的塑性变形而不适于继续承载指坝体或坝基土的剪应力超过土体实有的抗剪强度，变形远超过弹性限值，失去承载能力，坝坡或坝脚土被压出或隆起，或坝体、坝基发生严重裂缝，过量沉陷等情况。坝体或坝基由软粘土构成又设计处理不当时才会出现这种现象。液化较易发生在由不紧密均匀细砂构成的坝体或坝基中。原因：饱和松砂受振动或剪切而发生体积收缩，但孔隙中的水分不能立即排出，砂砾相互接触的有效应力部分或全部转化为没有抗剪强度的孔隙水压力，此时土骨架崩溃,砂粒随水流动而“液化”。如因地震、爆破或打桩等的作用引起土的液化，使土的强度降低，促使土坡失稳破坏。案例：美国福特派克坝380万立方米的砂体在10分钟内流失；铁路桥因火车振动而液化。滑坡由于土体抗剪强度不够，局部坝坡土体（可包括坝基土体），相对其余部分土体发生整体剪切破坏（滑动）。在任何土石坝设计中都必须考虑坝坡的滑坡问题。土石坝滑坡滑动面的基本类型曲线滑动面：多发生于粘性土坡中。滑动面顶部陡而底部渐缓，曲面近似圆弧。一般而言，粘性土坡由于剪切而破坏的滑动面大多数为一曲面，一般在破坏前坡顶先有张裂缝发生，继而沿某一曲线产生整体滑动。下图中的实线表示一粘性土坡滑动面的曲面，在理论分析时可以近似地将其假设为圆弧，如图中虚线表示。土石坝滑坡滑动面的基本类型直线或折线滑裂面：多发生于非粘性土坡。当坝坡干燥或全部浸入水中，滑裂面的形式一般为直线；当坝坡部分浸入水中，滑裂面的形式一般为折线，折点一般在水面附近。复式滑动面：当滑裂面通过粘性土和非粘性土组成的边坡时，滑裂面的形式为复式滑裂面。厚心墙或粘土及非粘土构成的多种土质坝形成复式滑动面。当坝基内有软弱夹层时，滑动面不再向下深切，而沿夹层形成曲、直组合的复式滑动。荷载及荷载组合1、坝体自重湿容重：单位体积中土、水、空气的重量。50 饱和容重：水占满了土中的空隙，单位体积内水和土的重量。浮容重：土的有效重量，等于饱和容重-1。2、渗透体积力渗透体积力方向与渗流方向相同，作用于单位土体上的渗透体积力可按公式：f=γj式中γ为水的容重，j为渗透坡降。荷载及荷载组合3、孔隙水压力（土体内孔隙水的压力）①渗流水压力②其它荷载作用引起的附加孔隙水压力（粘性土在外荷载作用下产生压缩时，土体内的空气和水来不及排出，将引起附加的孔隙水压力）几个认识：用有效应力稳定分析时，要计算不同时期的孔隙压力分布。孔隙水压力的大小，主要随土料的性质、填筑含水量、填筑速度、坝内各点荷载和排水条件不同而异，并随时间而变化，随荷载的增加而变大，同时又随孔隙水的排除而逐渐消散。饱和土体中的孔隙水压力随坝体的运用情况而变化。荷载组合土石坝施工、蓄水和库水位降落的各个时期不同荷载下，应分别计算其稳定性。控制稳定的有施工期（包括竣工时）、稳定渗流期、库水位降落期和正常运用遇地震四种工况，应计算的内容：施工期的上、下游坝坡：主要荷载是土体自重与孔隙水压力。稳定渗流期的上、下游坝坡：主要荷载是土体自重与渗透力。水库水位降落期的坝坡：主要荷载是土体自重、渗透力与孔隙水压力。正常运用遇地震的上、下游坝坡：上述各种可能组合的荷载+地震。土石坝的应力与变形分析一、固结分析（过程分析，主要对于粘性土）定义：由于孔隙水压力消散和孔隙水排放而引起的土的压缩的过程叫“固结”。在土石坝中，由于在施工和蓄水过程中荷载和应力状态不断发生变化，土体中的孔隙水压力和土骨架所承受的应力也相应地发生变化、调整，最后超过稳定渗流的孔隙水压力逐步消散，外载压力相应转移到土骨架上使之发生压缩变形直到稳定。分析目的：了解土石坝坝体和坝基的孔隙水压力消散过程及沉降变形情况。对透水性很强的砂砾石土来说，孔隙水很快消散，基本上不发生孔隙水压力；对透水性比较差而含水量又比较高的粘性土，孔隙水压力的消散缓慢，固结过程历时较长。固结分析方法：太沙基固结计算方法与比奥固结计算方法。土石坝的应力与变形分析二、沉降分析土石坝应进行沉降分析，估算在土体自重及其它外荷作用下，坝体和坝基竣工时的沉降量和最终沉降量，以用于确定坝体竣工时应预留的坝顶沉降超高值。50 土石坝沉降：初始沉降+固结沉降+固结次沉降初始沉降：土石坝在自重荷载施加初期就会立即发生沉降，这称为初始沉降。固结沉降：是由于土体固结而缓慢发生的，是地基中土粒骨架间的水分逐渐排出而引起的那一部分沉降。固结次沉降：最后，地基中土粒骨架在持续荷载作用下会发生蠕变变形，称为固结次沉降。