水工建筑物教案2-评职称

'华北水利水电学院 授课时间2008年10月8日第六周星期三第四大节授课地点2204实到人数授课题目§4-1土石坝的概述§4-2土石坝的剖面尺寸与构造授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求掌握土石坝的概念、分类及有缺点和设计要求，学会设计土石坝的一般步骤及土石坝的基本构造。主要内容第一节概述一、土石坝的概念二、土石坝的优点三、土石坝的缺点：四、土石坝设计的基本要求五、土石坝的工作条件六、土石坝的类型七、重要的土石坝第二节土石坝的剖面尺寸与构造一、土石坝的剖面尺寸First,theearthdamsectionSize二、坝的内部构造Second,theinternalstructureofdam重点与难点教学重点：土石坝优缺点和土石坝设计的步骤和构造。教学难点：土石坝剖面的拟定。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题教学后记水工建筑物B教案讲稿部分 教学过程时间分配第四章土石坝Earthandrockfilleddam第一节概述outline一、概念：碾压式土石坝设计规范SL274-2001：利用当地土石材料填筑而成的挡水坝，又称当地材料坝。二、土石坝的优、缺点①筑坝材料可以就地取材。②能适应各种不同的地形、地质和气候条件。③适应大型机械化。④构造简单，运用管理方便。①坝顶不能溢流。②施工导流不方便。③坝体填筑工程量大。三、土石坝设计的基本要求（1）具有足够的断面维持坝体的稳定。（2）设置良好的防渗和排水设施控制渗流。（3）设计合理。（4）泄洪建筑物具有足够的泄洪能力。（5）采取适当的构造措施。四、土石坝的工作条件（1）渗流影响impactofseepage（2）冲刷影响impactoferosion（3）沉陷影响Theimpactofsubsidence（4）稳定方面stabilityaspect（5）其他影响，冰冻、地震、动物筑窝等，五、土石坝的类型1、按坝体高度可分为：（1）高坝highdam；（2）中坝mediumdam；（3）低坝lowdam2、按施工方法可分为：（1）碾压式土石坝rollercompactedearth-rockfilldam（2）水力冲填式土石坝hydraulicfilldam（3）水中填土坝earthdambydumpingsoilintowater（4）定向爆破堆石坝directedblastingrockfilldam3、按土料在坝身内的配置和防渗体所用的材料又可分为：（1）均质坝（2）土质心墙坝（3）心墙多种土质坝（4）土质斜心墙坝（5）多种土质坝（6）土质斜墙坝（7）人工材料斜墙坝（8）人工材料心墙坝4、按坝体材料分类classifiedaccordingtomaterials：（1）土坝，主要由土料填筑而成。（2）堆石坝，坝体材料中砂砾料含量在60%-70%以上，起骨架作用。六、重要的土石坝1、世界上最高的水坝为塔吉克斯坦Tajikistan的罗贡rogun土石坝，坝高335m15’20’ ,水库库容133亿立方米。水电装机360万千瓦。2、我国已建的最高土石坝为小浪底土石坝，坝高154m.3、在建的水布垭面板堆石坝高达233m。清江中游湖北巴东县与长阳县交界处，电站装机总容量184万千瓦，设计安装四台46万千瓦水能发电机组，是世界上最高的面板堆石坝。该工程于2000年正式动工，2002年10月截流，计划2007年首台机组发电，2009年全面竣工。4、阿斯旺高坝AswanHigh Dam位于开罗以南约700公里。大坝采用粘土心墙堆石坝，高111米，顶宽40米，底宽980米，坝顶长3830米。阿斯旺大坝在粘土心墙内布置灌浆廊道是大胆创新，廊道净宽3.5米，高5米，为钢筋混凝土结构。水库总库容为1689亿立方米。枢纽建筑物包括大坝、引水工程和电站。电站装机容量为210万千瓦。第二节土石坝的剖面尺寸与构造sectionsizeandstructureoftheearthdam一、土石坝的剖面尺寸（一）确定的基本途径essentialwayofdetermination：1、初步拟定坝顶高程、坝顶宽度和坝坡2、通过渗流、稳定分析最终确定的合理的剖面形状。（二）坝顶高程拟定draftcrestelevation1、计算工况thecalculationcases(calculationconditions、computationconditions)坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下运用条件计算，取其大值：（1）设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；（2）正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；（3）校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；（4）正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高（地震区）。2、坝顶超高计算superelevationcalculationsofdamy─坝顶超高，m；R─波浪在坝坡上的最大爬高，m；e─最大风壅水面高度，m；A─安全加高，m。（1）波浪爬高（RP）1°平均波高和平均波长的计算（波浪要素的计算）：公式：官厅水库公式、莆田实验站公式以及鹤地公式。2°平均爬高Rm：爬高指波浪沿建筑物坡面爬升的垂直高度（由风壅水面算起），它与坝前的波浪要素element（波高和波长）、坝坡坡度、坡面糙率surfaceroughness、坝前水深、风速等因素有关。当坝坡系数m=1.5～5.0时。当m≤1.25时30’ 式中：R0─无风情况下，平均波高hm=1.0m，K△=1时的爬高值，可查表K△──斜坡的糙率roughnesscoefficient渗透性系数permeatecoefficient，根据护面的类型查表。m──单坡singlesloping的坡度系数slopefator，若单坡坡角为α，则m=cosα。Kw──经验系数，按表确定。hm，Lm──平均波高和波长，m。3°设计爬高Rp不同累计频率cumulativefrequency的爬高RP与Rm的比，可根据爬高统计分布表确定。设计爬高值按建筑物级别structuregrade而定，对1、2、3级土石坝取累计频率accumulativefrequencyP=1％的爬高值R1%；对4、5级坝取P=5％的R5%。（2）风壅水面高度e式中D──风区长度，m，取值方法见重力坝；Hｍ──坝前水域平均水深，m；K──综合摩阻系数，一般取K=3.6×10－6；β──风向与水域中线（或坝轴线法线）的夹角（°）；W──计算风速，m/s,正常运用情况下的1级、2级坝，采用多年平均最大风速的1.5～2.0倍；正常运用条件下的3级、4级和5级坝，采用多年平均最大风速的1.5倍；非常运用条件下，采用多年平均最大风速。（3）安全加高见表格（4）坝顶设防浪墙时，超高值y是指静水位与墙顶的高差。