土石坝沉降计算一般只考虑固结沉降。土石坝的应力与变形分析土石坝沉降计算方法：单向压缩分层总和法。与实际相比，该法计算值往往偏大，是偏于安全的估算。有限元法。对于粘性土的坝体和坝基，宜考虑固结对坝体应力和变形的影响（有太沙基固结理论法和比奥普遍固结理论法）。砂性土由于加荷后沉降完成很快，竣工后的沉降较小，迄今还没有完全合理的计算方法。坝顶竣工后的预留沉降超高：应根据沉降计算、有限元应力应变分析、施工期观测和工程类比等综合分析确定。坝顶预留沉降超高，根据以往工程经验，土质防渗体坝一般为坝高的1%。土石坝的基本剖面剖面设计影响因素：坝高和坝的等级、坝型；坝址附近的土石料分布状况（包括土石料的种类、性能、储量、运距等）；坝址的地形地质条件；运行要求和施工条件等；剖面设计过程参照已建工程，初拟剖面的尺寸，然后计算（渗透、稳定、沉陷）和修正，使之成为安全与经济的剖面。具体设计：坝顶高程、坝顶宽度、坝体坡度以及防渗体和排水设备等。坝顶高程坝顶高程：根据正常运行和非常运行时的静水位加相应的超高d予以确定。d＝R十e十A坝顶高程＝水库静水位+相应的超高，取下列中的最大值：设计洪水位+正常运用条件下的坝顶超高正常蓄水位+正常运用条件下的坝顶超高校核洪水位+非常运用条件下的坝顶超高正常蓄水位+非常运用条件下的坝顶超高+地震安全加高（地震涌浪高度0.5～1.5m）坝顶高程补充说明：计算的坝顶高程是指包括坝基和坝身沉降稳定后的坝顶高程。竣工时的坝顶高程应预留足够的沉陷超高。（各坝段的预留沉降超高应根据相应坝段的坝高而变化，由坝头的零值，渐变到坝最高点处的最大值，用局部放陡顶部坝坡实现沉降超高。预留沉降超高不应计入坝的计算高度。）50 坝顶竣工后的预留沉降超高，应根据沉降计算、有限元应力应变分析、施工期观测和工程类比等综合分析确定。坝顶高程坝顶设防浪墙时（以减少坝工程量）根据已建坝的经验防浪墙一般高出坝顶1～1.2m。坝顶宽度一般根据构造、施工、运行和抗震等因素确定坝顶宽度。施工：碾压机械宽度。构造：必须考虑心墙或斜墙顶部及反滤层布置的需要。在寒冷地区，坝顶还须有足够的厚度以保护粘性土料防渗体免受冻害。我国《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定：如无特殊要求，高坝的坝顶宽度可选用10～15m，中、低坝可选用5～10m。坝顶最小宽度也可采用经验公式计算。式中：H为坝高。坝坡应通过稳定分析来确定土石坝的坝坡主要取决于：坝型、坝高、筑坝材料、坝基性质、施工方法以及地震等因素。一般可参照已建工程类比初步拟定，然后由坝坡稳定计算确定合理的坝坡。规律：碾压式土石坝陡于水力冲填、水中填土坝。（施工方法）非粘性土分区坝陡于粘土均质坝坝坡。（坝型）下游坝坡陡于上游坝坡——上游坝坡长期处于饱和状态，水库水位也可能快速下降。斜墙坝的上游坝坡比心墙坝缓，下游坝坡相反——土质防渗体斜墙坝上游坝坡的稳定受斜墙土料特性控制。（坝型）岩基坝坡陡于土基坝坡。（坝基性质）坝的上部陡于下部。由上向下逐级变缓。每级高差约15～20m，相邻坡率差值取0.25～0.50，常用坝坡一般取1:2.0～1:4.0。（坝高）坝坡在变坡处常设置马道和排水沟，用以拦截雨水，防止冲刷坝面，同时也兼作交通、检修、观测之用。马道宽度不小于1.5～2.0m。排水沟横纵向布置。（上游除观测需要外，趋向不设马道，下游坝坡也不设或少设。在坝坡上设置斜马道效果良好，对坝面交通极为有利，设Z字形上坝公路，避免岸坡开挖道路。）常用坝坡(土石坝)粘性土的均质坝或坝壳：土质防渗体的心墙坝：坝壳采用砾石料时：坝壳采用土料时：斜墙坝的下游坝坡坡度可参照上述数值选用，取值宜偏陡；上游坝坡则可适当放缓，土质坝坡放缓0.5。常用坝坡(人工防渗材料坝)50 人工材料面板坝，采用优质石料分层碾压时，上游坝坡坡度一般采用1：1.4～1：1.7；良好堆石的下游坝坡可为1：1.3～1：1.4；如为卵砾石时，可放缓至1：1.5～1:1.6；坝高超过110m时，也宜适当放缓。人工材料心墙坝，均可参照上述数值选用，并且上下游可采用同一坡率。筑坝土料及填筑标准概述查明筑坝材料的性质、储量和分布，以及枢纽建筑物开挖料的性质和可利用的数量，是土石坝设计的首要工作，目的是经济合理地选择筑坝材料，确定合适的坝型和断面结构，并保证顺利施工。（规范将枢纽建筑物开挖料提到与天然筑坝材料同等重要的地位，旨在引起设计者对开挖料应用的重视。）对设计者的要求：是选择合理的坝的结构型式，对坝体材料进行适当配置，以使所选择的坝型和所设计的坝体剖面经济合理、安全可靠和便于施工。土石坝的筑坝土料设计的任务：对坝体各部位的土料进行选择，然后确定土料的填筑标准。筑坝土石料选择原则具有或经加工后具有与使用目的相适应的工程性质，并具有长期稳定性。如：防渗料具有足够的防渗性能；坝壳料具有较高的强度；反滤料、过渡料及下游坝壳水下部分土石料具有良好的排水性能等。长期稳定性如：在大气和水的长期作用下不致风化变质；在长期渗流作用下不致因可溶盐溶滤形成集中渗水通道；在高水头作用下有足够的抗渗流稳定性；在地震等循环荷载作用下不会产生过大的孔隙水压力等。就地、就近取材，减少弃料（环境污染），少占或不占农田，并优先考虑枢纽建筑物开挖料的利用。便于开采、运输和压实。近20年来土石坝建设的突出进步之一，就是筑坝材料的应用范围越来越广。风化料、软岩、砾石土等也可用于筑坝。对不符合要求的材料进行处理后也可采用。土石料的选择1、均质坝对土料的要求:具有一定的抗渗性和强度渗透系数k不大于10-4cm/s；强度指标Φ、c较大；有机杂质含量（按质量计）≤5%；要有一定的塑性：能适应坝基变形而不会产生裂缝。土质：绝大多数采用壤土或砂质粘土。土石料的选择2、防渗体对土料的要求渗透系数k不大于10-5cm/s；水溶盐含量（指易溶盐和中溶盐，按质量计）不大于3%；50 有机杂质含量≤2%；有较好的塑性，以适应坝体及坝基变形；浸水和失水时体积变化较小。土质：粘土、壤土、等细粒土，砾石土、风化砾石土。缺点：天然含水量高，雨天难施工，造价高，压缩性大，降低心墙抗水力劈裂能力。级配优良的砾石土，压实性好，抗剪强度高，压缩性低，便于施工，是一种优良的筑坝材料。3、坝壳料(对非均质土坝)要求：具有比较高的强度。水下部分要求具有良好的排水能力。下游坝壳是渗透水的排出通道，因此要求水下用透水料填筑。为减小库水位降落时的渗透压力，上游水位变动区要求用透水料填筑。风化石料和软岩能否填筑于非干燥区，主要决定于其碾压后浸水沉降变形和抗剪强度降低对坝的影响程度。对于软化系数低、不能压碎成砾石土的风化石料和软岩，浸水后抗剪强度明显降低、沉降变形明显增大，因此规定将其填筑在坝壳干燥区。土质：级配良好的无粘性土（砂、砾石、卵石、碎石等），料场开采的石料、开挖的石渣。4、反滤料、过渡料、排水料要求：质地致密，抗水性和抗风化性能满足工程运用条件；具有要求的级配；具有要求的透水性；反滤料和排水体料中粒径＜0.075mm的颗粒含量≤5%。土质：应尽量采用天然砂砾料筛选，当缺乏天然砂砾料时，也可用人工砂和碎石。填筑标准指土石料的压实程度。根据施工条件、材料情况，通过试验，合理确定填筑标准，达到安全经济目的。综合考虑以下因素：坝的级别、高度、坝型和坝的不同部位；土石料的压实特性和采用的压实机具；坝料的填筑干密度和含水率与力学性质的关系，以及设计对土石料力学性质的要求；土料的天然干密度、天然含水率，以及土料进行干燥或湿润处理的程度；当地气候条件对施工的影响；设计地震烈度及其它动荷载作用；坝基土的强度和压缩性；不同填筑标准对造价和施工难易度的影响。填筑标准1、粘性土的坝筑标准：应以压实度和最优含水率作为设计控制指标。2、非粘性土料的填筑标准：压实程度与含水量关系不大，主要与粒径级配和压实作用力性质与压实功能有关。非粘性土料的填筑标准采用相对密实度。50 3、堆石料的填筑标准：宜用孔隙率为设计控制指标。由于目前没有有效的方法确定堆石的相对密度，仍按一般经验采用孔隙率作为填筑标准。土石坝的构造土石坝一般由以下几部分组成：坝体：坝的主体。防渗体：控制坝体浸润线位置，保持坝体渗流稳定性。排水设施：安全地排出坝体的渗水，加速孔隙水压力的消散，防止下游坝坡的渗透破坏。护坡：防止波浪、气温、雨水等自然现象对坝坡的危害。防渗体一、土质防渗体1.土质心墙位置：位于坝体中央或稍偏上游；厚度：自上而下逐渐加厚，顶部宽度不宜小于3m，底部厚度不宜小于水头的1/4（工程经验）。高程：顶部在静水位以上的超高，在正常运用情况下不小于0.3-0.6m，非常运用情况下不得低于非常运用的静水位；预留竣工后沉降超高。