要求在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m，在非常运用情况下，坝顶不应低于静水位。（三）坝顶宽度crestwidth（1）确定根据Determinationbasis：运行、施工、构造、交通和防汛。（2）规范规定：高坝的坝顶最小宽度为10~15m；中低坝的坝顶最小宽度为5~10m。（3）最小宽度经验公式：（a）当坝高在30m~100m时，Bmin=0.1H;（b）当坝高大于100m时，Bmin=H0.5.（三）坝坡damslope1、一般规律：（1）稳定前提下采用较陡坝坡，减少工程量。（2）从坝体上部到下部，坝坡逐步放缓。（3）均质坝的上下游坡度比心墙坝的坝坡缓。（4）心墙坝：坝壳采用非粘性土料，上下游坝坡可陡些，坝体剖面较小，但施工干扰大。（5）粘土斜墙坝的上游坡比心墙的坝坡缓，而下游坝坡可比心墙坝陡些，施工干扰小，斜墙易断裂。砂砾料坝体可不变坡，但一般也常采用变坡形式。（6）土料相同时上游坡缓于下游坡。（7）粘性土料坝的坝坡与坝高有关，作成几级，相邻坡率差值为0.25~0.5。（8）砂或砂砾料坝体的坝坡与坝高关系甚微。25’ （9）碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。（四）马道也称纤道berme1、马道作用：坝面排水、检修、观测、道路、增加护坡和坝基稳定。（1）土质防渗体分区坝和均质坝上游坡少设马道。（2）非土质防渗体材料面板坝上游不宜设马道。2、斜马道：（1）其坡度、宽度、转弯半径、弯道加宽和超高等，应满足施工车辆行驶要求。（2）斜马道之间的实际坝坡可局部变陡，但平均坡度应不陡于设计坝坡。3、马道宽度应根据用途确定，但最小宽度不宜小于1.50m（<2.0m）。二、坝的内部构造theinternalstructureofdam（一）主要构造：土石坝由坝身、防渗体、排水体和护坡等四部分组成。（二）坝的防渗体；防渗体的作用控制坝内浸润线的位置，并保持稳定渗流，这部分的土体比坝壳其他部分更不透水1、防渗体种类typesofanti-seepage（1）粘性土心墙cohesivesoilcorewall;（2）粘性土斜墙inclinedcohesivesoilwall;（3）粘性土斜心墙cohesivesoilslopingcore;（4）沥青混凝土防渗墙asphaltconcrete等。2、粘性土心墙Claycore（1）厚度：顶部最小厚度应不小于3m，底部厚度按下式计算下限值，且不小于3m，式中：H1-H2：为防渗体的上下游水头差；T：防渗体的厚度；Ja：平均容许渗透坡降，壤土Ja取4m，粘土Ja取6m。 （２）心墙两侧边坡：１:0.15～1:0.3，厚心墙可达到１:0.4～1:0.5（３）过渡层或反滤层：厚1~3m的，作用：反滤的，缓和沉陷差，提高防渗体的容许渗透坡降，改善坝体应力分布和反滤排水。transitionlayer(bufferlayer,interlayer)（４）心墙顶部超高：0.3～0.6m,要高于校核洪水位。（５）顶端保护层：>1m，防土质防渗体冻结和干裂。（6）心墙可靠的连接防集中渗流。3、粘性土斜墙clayinclinedwall（１）位于坝体上游面，其结构尺寸确定与粘土心墙基本相同。（２）底部厚度（垂直于上游面）不宜小于０.2H，，以保持渗流稳定。（3）斜墙顶部高出设计洪水位0.6～0.8m,且不应低于校核洪水位。（4）斜墙顶部及上游坡应设置保护层，防冲刷、冰冻及干裂。材料为砂砾、卵石和碎石等。其厚度应不小于该地区的冰冻和干裂深度，一般采用2～3m。4、粘性土斜心墙（1）作用：克服直立心墙的拱效应和斜墙对变形敏感。保持了心墙坝上游较陡和斜墙坝下游坡较稳定的好处。并可改善坝体的应力状态和避免防渗体开裂。（2）斜心墙上游坡1:0.6～1:1.0之间，有些国家的经验认为1:0.５～1:０.6较好。（3）日本专家认为：斜心墙抗震性能与心墙坝相仿，而优于斜墙坝。（4）例子：美国渥洛维尔坝（224m）和加拿大买加坝（244m）5、沥青混凝土防渗墙asphaltconcretecut-offwall（1）结构主要有心墙和斜墙两种型式，要求具有稳定性、耐久性和抗渗性。（2）特点：①良好的塑性和柔性，适应变形能力强，渗透系数约为10-7～10-10cm/s，防渗性能好；②沥青混凝土在产生裂缝时，自行愈合能力好；③施工简单受气候影响小。（3）材料：沥青含量控制在9%，其余为砂、石子和石灰石粉LimeStonepowder、水泥、平炉渣openhearthslag等填料。（4）历史：1934年，德国12m高的阿梅克Amecker沥青斜墙坝；世界上最高的为奥地利的欧申涅克坝，坝高为106m。最早建成的沥青混凝土心墙坝是1949年葡萄牙的瓦勒•多•盖奥(ValedeCaio)坝（5）厚度：为（1/50～1/100）H，H为作用水头。（6）结构形式：单层式（单层monolayer）和复式（双层doublelayer）两种。①单层：用于较低的坝。单式面板常由每小层厚度大于5cm的三3层以上的小层沥青混凝土构成。②双层：在面板中间设有排水层，上下两层都为级配良好的密实混凝土，中间排水层为级配不连续的多孔沥青混凝土，用于较高的坝。上层多为2层以上，排水层和下层常为1层或2层，细颗粒级配沥青混凝土的每层厚度一般为4～6cm，且要大于骨料最大粒径的3倍。排水层的厚度通常在7～15cm，整平及碎石垫层厚度为30～40cm。（7）心墙：用得较少。6、钢筋混凝土面板reinforcedconcretepanels7、复合土工膜compositegeomembrane（三）坝体排水设备Drainagefacilityinthedambody 1、坝体排水种类typesofdamdrainage（1）坝体内排水：1）竖式排水，包括直立排水、上昂式排水、下昂式排水等；2）水平排水，包括坝体不同高程的水平排水层、褥垫式排水（坝底部水平排水层）、网状排水带、排水管等。（2）棱体排水（滤水坝趾）；（3）贴坡式排水；（4）综合型排水，由上述各种排水形式中的两种或多种综合组成。2、坝体排水概述outlineofdamdrainage（１）材料：排水设施由砾石、碎石、卵石做成的排水体和反滤层两部组成。（２）主要作用：降低坝体浸润线，使下游坝坡大部分土料处于较干燥状态，以增加稳定性，防止渗透破坏和冻胀破坏。（３）设计考虑因素：排水形式和坝型、坝基地质、下游水位、施工条件及材料供应等因素有关。要求保持充分的排水能力，排水周围的土壤不应发生渗透破坏。3、贴坡排水surfacedrainage①表层排水，设置在下游坝坡底部，由1~3（书中1~2）层堆石或砌石构成，在石块与坝坡之间应设反滤层；②尺寸：厚度应略大于当地的冰冻深度，顶部应高出浸润线溢出点０.5~1.0m，并高出下游最高水位1.5~2.0m。③特点：形式简单，省料且易于检修，可防止渗透破坏和免受尾水冲刷。因未伸入坝体，不能降低浸润线，且防冻性较差。④适用：中小型且下游无水的均质坝及浸润线较低的心墙、斜墙坝。4、棱体排水prismdrainage①下游坝脚（坝趾）处用块石堆成棱体，在坝体和坝基与棱体之间需设反滤层。②尺寸：棱体顶部应高出下游最高水位０.5～1.0m，保证坝坡面和浸润线的距离大于该地区的冰冻深度。棱体顶宽度应不小于1m。