坡度：1：0.15-1:0.3土质心墙施工时应注意：顶部应设砂性土保护层，防冰冻，其厚度一般为1.5一2.5m；施工时心墙的上升高度一般略高于坝壳，在铺筑时，心墙上下游应留有余量，待两侧削坡后再填筑过渡层及坝体；心墙与上下游坝体之间应设过渡层，起过渡、反滤及排水作用。2、土质斜墙位置：位于坝体上游面；厚度：指垂直于斜墙上游面的厚度；高程：顶部在静水位以上的超高，在正常运用情况下不小于0.6-0.8m，非常运用情况下不得低于非常运用的静水位；预留竣工后沉降超高。坡度：外坡根据稳定计算决定，内坡视坝体材料及施工情况决定，若坝体为砂砾石，内坡一般不陡于1：1.5。土质斜墙施工时应注意：上游应设保护层，防冰冻，应分层碾压；施工时坝体施工不受斜墙限制，可先行施工；斜墙与下游坝体之间应按反滤要求设置垫层。3.斜心墙：位置：心墙略向上游倾斜；厚度：按防渗体所受渗透坡降和防渗土体的允许渗透坡降确定；坡度：斜心墙向上游倾斜的坡度为0.25-0.75时较好。4.粘土铺盖：位置：与斜墙相连材料：透水性很小的粘土或壤土厚度：前端由构造及施工要求决定，前端δ≥0.5m，末端δ≥3～5m。（按铺盖所受渗透坡降和铺盖土体的允许渗透坡降确定）50 长度：一般为水头的4-6倍二、沥青混凝土或钢筋混凝土防渗体当坝址附近缺少防渗土料时，可采用沥青混凝土或钢筋混凝土作防渗体。钢筋混凝土面板在土石坝中很少采用，因为面板刚度较大，而土石坝坝坡面的沉降较大，且可能不均匀、易造成钢筋混凝土面板的裂缝。沥青混凝土防渗体可作成斜墙或心墙。（∵具有较好的塑性和柔性）坝体排水主要作用：降低浸润线和孔隙压力，改变渗流方向，有利于下游坝坡稳定并防止渗透变形，保护坝坡。影响因素：坝型、地基条件、下游水位、气候、材料及施工条件。组成：由砾石、块石或排水管做成的排水体和由数层粒径沿渗流方向逐渐增大的砂砾料做成的反滤层两部分组成。堆石棱体排水位置：在下游坝脚处设排水棱体。特点：①能降低坝体浸润线；②对下游坝坡有防冲(防止坝坡冻胀破坏和渗透变形，保护下游坡脚)、支撑作用；③石料用量大，与坝体施工干扰大。要求：顶部高程应超出下游最高水位0.5～1.0m，应大于波浪沿坡面的爬高。在排水与坝体及坝基之间应设置反滤层。排水棱体其内坡约为1：1～1：1.5，外坡约为1：1.5～1：2。顶部宽度不小于1m。适用条件：适用于下游有水的情况。（高坝、石料多的地区）贴坡排水位置：设在下游坝坡底部。特点：①结构简单、省料、易检修；②保护下游坝坡不受尾水冲刷，防止下游坡坝渗透破坏；③不能降低浸润线。要求：由1～2层堆石筑成，在石块与坝坡间应设反滤层。顶部应高出浸润线逸出点并高于下游最高水位1.5～2.0m，并应超过波浪沿坡面的爬高。适用条件：适用于中小型下游无水的均质坝，以及有良好防渗体而坝内浸润线较低的中等高度土石坝。(浸润线较低的坝)褥垫排水位置：用块石平铺在下游的坝基面上，并用反滤层包裹。特点：①可有效降低坝体浸润线，并有助于坝基排水；②适应不均匀变形能力差，易断裂，检修困难，施工干扰大。要求：伸入坝体的长度不超过1/3-1/4的坝体宽度，一般向下游做成0.005-0.01的坡度，厚度一般为0.4-0.5m。适用条件：适用于下游无水或下游水位很低的情况。竖式排水体（烟囱式排水）位置：顶部通到坝顶附近，底部与坝底水平排水层连接。作用：有效降低坝体的浸润线，并防止渗透水在坝坡出逸。50 适用条件：适用于均质坝和下游坝壳由弱透水材料填筑的土石坝，宜优先选用竖式排水，其底部可用褥垫排水将渗水引出。综合式排水特点：将几种不同形式的排水组合在一起成为综合式排水，以兼取各种形式的优点。如：当高水位持续时间不长时，采用贴坡排水与堆石棱体排水结合；褥垫式排水和堆石棱体排水结合等。水闸概述水闸是一种低水头的水工建筑物，它具有挡水和泄水双得作用。与设有表孔闸门的溢流重力坝的区别是:水闸水头较低，抬高水位较少，它主要是靠闸门挡水；而溢流坝主要靠闸门下坝体来挡水。水闸可建于各种地基上。水闸的类型1、按担负的任务来分：（1）进水闸（取水闸）：在河道、水库或湖泊的岸边，建闸引水，并控制入渠流量，谓之进水闸（取水闸）。这种水闸有开敞式及涵洞式两种，常建在渠首。（2）节制闸（拦河闸）：一般拦河而建，枯水期截断河道，抬高水位，以利于上游航运，或进水闸引水，洪水期用以控制下泄流量。灌溉渠系中此闸位于干、支渠分水口附近。（3）排水闸：常建于江河沿岸，防江河洪水倒灌；河水退落时又可开闸排洪。特点：受双向水头作用，闸底板高程极低，而闸身较高。（4）挡潮闸：作用：①阻止海潮沿河流上溯，免使土地盐碱化；②汛期受潮水顶，易造成内涝（可抽排）；③低潮时免使淡水流失。特点：受双向水头作用。（5）分洪闸：利用河道旁预定的洼地或湖泊分洪区，及时削减洪峰，确保下游安全。如荆江分洪闸，1952年建成。（6）冲砂闸：以葛洲坝为例。（7）泄洪闸（同拦河坝）（8）船闸（专门建筑物）水闸的类型2、按闸室结构形式来分（1）开敞式和胸墙式水闸开敞式（不设胸墙）：多用于泄洪、过木、排水、过船胸墙式分为固定胸墙和活动胸墙葛洲坝泄洪闸为“上平下弧”，当上游水位变幅大，而泄量又有限制，为避免闸门过高，常设胸墙。（2）封闭式或涵洞式闸身上封闭的水闸（一般填土封闭、增加稳定性、代替交通桥）有压，无压之分水闸的组成部份50 水闸的组成部份：水闸由闸室段，下游联接段、上游联接段三大部分组成。闸室段：闸门、闸墩、底板、工作桥、交通桥、启闭机等。闸室可通常为砼或钢筋砼结构。小型水闸有些部分可采用浆砌石。上游联接段：上游翼墙、铺盖（护底）、上游防冲槽、两岸护坡。下游联接段：护坦（消力池）、海漫、下游防冲槽、下游翼墙、两岸护坡。水闸的工作特点水闸的工作特点（软土地基上的）（一）地基方面1、抗滑能力差（稳定问题）、2、抗冲能力低、3、均匀沉陷量大，且会发生不均匀沉陷、4、渗流（闸基）变形（二）水流方面1、闸室下及两岸产生渗流，对建筑物的稳定不利、2、初始消能困难（下游无水或水深浅）、3、易产生波状水跃、4、易产生折冲水流（扩散角太大，不均匀开启）设计中要解决的问题（1）选择适应的闸址；（2）选择适应的闸室结构形式；（3）做好防渗设计；（4）做好消能防冲设计。闸址选择和闸孔设计一、闸址选择根据水闸承担的任务，综合考虑地形、地质、水文、施工等因素，通过技术经济比较，选择最佳方案。1、地形条件：拦河闸：宜选在河床稳定、水流顺直的河海上；（兼取水、通航的）宜选在稳定的弯曲河海上，将进水闸设在凹岸，船闸设在凸岸。分洪闸：一般设在弯曲河海的凹岸或顺直河道的深槽一侧排水闸：闸址设在江河老堤的堤线上。冲砂闸：大多布置在拦河闸与进水闸之间。如拦河闸兼作施工导流用，常将闸址选在弯曲河海的凸岸，利用原河道导流。2、地质条件：壤土、中砂、粗砂、砂砾石适合做地基。闸址选择和闸孔设计二、闸孔设计：选堰型，选底板高程，单孔尺寸，闸室总宽度（一）堰型选择1、宽顶堰：结构简单，施工方便。有利于泄洪、冲砂、排污、排水、通航，且泄流能力比较稳定，但流量系数较小，易产生波状水跃。2、低实用堰：流量系数较大，水流条件较好。但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显。施工较复杂。（二）闸底板高程的选定相关因素：水闸的任务，泄流（引水）流量，上下游水位，河床地质条件，工程总投资是否经济。50 底板高程高：闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。底板高程低：闸室q加大，加大消能防冲工程量；闸门高度增加，启闭设备容量增加，基坑开挖增加。一般情况：拦河闸和冲砂闸：底板顶面与河底平齐。进水闸：底板顶面可以高一些，防推移质泥砂进入渠道。闸址选择和闸孔设计三、闸孔总宽及孔数：根据闸孔的形式和堰顶高程等条件，可使用水力学计算公式确定闸孔总净宽。堰流公式、孔流公式。闸孔总净宽L0增大，单宽流量q减小闸孔总净宽L0减小，单宽流量q增大过闸水位差的选用：关系到上游淹没和工程造价,平原地区，一般设计过闸水位差选用0.1--0.3m我国大中型水闸的单孔宽度一般采用8—12m，小闸3m。闸室总宽度L1=nL0+(n-1)d，其中，d为闸墩厚度。闸室总宽度拟定后，尚需要考虑闸墩等的影响，进一步验算水闸的过水能力。从过水能力和消能防冲两方面考虑，闸室总宽度应与河道宽度相适应。水闸消能防冲水闸泄水，势能转为动能，而土质河床抗冲能力低，所以闸下冲刷是一种普遍现象，有害的冲刷，必须防止；并不危及建筑物安全的冲刷，一般说来是允许的。