棱体内坡由施工条件来确定，一般为1：1～1：1.5，外坡为1：1.5～1：2。③特点：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水淘刷且有支持坝体增加其稳定的作用，是一种可靠的排水型式，但石料用量大，费用高，检修困难，存在施工干扰。④适用：较高的土坝及石料较多的地区。5、褥垫排水horizontalblanketdrainage①用块石、砾石平铺在靠下游侧的坝基上，并在其周围布置反滤层而构成的水平排水体。②伸入坝体长度不大于1/3~1/4坝底宽，倾向下游的纵向坡度约为0.005～0.01,利水排出。③特点：下游无水时，能有效降低浸润线，有助于坝基排水固结，但对不均匀沉降的适应性较差，当下游水位高于排水设备时，降低浸润线的效果明显降低，我国应用较少。④适用下游无水或水位较低的情况6、混合式排水Hybriddrainage（四）护坡1、设置护坡的目的： 1）上游护坡1º波浪淘刷；2º顺坝水流冲刷；3º漂浮物和冰层的撞击及冻冰的挤压。2）下游护坡1º冻胀、干裂及蚁、鼠等动物破坏；2º雨水、大风、水下部位的风浪、冰层和水流作用。2、设置护坡的一般要求：（1）垫层作用：反滤和过渡。（2）排水孔作用：消除护坡底面积水、降低浸润线和护坡底面扬压力。（3）护坡的范围：1º上游护坡，上部自坝顶（防浪墙），开始下部伸至死水位以下不小于2.50m（IV、V级坝可减至1.5m），最低水位不确定时应护至坝脚。2º下游坝坡应由坝顶护至排水体顶部，无排水体时也应护至坝脚。3、上游护坡材料1）堆石（抛石）；2）干砌石；3）浆砌石stonemasonry；4）预制或现浇的混凝土或钢筋混凝土板（或块）；5）沥青混凝土asphaltconcrete；6）其他形式（如水泥土cement-soil）上游坝面要有足够抗冲能力。已建造的土石坝，多采用堆石、干砌石和浆砌石护坡和混凝土护坡。4、干砌石护坡：（1）根据波浪大小可做成单层或双层；（2）单层厚度约为0.3～0.5m，双层干砌石护坡厚度约0.4～0.6m，。（3）当护坡与坝体土料之间不满足反滤要求时，护坡底面需设碎石或砾石垫层，垫层厚度一般为0.15～0.25m，并满足反滤要求和不冻要求。5、浆砌石护坡：（1）浆砌石是在块石之间充填砂浆或细石混凝土。（2）适用于波浪高、压力大、容易被冲坏的情况。（3）浆砌石护坡稳定性较好，其厚度可比干砌石护坡酌情减小。6、混凝土护坡：混凝土护坡有现浇和预制两种形式，采用方形5m×5m～20m×20m厚度为15～20cm的现浇板块、六角形预制块。7、其他如沥青混凝土护坡和水泥土护坡8、下游护坡材料：下游护坡型式一般有1）干砌石stonepitchingdry-laidstone；2）堆石、卵石或碎石；3）草皮；4）钢筋混凝土框格填石；5）其他形式（如土工合成材料）。9、下游护坡的几点规律（1）砾石和碎石护坡，厚度为0.1～0.15m。（2）气候温和湿润地区的粘性土均质坝，可用草皮护坡grassedslope（sodrevement）。若是砂性土坝，可先铺一层腐殖土再植草皮sodfacing。（3）若石料丰富可用单层砌石护坡，护坡范围应从坝顶护至坝趾排水体。（4）卵石或碎石护坡：适用于由砂或砾石填筑的下游坝坡，卵石或碎石的粒径应为5～10cm，厚度40cm。（5）钢筋混凝土框格填石护坡：适用坝坡较陡、仅仅采用卵石或碎石护坡不稳定且不适宜采用草皮护坡的情况。框格尺寸一般为4～5m×4～5m，框条宽0.2m，厚 0.3m，在框格中填卵石或碎石。（6）对干砌石、浆砌石、卵石或碎石、沥青混凝土以及钢筋混凝土护坡，护坡的下部都应设置碎石或砂、砂砾石垫层。垫层厚度约为15～30cm。冰冻地区，垫层厚度还应满足坝坡不冻要求。（五）坝顶护面：1、碎石、单层砌石、沥青或混凝土，IV—V级的土石坝也可用草皮护面。有交通要求时，坝顶护面应满足公路路面的有关规定。2、坡度：为排除降雨积水，向下游侧放坡2%～3%之间，并做好向下游的排水系统。3、防浪墙：墙顶应高于坝顶1.00～1.20m，墙底必须与防渗体紧密结合。防浪墙应做成坚固不透水的结构。（六）坝面排水；1、范围：包括坝顶、坝坡、坝头及坝下游等部位的集水、截水和排水措施。坝坡与岸坡连接处也应设排水沟，其集水面积应包括岸坡积水面积在内。2、排水沟的尺寸和底坡应由计算确定。3、排水系统应纵横贯通，有马道时，纵向排水沟宜设在马道内侧，竖向排水沟可每隔50～100m设一条。4、排水沟的横断面可用混凝土浇筑或浆砌石砌筑，一般断面尺寸应不小于深0.2m，宽0.3m。 华北水利水电学院 授课时间2008年10月10日第6周星期五第一大节授课地点1601实到人数授课题目§4-3土石坝的筑坝材料§4-4土石坝的渗流分析授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求掌握土石坝对筑坝材料的要求，土石坝渗流分析的目的、方法以及渗流分析的水力学方法。主要内容第三节土石坝的筑坝材料embankmentmaterialofthedam一、筑坝材料选则的原则二、坝体不同部位对土石料的要求三、土料填筑标准的确定第四节土石坝渗流分析一、渗流分析的目的和内容二、渗流分析的工况三、渗流基本理论四、渗流分析的基本方法五、流网法flownet六、水力学法hydraulics七、渗透变形及防止措施重点与难点教学重点：土石坝筑坝材料的碾压质量控制指标，渗流分析的水力学方法。教学难点：非溢流坝剖面设计的基本原则、基本剖面及实用剖面。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题教学后记水工建筑物B教案讲稿部分 教学过程时间分配第三节土石坝的筑坝材料embankmentmaterialofthedam一、筑坝土石料选择的原则theprincipleofembankmentmaterialselection1、具有或经加工处理后具有与其使用目的相适应的工程性质，并具有长期稳定性；2、就地、就近取材，减少弃料，少占或不占农田，并优先考虑枢纽建筑物开挖料的利用；3、便于开采、运输和压实。二、坝体不同部位对土石料的要求1、防渗体对土料的要求1º渗透系数要求：均质坝应不大于1×10-4cm/s，心墙和斜墙应不大于1×10-5cm/s；2º水溶盐含量（指易溶盐和中溶盐，按质量计）：均质坝、心墙坝应不大于3%；3º有机质含量（按质量计）：均质坝应不大于5%，心墙和斜墙应不大于2%；4º具有较好的塑性和稳定性；5º浸水与失水时体积变化较小。2、不宜作为坝的防渗体填筑料（或处理后）：1º塑性指数大于20和液限大于40％的冲积粘土；2º膨胀土；3º开挖、压实困难的干硬粘土，4º冻土；5º分散性粘土。3、坝壳土石料的要求开采坝壳堆石料，应遵守下列规定：1º开采前应彻底清除覆盖层overburden；2º不同程度的风化weathering料与新鲜石料应分区开采；3º易风化的软岩Softrock（如泥岩mudstone、页岩shale（laminatedrock））宜边开采、边填筑；4º宜进行爆破设计blastingdesign，必要时进行爆破试验。