发生冲刷的原因：1、设计不当2、运用管理不善保证水闸安全使用，防止有害冲刷1、选用适且的最大过闸单宽流量2、合理地进行平面布置3、采取合理的消能，防冲设施（消能为主，防冲为辅）4、拟定合理的运行方式过闸水流的特点初始泄流，闸下水深较浅，随着闸门开度增大而逐渐加深，闸下出流由孔流到堰流，由自由出流到淹没出流。闸下易形成波状水跃形成原因：上下游水位差小，弗氏数较低危害：无强烈的水跃旋滚，水面波动，消能效果差，冲刷力强；水流处于急流，不易扩散，致使两侧产生回流，缩小过流宽度,加大单宽流量，加剧冲刷。2、闸下易出现折冲水流产生原因：平面布置，操作运行不当危害：水流集中，左冲右突，蜿蜒蛇行，掏刷河床及岸坡，影响枢纽正常运行。措施消能>防冲消能：消除水体动能防冲：保护河床和河岸平原地区水闸，水头低，下游水位变幅大，一般都采用底流消能。消力池50 海漫防冲槽水闸的防渗排水水闸挡水，在闸基和边墩、翼墙的背水侧产生渗流。渗流不利的影响表现为：对稳定不利：闸室地基的抗滑稳定不利；翼墙、边墩的侧向稳定不利可造成管涌流土渗透变形损失水量使地基中可溶物质加速溶解减小渗流的措施：铺盖、板桩、齿槽、排水及反滤层闸室的布置和构造闸室是水闸的主体，由底板、闸墩、闸门、工作桥、交通桥组成。有的还设有胸墙。按底板与闸墩的联接方式分:整体式、分离式整体式：闸底板与闸墩浇筑成整体，墩中分缝。（也有闸室底板中间分缝的）底板形式：分离式单孔底板上设双缝，将底板与闸墩分开适用：坚基，紧密的地基上。底板顺水流方向的长度：满足上部结构布置，结构强度和抗滑稳定要求。闸室的稳定性及其安全指标闸室稳定性所包含的内容：1、不致于沿地基面或深层滑动2、不发生明显的倾斜3、平均基底压力不大于地基的容许承载力地基反力分布的不均匀程度（闸室上、下游端地基反力的比值）越大，沉降差越大，闸室的倾斜度也越大溢洪道概述溢洪道是水利枢纽中的一项主要建筑物，它泄洪起着保护大坝安全的重要作用。设河岸溢洪道的原因：土坝本身不能泄水河谷狭窄，厂坝争位坝身泄水能力不足,另设泄洪道（如支墩坝等轻型坝）溢洪道通常是开敞的，其宣泄能力与堰上水头的3/2次方成正比，故超泄能力大；其次，闸门承重水头压力较小，操作方便，工作安全可靠。溢洪道的型式（1）正槽式溢洪道（2）侧槽式溢洪道（3）竖井式溢洪道50 （4）虹吸式溢洪道正槽溢洪道正槽式溢洪道通常以下五部分组成，即进水段、控制段、泄槽、消能段和尾水渠。溢流堰轴线和泄槽轴线正交。优点：正向进水，结构简单，水流条件较好泄洪能力大，工作安全可靠，施工管理维修方便，因而得到广泛采用。缺点：当两岸地势高，且岸坡较陡时，开挖方量往往很大位置的选择应全面考虑地形、地质、枢纽布置、施工，技术经济比较1、地形：利用枢纽附近合适的马鞍形垭口，如无垭口可利用中缓的岸坡；在坡陡情况下，选用侧槽式。2、地质：力争布置在较坚固稳定的岩基上，如土基应布置在挖方上，还须进行地基处理如岩基有断层，破碎带等应摸清情况，采取合理的加固措施如风化层太厚或挖方过多会引起山坡坍塌，可考虑采用隧洞泄洪。3、枢纽布置：溢洪道进口应位于水流顺畅处且与土石坝应存有相当的距离；如太近，则须加设导墙（或加强临近坝坡的护坡），溢流堰前加引水渠应较短，以减少水头损失，提高泄水能力。下游出口，应与土石坝的坝脚及其它建筑物保持一定的距离，太近则须增设合适的防护建筑物。4、施工条件：开挖方量是较大的，对出渣路线及堆料场都要合适地布置，有可能利用开挖的土石方量来填筑土石坝，避免各建筑物施工相互干扰。引水渠使水流平顺地由水库进入控制段。当控制段的位置紧靠水库时，进水段只是一个喇叭口；当控制段的位置不能紧靠水库时，则需要在控制段前开挖引水渠。对引水渠的要求：水流平顺，水头损失小，增加泄水能力，减少工程量。在布置和设计中应注意的几个问题：1、引水渠在平面布置上尽量是直线(水流平顺，可防止旋涡和横向水流）如受地形、地质等条件限制，引水渠必须较弯，其转弯半径不得小于4—6倍渠底宽，并力求在控制段前有一直线段。2、引水渠的过水断面一定要大于控制段的过水断面。3、引水渠断面常采用梯形断面，边坡视土壤和岩石的性质而定（岩基接近矩形）。4、引水渠不宜过长，当受地形、地质条件限制时,必须布置较长的引水渠，在泄流时，应考虑该段水头损失的影响。(工程措施:降低糙率)5、当控制段的溢流堰为实用堰时，渠底应低于堰顶，其值不小于0.5倍堰上水头稳定和具有较大的流量系数。6、引水渠的纵坡一般采用平坡（I＝0）或具有不大的逆坡。控制段（溢流堰段）作用：控制溢洪道的过水能力。（一）溢流堰的形式按其断面形式与尺寸分：宽顶堰、实用堰、薄壁堰、驼峰堰、机翼堰等按其在平面布置形状分：直线、折线、曲线、环形按堰轴线与来水方向相对关系分：正交堰、斜堰、侧堰体形设计要求：尽量增大流量系数，径流时不产生空穴水流或诱发危险振动的负压。控制段（溢流堰段）50 常用的堰形：宽顶堰、实用堰（1）宽顶堰优点:结构简单，施工方便，堰矮、自重小、对承载力较差的土基适应力强。流量系数m较低（2）实用堰特点：流量系数比宽顶堰大,在相同泄流量条件下，需要的泄流前缘较短,但施工复杂。适用：1）岸坡较陡的大中型工程常采用，以减少工程量。2）地面高程低于设计堰顶高程的溢洪道溢流堰多采用非真空堰泄槽水力特征：底坡陡，故为急流。由于流速高，故会产生明渠中高速水流的问题：冲击波、水流掺气、空蚀、压力脉动，应采取相应的措施1、平面布置为了使水流平顺，减少冲击波的发生，沿水流平面宜尽量采用直线、等宽、对称布置泄槽长度大，受地质、地形条件限制，不能完全做成直线，需要转弯，转弯半径大于等于10b(b:陡槽直线段的平均宽度)为了减小泄槽末端的单宽流量，以利于消能防冲，有时在泄槽末端设扩散段。泄槽2、纵断面泄槽水流流速高，一般设在挖方上最好使用单一的陡坡（大于临界坡）为适应地形、地质条件，减少开挖量，可以采用变坡，使坡度变化不宜太多，实践表明：在变坡处（特别是由陡变缓处）容易遭到动水压力的破坏，变坡处应做水流衔接设计3、横剖面泄槽的横剖面形状与地质条件紧密相关岩基上多做成矩形或接近矩形的断面，但在节理发育和破碎带的岩基或土基上，有时也作成梯形。侧槽溢洪道形式布置特点：侧槽溢洪道由溢流坝、侧槽、泄水道、出口消能等组成与正槽式不同的只是侧槽。水工隧洞水工隧洞的类型（一）按功用分：①泄洪②引水：发电、灌溉、供水；航运输水。③排沙④放空水库⑤施工导流（二）按受压状态分：（1）有压：（2）无压：同一条洞前段有压，后段无压禁忌：明满流交替危害：（1）易引起振动、空蚀。（2）影响泄流能力。具体到工程，究竟采用有压或无压，应通过技术、经济比较后确定。水工隧洞的工作特点50 （1）水力特点：深式泄水孔：A泄水能力于H1/2成正比、B进口位置低，能预泄、C承受得水头较高，易引起空化、空蚀、D水流脉动会引起闸门等振动、E出口单宽流量大，能量集中会造成下游冲刷（2）结构特点：洞室开挖后，引起应力重分布，导致围岩变形甚至崩塌，为此常布置临时支护和永久性衬砌。承受较大得内水压力得隧洞，要求围岩具有足够得厚度和必要得衬砌。（3）施工特点：隧洞一般断面小，洞线长，工序多，干扰大，施工条件差，工期较长。组成：主要包括下列三部分，进口段、洞身段、出口段总体布置（1）应根据枢纽得任务，对泄水建筑物进行总体规划。（2）在合理得选定洞线得基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口得位置及进口结构形成，确定闸门在洞口中得位置。（3）确定洞身纵坡及洞身断面形状及尺寸。（4）根据地形、地质、尾水位等条件及建筑物之间得相互关系，选定出口得位置，底扳高程及消能方式。线路选择选线是设计中得一个至关重要得问题，它关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可靠性等方面。一般原则和要求为：（1）隧洞得线路应尽量避开不利得地质构造，围岩可能部稳定及地下水位高，渗流量丰富得地段，以减少作用于衬砌上得围岩压力和外水压力。（2）洞线在平面上应力求短直，这样既可以减少工程费用，方便施工、减少水头损失，便于施工。必须转弯时，其直线半径不宜小于5倍得洞径或洞宽，转角不宜大于60o，弯道两端得直线段不宜小于5倍洞径（或洞宽）。（3）隧洞应有一定得埋藏深度。（4）隧洞的纵坡，应根据水利条件运用要求、用途、上下游衔接、施工和检修等因素综合分析比较后确定。（5）对于长隧洞，选择洞线时还应注意利用地形、地质条件、布置一些施工支洞、斜井、竖井，以增加工作面，加快施工进度。（6）要考虑进出口于其它建筑物的关系：如果水库所建的坝时土石坝，则进口应距离坝坡50M以上，出口应距离坝坡100M以上，以免水流冲刷坝坡。排沙洞，为了保证电站进水口免受泥沙淤积威胁，故排沙洞进口布置在靠近电站进口的上游侧，高程比电站进水口低，以使电站进口在其拉沙漏斗范围内。