5º有机质含量organiccontent不应超过5%6º水溶盐含量solublesalt不应超过8%7º不均匀系数nonuniformitycoefficient在η=d60/d10≥30~100之间是级配良好的土料。得到较大的干容重drybulkdensity和抗剪强度shearingstrength。8º料场开采和建筑物开挖的无粘性土cohesionlesssoil（包括砂sand、砾石gravel、卵石screecobble、漂石erraticboulder等）、石料和风化料、砾石土均可作为坝壳料，并应根据材料性质用于坝壳的不同部位。9º均匀中mediumsand、细砂finesand及粉砂mealysand可用于中、低坝坝壳的干燥区，但地震区不宜采用。10º采用风化石料和软岩填筑坝壳时，应按压实后的级配研究确定材料的物理力学指标，并应考虑浸水后抗剪强度的降低、压缩性增加等不利情况。对软化系数低、不能压碎成砾石土的风化石料和软岩宜填筑在干燥区。11º下游坝壳水下部位和上游坝壳水位变动区应采用透水料填筑。4、反滤、过渡层要求： 1º质地致密，抗水性和抗风化性满足要求；2º具有要求的级配；3º具有要求的透水性；4º粒径小于0.075mm的颗粒含量应不超过5％。5º反滤料可利用天然或经过筛选的砂砾石料，也可采用块石blockstone、砾石轧制rolling，或天然和轧制的掺合料。6º等级低坝可采用土工织物geotextile，geofabric作为反滤层。5、排水、护坡对土石料的要求1º良好的抗水性、抗冻性和抗风化性。2º抗压强度不低于40～50Mpa，软化系数coefficientofsofting不小于0.75～0.85。3º用新鲜岩石、卵石、碎石。4º岩石的空隙率不大于3%，吸水率（按孔隙体积比计算）不大于0.8，容重应大于22kN/m3。三、土料填筑标准的确定thedeterminationofmaterialfillingstandard(placementstandards,fillingstandards1、土料的填筑标准：较高密实度、均匀性、强度和较小的压缩性、经济合理的坝体剖面。2、确定填筑标准时，应考虑下列因素：①坝高、坝型、坝的级别和坝的不同部位；②坝体填料特性：土石料的压实特性、参数③坝基土的强度和压缩性compressibility；④当地气候、设计地震烈度和其他影响；⑤采用的压实机具、施工难易程度；⑥不同填筑标准对造价的影响。3．粘性土的填筑标准（1）粘性土的填筑标准以压实度degreeofcompaction和最优含水率optimummoisturecontent作为控制指标:设计干容重应以击实最大干容重乘以压实度确定。（2）对于I、II级坝和高坝的压实度P应取98%～100%，III—V级坝和中、低坝应取0.95～0.98，V级坝和低坝取小值，设计地震烈度为8～9度时取最大值。对混凝土防渗墙顶部的高塑性土plasticsoil、湿陷性黄土，需根据工程实际情况确定合适的压实度。4．砂和砾石的填筑标准（1）击实可提高其抗剪强度和减小压缩性、防止液化。试验表明：砂砾的压实与级配和压实功有关；填筑标准应以相对密度为设计控制指标。（2）对于砂料，相对密度不应低于0.7，反滤料宜为0.7，砂砾石不应低于0.75。砂砾石，→室内结果→级配～干容重～相对密度关系，→现场挖坑取样检查。5、对于堆石料：宜用孔隙率relativedensity为设计控制指标，宜取20%～28%。第四节土石坝渗流分析 一、渗流分析的目的和内容1、土石坝渗流分析的目的：①对初选的坝的形状与尺寸进行检验，确定渗流作用力，为核算坝坡稳定提供依据；②进行坝体防渗布置与土料配置，检验土体的渗流稳定，防止发生管涌与流土，在此基础上确定坝体及坝基中防渗体的尺寸。③确定渗流水量损失→排水系统的容量。2、渗流计算内容：①确定坝体浸润线及下游出逸点的位置，绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图；②确定坝体与坝基的渗流量；③确定坝体出逸段与下游坝基表面的出逸坡降，以及不同土层间的渗透比降；④确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力；⑤确定坝肩的等势线、渗流量或渗透比降。二、渗流分析的工况operatingconditionØ上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；Ø上游设计洪水位与下游相应的水位；Ø上游校核洪水位与下游相应的水位；Ø库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况三、渗流基本理论1、坝体和两岸的渗流为无压渗流unpressurizedseepage，有浸润线phreaticline存在，大多数情况下可看作稳定渗流steadyseepage，但水库水位急降时则产生不稳定渗流transientseepageflow，需要考虑浸润面随时间变化对坝坡稳定的影响。2、土石坝中渗流流速和坡降slopegradient的关系：其中，k为渗透系数permeabilitycoefficient，量纲dimension和流速同（m/s），为参量，β=1～1.1时为层流，β=1.1～1.85时为过渡状态，β=2为紊流，v是指化引为全断面流速，实际流速较此为高。3、在渗流分析中，一般假定渗流流速和坡降的关系符合达西定律Darcy"slaw，即β=1，对于细粒土基本满足这一条件，对于粗粒土如砂砾石、砾卵石，只有部分满足这一条件，当达到1～10m/s时，=1.05～1.72，此时利用达西定律有一定的出入。4、对宽广河谷中的土石坝，一般采用二维渗流分析就可以满足要求，对狭窄河谷中的高坝，需要进行三维分析。5、一个基本公式：达西定律：应用达西定律，并假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等，对不透水地基上的矩形土体，流过断面上的平均流速为：单宽流量： 自上游向下游积分：自上游向区域中某点（x,y）积分，得浸润线方程：四、渗流分析的基本方法methodsofseepageanalysis1、方法：流体力学法、水力学法、图解法和试验法，最常用的是水力学法和流网法（图解法）2、要求：计算渗流量→土层渗透系数的大值平均值→水位降落时的浸润线→小值平均值。3、方法选择：对1、2级坝和高坝应采用数值法计算确定渗流场各因素，其它可采用公式计算。岸边的绕坝渗流和高山峡谷的高土石坝应按叁维渗流用数值法计算。五、流网法flownet1、流网的概念：复杂剖面和边界条件，用计算方法求解土石坝浸润线比较困难，且不准确。流网法可求出渗流区任一点的渗透压力Osmoticpressure、坡降sloping、流速及渗流量。渗流场seepagefield：渗流运动的水质点的空间．流线streamline：水质点运动的轨迹．等势线equipotentialline：渗流场中势能相等的各点连线流网flownet：流线与等势线组成的网格。2、流网的画法：浸润线和不透水地基的表面都是流线；上下游水下边坡都是等势线；下游边坡出逸点至下游水位既是等势线又是流线。出逸段和浸润线上各点压力均为大气压力。画法:（1）根据经验初拟浸润线位置及出逸点。（2）上、下游落差等分。（3）等分的水平线与浸润线的交点即为等势线与浸润线的交点。 （4）由交点绘制与等势线，一端垂直浸润线，一端垂直于地基表面，然后绘制流线。六、水力学法hydraulics（一）基本假定basicassumption1、土料均一，各向同性;2、渗流属稳定流；3、看作平面问题；4、渗流看作层流,渗流符合连续定律。（二）基本要点1、将坝内渗流分成若干段（即分段法）；2、应用达西定律和杜平假定（假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等），建立各段的运动方程。3、根据水流连续性求解流速、流量和浸润线等。（三）不透水地基均质坝的渗流计算（1）取1m宽坝体为计算单元，将空间问题→平面问题。用虚拟矩形体代替上游三角形。（2）原则：虚拟矩形体和上游三角形产生的渗流阻力相等。（3）当坝体与坝基的渗透系数相同时，虚拟矩形的宽度可取ΔL=0.4H1，当上游坝坡较陡（m1<2）时，虚拟矩形的宽度可取ΔL=m1*H1/（1+2m1），若为变坡率则应采用平均坡率。（4）渗流浸润线phreaticline在下游坝坡面的逸出点在下游水位之上。ao为渗流逸出点至下游水位的垂直距离。以通过渗流逸出点的垂直线为分界线，将坝体分成上、下游段两部分。当K地≤K坝/100）时，可认为地基是不透水的。（5）渗流计算上游段的任一点所在断面的渗透坡降则该断面的渗流量对首端至末端积分 对首端至任意断面积分得浸润线方程下游段的渗流计算分析，水上部分：任一流管的过水断面为，长度为，作用水头为，沿高度呈线性变化，则渗透坡降为渗透流量为  水上部分的渗流流量：  水下部分：任一流管作用水头为常数，渗透坡降为，渗透流量为 。水下部分的渗流量：下游段的渗流量:： 由流量连续原理：，求解出及。（四）总渗流量计算（五）一些说明1、渗透系数相差5倍以内的相邻薄土层可视为一层，采用加权平均WeightedAverage渗透系数；2、双层结构坝基，如下卧土层subjacentbed较厚，且渗透系数小于上覆土层overlayingsoil渗透系数的1/100，可将下层视为相对不透水层；3、当透水层坝基深度大于建筑物不透水层底部长度的1.5倍以上时，可按无限深infinitedeep透水层permeablelayer情况估算。七、渗透变形及防止措施1、渗透变形seepagedeformation： 定义：土石坝及地基中的渗流，由于物理和化学作用，土体颗粒流失，导致土壤发生局部破坏，称为渗透变形。2、常见渗透变形：（1）型式：管涌、流土、接触冲刷、剥离、化学管涌等。（2）管涌piping：在一定渗流作用下，土体中的细颗粒沿骨架颗粒所形成的孔隙管道移动或被渗流带走，发生于无粘性土中（沙砾料）。（3）流土soilflow：指在渗流作用下，粘性土及均匀无粘性土体被浮动的现象。流土常见于下游逸出处。（4）接触冲刷contactscouring：渗流沿着两种不同介质的接触面流动时，把其中颗粒层的细粒带走。（5）接触流土soilflowoncontactsurface渗流垂直于两种不同介质的接触面流动时，把其中一层的细粒，移入到另一层中去。例如反滤层的淤塞。化学管涌：指土体中的盐类被渗流水溶解带走的现象。3、变形的判别：（1）用土料的不均匀系数η；（2）用土体的孔隙直径与填料粒径之比；（3）用土体的细粒含量来判别。4、渗透变形计算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。通常用临界坡降作为判定标准。临界坡降hydraulicgradient指土体中的细粒随着渗流的加剧，由静止转化为运动状态的坡降，可通过试验和计算确定。（1）产生管涌和流土的临界比降计算：1°管涌的临界水力比降计算：管涌临界水力比降的理论研究至今尚不成熟，对于中、小型工程，当渗流自下而上时，非粘性土发生管涌的临界水力比降可参照下式计算：：-沙金渲2°流土的临界水力比降计算：太沙基（2）管涌和流土的其他判别：粘性土不会产生管涌，无需判别，对于无粘性土，管涌与流土应根据土的细小颗粒含量按式判别：管涌＜；流土≥对于不均匀系数Cu大于5的不连续级配土也可判别：管涌Pc＜25%流土Pc≥35% 中间为过渡型。5．防止渗透变形的工程措施具体有：①增大渗径，降低渗透破坏或截阻渗流；②设排水沟或减压井，降低下游渗流出口处的渗透压力。③在可能发生管涌地段，需设反滤层，拦截细粒；④可能发生流土地段，加设盖重。6、反滤层filter（1）反滤层可由2～3层不同粒径的砂、石料组成，每层粒径随渗流方向而增大。（2）其作用是滤土排水。（反滤的作用是滤土排水，防止土工建筑物在渗流逸出处遭受管涌、流土等渗透变形的破坏以及不同土层界面处的接触冲刷。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。（3）在防渗体渗流出口处，如不符合反滤要求，必须设置反滤层。（4）反滤层每层的厚度应根据材料的级配、料源、用途、施工方法等综合确定。人工施工时，水平反滤层的最小厚度可采用0.30m，垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用0.50m；采用机械施工时，最小厚度应根据施工方法确定 华北水利水电学院 授课时间2008年10月14日第七周星期二第四大节授课地点南阶梯0001实到人数授课题目§4-5土石坝的稳定分析§4-6土石坝的地基处理及裂缝控制授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求刚体极限平衡法在土石坝稳定分析中的应用，各种软基的处理方法以及裂缝种类和控制措施。主要内容第五节土石坝的稳定分析一、土石坝失稳特点二、土石坝滑动失稳形式三、土石坝稳定分析的目的四、荷载及其组合五、抗剪强度指标的测定和选择六．稳定安全系数的采用七、坝坡稳定分析第六节土石坝的地基处理及裂缝控制一、土石坝地基处理的目的和要求二、常见的土石坝地基三、岩石地基的处理四、砂砾石地基处理重点与难点教学重点：瑞典条分法以及折线滑动法，软基处理技术以及裂缝控制。教学难点：瑞典条分法和地基处理技术。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题教学后记水工建筑物B教案讲稿部分 教学过程时间分配第五节土石坝的稳定分析一、土石坝失稳特点1、坝坡较缓→在外荷载及自重作用下→不会产生整体水平滑动→坝体或坝体连同部分坝基一起局部滑动的现象，造成失稳。2、土石坝失稳的原因→由于坝体抗剪强度太小，坝坡偏陡，滑动土体的滑动力超过抗滑力，或由于坝基土的抗剪强度不足因而会连同坝体一起发生滑动。二、土石坝滑动失稳形式土石坝由松散体构成，剖面大，是局部坝坡滑动。常见几种滑裂形式：（1）曲线滑动面（2）直线或折线滑动面（3）复合滑动面三、土石坝稳定分析的目的：分析坝体及坝基在各种不同的工作条件下可能产生的稳定破坏形式。通过必要的力学计算，校核坝剖面的安全度，经过反复修改定出经济剖面。确定土坝稳定性，主要指边坡的抗滑稳定。四、荷载及其组合（一）作用力1、自重：水上——湿容重，水下——浮容重。2、渗透力：是渗流引起的动水压力，与渗透坡降有关，土体表面上所受的渗透压强为，其中为水的容重，J为该处的渗透坡降。