泄水隧洞的出口方向要与下游的河道衔接顺畅，减轻对岸边的冲刷。闸门在隧洞中的布置泄水隧洞中一般布置工作闸门，检修闸门（或事故闸门）1、检修门：设在进口2、工作门：可以布置在进口、出口或隧洞中某一适宜位置。50 布置在进口：一般为无压洞,也可以是有压洞。（平时利用闸门挡水，保持洞内无水）；布置在出口：有压洞；布置在洞身某一位置。由于地形、地质、施工和枢纽布置上的原因，隧洞线路需要转弯，闸门室易布置在转弯段后的直线段上。洞内某处较出口处的地质条件好，工作闸门布置在洞中，可以利用岩体承受闸门传输的水动力。多用途隧洞的布置：一洞多用，或临时任务与永久任务相结合。这样可减小工程量，降低造价，也可解决枢纽中单项工程过多造成布置上的困难。（一）泄洪洞与导流洞合一布置：常作成“龙抬头”式，在进口之后用抛物线段、斜坡段、及反弧段与较低的洞身相连接。“龙抬头”式泄洪洞，一般式水头高，流速大，反弧及下游易遭空蚀破坏，为了避免空蚀，应做好体形设计，控制施工质量。限制不平跨度，并选用适当的掺气减蚀措施。（二）泄洪洞与发电洞合一布置1、岔尖处的水流流态复杂，容易产生不利负压和空蚀。2、泄洪时对发电不利。（三）泄洪洞与排沙洞合一布置：排沙洞进口高程低，在施工期可做导流洞用。1、闸门压力大，启闭困难。（洪水期开启，水头高。）2、泥沙堆积，闸门不易开启。进口段一、形式及计算要点二、进口段的组成部分（一）进水喇叭口（二）通气孔（三）拦污栅（四）渐变段、闸门室及平压管按布置与结构形式分为：竖井式、塔式、岸塔式、斜式。一、洞身断面形式二、洞身衬砌洞身断面形式洞身断面形式，取决于水流条件（有、无压），施工条件，地质条件等。一）无压隧洞的断面形式1、城门洞形（圆拱直墙形）优点：施工（开挖、立模、衬砌）简单，为渠道上的隧洞其进出口与渠道连接也简单。适用于垂直山岩压力较大，而无侧向山岩压力或侧向山岩压力很小的情况。为减小或消除侧向山岩压力，可把边墙作成倾斜的。2、马蹄形：适用于岩石比较软弱破碎，垂直山岩压力和侧向山岩压力均较大的情况。3、圆形：适用于围岩条件较差，且外水压力较大，掘进机施工。二）有压隧洞的断面型式：断面一般采用圆形，其原因：水流条件和受力条件均有利。在面积一定的条件下，圆形过流能力最大。在围岩较好，内水压力不大时，为了施工方便，也可采用无压隧洞常用的断面形式。50 洞身衬砌功用：1、阻止围岩变形的发展，保证围岩稳定。2、承受山岩压力、内水压力及其它荷载。3、防止渗漏。4、保护岩石免受水流、空气、温度、干湿变化等的冲蚀破坏作用。5、减小隧洞的表面糙率等。洞身衬砌类型：1、护面：平整（或抹平）衬砌，采用砼、喷浆、砌石等护面，不承受荷载。作用：减小糙率、防止漏水。适用：岩石较好，水头较低的情况。优点：造价低，施工方便。2、单层衬砌。适用：中等地质条件，断面较大，水头较高，流速较大的情况。采用：混凝土、钢筋混凝土、浆砌石。混凝土、钢筋混凝土的厚度一般为洞径或跨度的，且不小于25cm。3、组合衬砌①内层为：钢板、钢丝网喷浆；外层为：混凝土、钢筋混凝土②顶拱为混凝土，边墙为浆砌石（围岩好，边墙护面）顶拱喷锚支护，边墙底板为混凝土或钢筋混凝土（无压洞）③先喷锚支护，再做混凝土或钢筋混凝土衬砌。4、预应力衬砌（以隔河岩为例子发电引水洞）。适用：高水头有压隧洞衬砌型式的选择，应根据隧洞能担负的任务，地质条件，断面尺寸，受力状态，施工条件等因素，通过综合比较后确定。出口段及消能设施一、出口段的结构布置无压洞：出口仅设有门框（以防洞脸及上部岩石崩塌），并与扩散。有压洞：出口常设工作闸门，启闭机室。闸门前有渐变段（洞圆门方），出门之后为消能设施，为避免负压，常采用断面收缩的方法。出口段及消能设施二、消能方式：常用：挑流、底流、洞内突扩消能。特点：隧洞出口宽度小，单宽流量大，能量集中，所以出口设置扩散段以扩散水流，减小单宽流量。1、挑流消能（常用扩散式）适用：出口高程高于或接近于下游水位，且地质条件允许时。优点：经济合理。注意：尽量不要冲刷对岸。形式：斜切式挑流鼻坎（洞轴线与河道交角小）、横向扩散挑坎、收缩式窄缝挑坎。2、底流消能优点：消能比较充分平稳。缺点：开挖量大，施工时间长，造价高。3、洞中突扩消能（孔板消能）举例：小浪底工程冲沙洞（泄洪洞）50'