3、孔隙水压力：多发生在施工期，一方面粘性土或坝基中的软性土层，随着填筑而产生空隙水压力，或者库水位骤降，土体浮容重变成饱和容重。4、地震惯性力：地震区应考虑地震惯性力。地震惯性力以拟静力法计算。（二）荷载组合（计算工况）1、正常运用条件。（1）上游正常蓄水位与下游相应的最低水位或上游设计洪水位与下游相应的最高水位形成稳定渗流期的上、下游坝坡。2、非常运用条件Ⅰ（1）施工期的上下游坝坡。（2）上游校核洪水位与下游相应最高水位可能形成稳定渗流的上下游坝坡。（3）水库水位的非常降落，即库水位从校核洪水位降至死水位以下或大流量快速泄空的上游坝坡。3、非常运用条件Ⅱ。正常运用水位遇地震的上、下游坝坡。五、抗剪强度指标的测定和选择 1．确定抗剪强度指标的计算方法抗剪强度指标的计算方法有总应力法和有效应力法。对于各种计算工况，土的抗剪强度都可采用有效应力法按下式确定：2．抗剪强度指标的测定方法及仪器使用规定筑坝土料的抗剪强度应采用三轴仪truetriaxialapparatus测定。III级中低坝，可用直剪仪—慢剪试验测有效强度指标。对于K<10-7cm/S土：允许采用直剪仪按快剪或固结快剪。六．稳定安全系数的采用按照我国《碾压式土石坝设计规范》，当用计及条块间作用力的计算方法时，坝坡稳定安全系数应不小于表规定的数值；当采用不计条块间作用力时，对I级坝正常运用：K>1.30，其他情况应比表规定的数值减少8%。表坝坡抗滑稳定最小安全系数七、坝坡稳定分析（一）坝坡稳定分析方法大致可分为强度分析法和刚体极限平衡法。1、强度分析法是应用土力学理论通过某种数值计算（如有限元法）求出土坝剖面内各点的应力分量，然后与土体具有的强度比较，以判定是否坍滑。2、极限平衡法：根据坝体结构和坝基情况，假定滑动面形状，然后计算滑动面上是否具有足够抵抗滑动体坍滑collapse能力。根据滑动面的不同，又可分为圆弧滑动法、折线滑动法和复式滑动法。（二）圆弧法1、圆弧法是假定坝坡滑动面为一圆弧，取圆弧面以上土体作为分析对象。2、常用于均质坝、厚心墙坝和厚斜墙坝；3、圆弧法由瑞典人彼得森提出，故称瑞典圆弧法。4、该法把分滑动体分若干土条，不考虑土条间的作用力，把滑动土体相对圆弧圆心的总阻滑力矩Mr与总滑动力矩MT的比值定义为坝坡稳定安全系数。5、最小安全系数的滑动面需反复试算才能确定。（三）滑动楔体法sliding（slip）-wedgemethod1、无粘性土坝坡，如心墙坝的上、下游坝坡、斜墙坝的下游坝坡或上游保护层以及保护层与斜墙等可能形成折线形滑动面。稳定分析时可按滑楔法计算。2、对厚斜墙坝和厚心墙坝还应按圆弧法校核。3、 按滑楔法计算时，常将滑动体以折点为界分为若干滑楔。滑楔间的相互作用力方向一般按两种方向拟定：一种是水平方向；另一种是平行于滑动斜面，前者计算的稳定安全系数比后者小。因此，假定滑楔间作用力的方向不同，对稳定安全系数的要求也不同。（四）复式滑动法compositesurfaceofsliding如图所示，坝坡的任一滑动面abcd，其中ab、cd为圆弧滑动面。分析的思路是将滑动体分为三个区域，土块abf的推动力为，cde的阻滑力为，分别作用在fb和ec面上，土块bcef产生的阻滑力为，作用在bc面上，建立稳定极限平衡方程式为:第六节土石坝的地基处理及裂缝控制一、土石坝地基处理的目的和要求（1）渗流控制：减小渗透坡降和渗流量,防止渗透变形，降低坝体浸润线，减少下游的浸没。（2）稳定控制：足够的坝基强度。（3）变形控制：沉降量在控制范围内，特别防止不均匀沉降，避免产生裂缝。资料表明:土石坝有40%是因地基失事的二、常见的土石坝地基（1）岩基或浅覆盖地基（2）砂砾石地基（3）细砂或有淤泥地基（4）粘土或黄土地基三、岩石地基的处理1、清基：清除表面的腐植土和可能造成集中渗流和发生滑动的表层土石，如较薄的细砂层、草皮、稀泥、乱石以及松动块石。2、小型土石坝可不处理岩石地基，只需清理即可。3、大中型工程常用的岩基防渗处理方法是灌浆帷幕，以岩基单位吸水率值确定。大型工程一般为0.03～0.05l/（min·m·m），对于中型工程可增至0.1l/（min·m·m）。4、断层破碎带，采用挖除、回填混凝土和做混凝土塞、帷幕灌浆或采用混凝土防渗墙。四、砂砾石地基处理1、主要方法有（1）垂直防渗：粘土截水槽claycutoffchute（trench），砼防渗墙concretecut-offwall灌浆帷幕groutcurtain；（2）水平防渗：铺盖blanket；（3）下游设排水减压设施。2、粘土截水槽（1）适用：砂砾土层深度在15m以内。 （2）位置：一般设在大坝防渗体的底部（均质坝则多设在靠上游1/3～1/2坝底宽处），横贯整个河床并伸到两岸。（3）尺寸:截水墙的底宽，应按回填土料的允许比降确定（砂壤土取3.0，壤土3.0～5.0，粘土5.0～10.0），一般取5m~10m，最小宽度3.0m。插入相对不透层的深度应不小于0.5～1.0m3、混凝土防渗墙（1）适用:砂砾石层深度在15～80m。（2）尺寸决定因素：坝高、防渗墙的允许渗透比降、墙体溶蚀速度和施工条件等，一般允许比降以80～100为宜。从渗水作用下带走游离氧化钙Freecalciumoxide而使强度降低，渗透性增加，因此，可按其强度50%的年限审核墙体厚度。从施工和坝高考虑，用冲击钻造孔，1.3m直径钻具最大，一般将墙体厚度控制在0.6～1.3m的范围内。（3）构造：防渗墙墙顶应做成光滑的楔形，插入土质防渗体的深度为1/10坝高；低坝应不小于2.0m，并在墙顶填筑含水率大于最优含水率的高塑性土区。墙底应嵌入基岩0.5～1.0m。（4）高坝深砂砾石层防渗墙，应分析核算墙的应力。（5）塑性：具有足够的抗渗性和耐久性，为此可在混凝土内掺入适量的粘土、粉煤灰及其他外加剂。（6）质量检查：为了保证防渗墙的施工质量，对高坝深砂砾石层的混凝土防渗墙、宜采用钻孔、物探等方法做强度和渗透性的质量检查。（7）案例：加拿大的马尼克3号坝Maricouagan，河床覆盖层120m，建两道0.61m厚的防渗墙，中心距3.2m，墙深131m。4、灌浆帷幕：（1）适用：当砂砾石层很深或采用其他防渗截水措施不可行时，可采用灌浆帷幕，或在深层灌浆帷幕，上层粘土截水墙或混凝土防渗墙等方法截渗。（2）在灌浆前，先对地基的可灌性和可灌何种料浆进行评估，可灌性应通过室内及现场试验确定。1°可灌比MD15—受灌地层中小于总土重的15%所对应的粒径，mm，d85—灌注材料中小于其总土重的85%所对应的粒径，mm。当M＞15时,可灌水泥浆；M＞10时可灌水泥粘土浆2°渗透系数除了以可灌比评价之外，也可用渗透系数进行评估。当地基的渗透系数＞10-1cm/s时灌水泥浆当地基的渗透系数＞10-2灌水泥粘土浆.渗透系数等于10-4~10-3可灌超细水泥浆.所有的砂层和砂砾石层，均可用化学浆材。（3）帷幕厚度应根据大坝承受的工作水头和帷幕本身的渗透比降确定，可按下式计算： J值一般为2.5-3.5，帷幕灌浆的深度可达100-120米（4）案例：法国谢尔庞坝：拔高125米，水泥粘土灌浆帷幕，共19排，帷幕顶厚35米，底部厚度15米，埃及阿斯旺高坝，坝高111米，水泥粘土灌浆帷幕深达174米。5、水平防渗铺盖（1）铺盖的作用是延长渗径，使渗漏损失和渗流比降减小。（2）特点:就地取材，施工简单，多用于中小工程。（3）案例：巴基斯坦的塔贝拉坝，坝高148m，用粘性土铺盖防渗，铺盖长2.12km，最大厚度12.8m，最小厚度4.5m，虽多次发生陷坑，最终是成功的。（4）位置：粘性土防渗铺盖是从坝身防渗体向上游延伸，多用于斜墙坝。（5）尺寸确定：前端最小厚度可取0.5～1.0m，任截面厚度由下式计算确定：。铺盖的长度，主要取决于下卧土层的允许比降，国内已建工程，一般取设计水头的4～6倍，个别工程最大取至11倍水头。（6）构造要求：铺盖与坝基接触面应平整、压实。如不满足反滤要求，应设反滤层，铺盖的渗透系数小于坝基土砂砾石层的100倍，并应小于1×10-6cm/s，在等于和略高于最优含水率下压实。6、排水减压drainageandpressurerelief措施（1）适用情况：采用铺盖防渗或采用其他措施防渗效果较差时，坝下地层渗透变形或沼泽化。可在下游坝脚或以外处配套设置排水减压措施。（2）排水沟drainage:对双层结构透水地基，可将表层挖穿做成反滤排水暗沟blindditch或明沟openditch。（3）减压井reliefwell:当表层弱透水层太厚或透水层成层性较显著时，宜采用减压井深入强透水层，将渗水导出，经排水沟排向下游。（4）减压井构造设计1º井距一般为15～30m，井径宜大于150mm，出口高于排水沟地面（高0.3～0.5m）而尽量低，免得排水沟水倒灌堵塞。2º靠近下游坝脚处沿平行于坝轴线方向布置一排。3º减压井由沉淀管、进水花管和导水管三部分组成，渗水由进水花管四周孔眼进入管内，经导水管顶面的出水口排入排水沟，进入管内的土粒靠自身重量淤落到沉淀管内，进水花管可由石棉水泥管、预制无砂混凝土管等，贯入透水层深度可为透水层厚度的50%～100%。进水花管孔眼可为条形或圆形，开孔率宜为10%～20%，管四周可按反滤要求布置反滤层和土工布。 华北水利水电学院 授课时间2008年10月15日第七周星期三第四大节授课地点2204实到人数授课题目§4-6土石坝的地基处理及裂缝控制§4-7混凝土面板堆石坝授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求讲述前一节还没有完成的内容，掌握混凝土面板堆石坝的构造和设计要点。主要内容五、软土地基处理六、土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接七、土石坝裂缝类型及控制措施第七节混凝土面板堆石坝一、案例：天生桥一级水电站二、什么是面板堆石坝三、主要特点四、堆石坝发展历程五、几个重要的堆石坝六、钢筋混凝土面板堆石坝剖面尺寸七、钢筋混凝土面板堆石坝的构造八、面板堆石坝的计算分析重点与难点教教学重点：面板堆石坝的构造和特点。教学难点：面板堆石坝的构造。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题土石坝渗流分析作业教学后记水工建筑物B教案讲稿部分 教学过程时间分配五、软土地基处理（一）细砂地基处理1、处理原因：均匀饱和的细砂地基→液化，必须进行处理。2、处理方法：1)全部挖除:当易液化地基厚度小且范围不广时。2)振动压密:当挖除困难或很不经济时，可进行振动压密或重锤夯实，其有效深度在1～2m之间，如采用重型振动碾，则可达2～3m，压实后土层可达中密或紧密状态。3)振冲强夯(振冲置换加强夯法):当易液化细砂地基厚度较深时，宜采用振冲(碎石桩)、强夯等方法加密。4）爆破震密法：在钻孔中放置炸药进行爆炸，爆炸振动使松砂层趋于密实。适合于比较纯静的松砂层，5）强力夯实法：是重锤（8～30t）从高处（一般为6～40m）自由落下，对砂土地基进行夯实，提高强度和减少变形。加固深度可达10m以上。6）振动水冲法：就是在振冲器不断振动和射水的过程中，利用振挤、浮振、重新固结的作用来提高砂土的紧密度。加固深度可达20m，是一种施工速度快、功效高，效果良好的细砂地基处理方法。7）打板桩封闭或压重，目的是增加土体的约束力。8）排水和减压，可在坝趾附近设置砂井，创造排水条件以使振动孔隙水压力很快消散。（二）淤泥地基处理1、处理原因：淤泥地基含水率大，抗剪强度低，承载能力小。2、处理方法：1）挖除:当淤泥土层较浅和分布范围不广时；2）压重法砂井排水法：当淤泥层较深，挖除难和不经济时，可采压重法或砂井排水法处理。3）砂井施工：砂井的施工是在地基中打入封底的钢管，拔管后回填粗粒砂、砾石料。4）作用:一方面是加密地基，另一方面是通过砂井把地基土料的含水量从砂井中导出，从而加快地基固结，提高其承载力和抗剪强度。5）砂井的构造1°直径为30～40cm，2°井距与井径之比为6～8，平面上采用梅花形布置。3°砂井的深度以穿过软土层为宜，但如果软土层很厚，则应穿过潜在最危险的滑动面或超过可能的塑流区。4°砂井顶面必须铺设砂垫层，其厚度为1m左右，排走井中渗水。5°砂井中材料宜选用良好级配的中粗砂，含泥量不得超过5%。（三）软粘土softclay和淤泥mud,silt地基处理1、挖除:软粘土地基土层较薄时宜全部挖除；2、砂井:当软粘土层较厚、分布范围较广、全部挖除难度较大或不经济时，可将表面强度很低的部分挖除，其余部分可用打砂井。 六、土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接处理目的：避免产生水力劈裂hydraulicfracturing；接触面岩石大量漏水；不均匀沉降而导致坝体产生裂缝。（一）坝体与土质坝基及岸坡的连接1、清基clearingandstripping(foundationclearing)：把建筑物范围内（包括坝基和岸坡abutmentslope）的草皮sod;turf、树根treeroot、含有植物的表土surfacesoil,topsoil、蛮石cyclopean（boulder）、垃圾garbage和其他废料清除，并将清理后的坝基表面土层压实。2、清除或处理：不符合设计要求的低强度、高压缩性highcompressibility软土和地震时易液化liquefaction的土层；3、坝身防渗体应与坝基防渗设施连接：坝基防渗设施应座落在相对不透水土基上；坝基覆盖层与下游坝壳粗粒料接触处，应符合反滤要求。4、对坝基开挖的要求：岸坡开挖应大致平顺，避免台阶、反坡或突然变坡；对岸坡本身的整体性和稳定性要求，防止蓄水后岸坡稳定条件恶化，要求土质岸坡沿坝轴方向开挖坡度不宜陡于1:1.5。5、土质防渗体与岸坡连接：如因防渗体底面较窄而不满足防渗要求时，应加厚防渗体的断面和加强反滤层布置，以增加该处的防渗可靠性，渐变加厚断面。（二）坝体与岩石地基及岸坡的连接（1）清基:要求清除坝基表面的垃圾、废料和杂物外，还应清除其表面松动的石块,凹处清除积土后应用混凝土回填。（2）冲洗：开挖完毕后，宜用高压水枪highpressuregun冲洗waterblasting干净;（3）断层破碎带faultshattered（rupture）zones处理:对断层、张开节理裂隙应逐条开挖清理，并用混凝土或砂浆封堵。（4）喷混凝土(水泥浆)：坝基岩面上宜设混凝土盖板、喷混凝土或喷水泥砂浆，以利坝体底面与坝基岩面的结合。工程经验表明，在防渗体与岩石面之间建筑混凝土盖板对保证填土质量，便于施工、防止接触冲刷，特别是便于帷幕灌浆。（5）预留保护层：对失水后很快风化的软岩（如灰岩limestone、泥岩等），开挖时应留0.5m，待开始回填时，边开挖边回填，或开挖后用喷水泥砂浆或喷混凝土保护。（6）非粘土土质防渗体与岩石接触处，在邻近接触面0.5～1.0米范围内，防渗体应改为粘土，并在略高于最优含水率情况下填筑，在填土前应用粘土浆clayslip（suspension）对岩层表面涂刷抹面。（7）岸坡段防渗体底部渗径不足时，应加厚防渗体尺寸，直至满足要求为止。同时岩石岸坡开挖坡度应满足稳定要求。一般不宜陡于1:0.5。（三）土石坝与混凝土建筑物的连接土石坝与混凝土建筑物的连接，使结合面具有足够的渗径长度和保护坝坡、坝脚不受冲刷的连接措施。一般采用插入式和侧墙式（翼墙式和重力墩式等）两种型式。1、插入式：（1）从混凝土坝与土石坝的连接部位开始，混凝土坝的断面成为混凝土心墙插入土坝心墙内。插入式的连接结构简单，也较经济，所以在高、中、低坝均采用较多。（2）土石坝的坝脚向混凝土坝方向延伸较长，一般适用于与非溢流重力坝段连接。（3）其插入距离较长，如刘家峡坝，插入段长22.5m，相当于连接处坝高的1/2，三道岭坝插入段长度相当于连接处坝高的1/3。 2、侧墙式（1）土石坝与溢流坝、溢洪道，水闸或船闸连接时，一般采用侧墙式连接型式。侧墙式包括重力墩式和翼墙式等。（2）重力墩式连接是把连接部位的混凝土边墩abutment(side)pier或边墙做成重力式边墩，并向上、下游延伸至足够的长度（不弯折），必要时，还应在边墩背水面筑1～3道防渗刺墙插入土石坝防渗体内，以保证土质防渗体与混凝土建筑物的连接面具有足够的渗径长度。（3）为了避免两种不同材料的接触面的变形不协调而出现间隙和产生裂缝，重力墩与土石坝接合面的坡度不宜陡于1:0.25，连接段的防渗体应适当加厚。（4）并选用高塑性粘土highplasticclay填筑和充分压实，且在接合面附近加强防渗体下游的反滤保护，严寒地区应符合防冻要求。（5）案例：如我国的丹江口坝，土坝与混凝土坝接合坡度为1:0.25，并设有4道伸入土石坝长度3.0m的防渗刺墙。七、土石坝裂缝类型及控制措施（一）类型：干缩dryshrinkage；冻融frostthawing；不均匀沉降differentialsettlement滑坡sliplandslide；水力劈裂裂缝hydraulicfracture（二）干缩裂缝1、成因：均质坎和粘土斜墙坝的表面、粘土心墙坝的顶面及施工期的填筑面。为蒸发干缩产生的龟裂缝chappedjoint。2、处理：翻筑，特别是施工填筑面的龟裂缝要处理，遇雨可增加土体的含水量，使工程质量达不到要求，均质坝、斜墙坝表面裂缝较浅的可以不处理，让其自然闭合。3、危害：加速不均匀沉降裂缝uniformsedimentationcrack和滑坡裂缝landslidefissure(crevices)的发展，施工期干缩裂缝不及时处理，也会因水力劈裂扩展。（二）冻融裂缝Freeze-Thawfissure1、成因：寒冷地区粘壤土clayloam均质坝、心墙顶面未设防护，因冰冻产生的收缩缝。2、处理：翻松夯实后，再设防护层，施工中的土坝则翻松scarification夯实的再续填筑。（三）不均匀沉降裂缝（横向裂缝）1、横向裂缝的成因：（1）坝基纵向地质不同或地形落差大造成不均匀沉降产生。（2）由坝体与砼、砌石建筑刚柔连接的沉降差产生。（3）由于大坝碾压质量，密实度不一致，造成不均匀沉降而产生。（4）由地震、爆破的影响产生。2、处理：(1)浅层缝开挖翻筑;(2)中层缝套井开挖回填;(3)深层缝灌浆充填。3、施工注意事项：（1）开挖深度要超过裂缝深0.3-0.5米。（2）灌浆为泥浆。（三）不均匀沉降裂缝（纵向裂缝）纵向裂缝其特点是缝线接近于直线,平行于坝轴,错距小。1、成因：（1）坝基横向地质不一致，由不均匀沉降而产生。（2）坝基横向地形落差大,由沉降量不一致而产生。（3）由填坝土料不一致，碾压质量不一致而产生。 （4）坝体骑在条形山嵴上（叫骑局加坝）,坝体向两侧沉降而产生。2、处理：同横向裂缝。（三）不均匀沉降裂缝（水平裂缝）：坝体内部水平缝其特征具有隐蔽性和层面性。1、成因：（1）施工时层面新旧结合不好，处理不完善形成。（2）由“拱效应”形成，心墙与代料沉降不一致，未做过渡带。2、处理：浅层开挖回填，深层以灌浆为主。（四）滑坡裂缝：其特征是外露滑坡缝，土体移位，呈弧形、大错距、渐变性。1、成因：（1）坝体含水量大；（2）坝坡陡；（3）土壤摩擦角小；（4）放水骤降。2、处理：减载缓坡、压坡固脚，而后加小压力或自重灌浆闭缝。（五）水力劈裂裂缝：1、成因：坝体的横向或水平裂缝在库水压力的作用下开度增大，有可能发展成为较大的渗流通道。还有可能没有裂缝，但是某个面上的压应力降低到小于库水压力，有可能由于水力劈裂作用使微小裂缝张大为大裂缝。（六）裂缝的控制措施：1、提高填土的压实质量；2、加强地基的处理，减少不均匀沉降。3、做好坝体和其他建筑物的连接，转折处边坡的角度差小于20º；4、做好土料选择和设计，同时考虑土料的强度和抗渗性能以及变形性能。5、做好土料之间的过渡，防渗墙和坝体之间做好过渡层，防止粒径差别过大引起变形差别过大。6、采用合适的防渗体形状和适当的边坡，如厚斜心墙可以克服心墙的拱效应和斜墙对变形敏感的特点。适用于高坝。7、坝体表面的保护。第七节混凝土面板堆石坝CFRD-concretefacedrockfilldam一、概念：面板堆石坝是以堆石体作为支承，以钢筋混凝土、沥青混凝土作为防渗体的一种坝型。以无凝聚性的、能够自由排水的砂砾石、山麓堆积料（piedmontdeposit）和人工开采的石块为主要筑坝材料（dammingmaterial）所堆筑的坝，统称为堆石坝。二、主要特点1、就地取材，在经济上有较大的优越性，除了在坝址附近开采石料以外，还可以利用枢纽其他建筑物开挖的废弃石料；2、施工度汛问题比土坝较为容易解决，可部分利用坝面溢流度汛，但应做好表面保护措施；3、对地形地质和自然条件适应性较混凝土坝强，可建在地质条件略差的坝址上，且施工不受雨天影响，对温度变化的敏感度也比混凝土坝低得多；4、方便机械化施工，有利于加快施工工期和减少沉降，随着重型振动碾等大型施工机械的应用，克服了过去堆石坝抛填法沉降量很大的缺点；5、坝身不能泄洪，施工导流问题较混凝土坝难予解决，一般需另设泄洪和导流设施。三、堆石坝发展历程1、初期（earlystage-incipientstage）：（1870-1940）：（1） 施工工艺：抛石填筑，辅以高压水枪冲实的简单压实工艺，堆实体不密实，沉降和水平位移大。案例：1931年的美国盐泉坝（saltspringdam），高100m，另外的迪克斯河坝（DixRiver）；（2）问题：都出现了因变形过大使得面板破坏和大量的渗漏的事故。（3）适用范围：适用于坝高70m的中低坝。2、过渡期（transitionalstage）：（1940-1965）：（1）特点：抛填堆石坝向碾压堆石坝的过渡阶段，坝高的增加，面板堆石坝逐渐被粘土心墙或斜墙堆石坝所替代。（2）案例：1958年，英国的库契（Quoich）坝首次引入震动碾压实坝体堆石，从而开始了过渡，1966，过渡期的最后一座坝美国新国库（newexchequer）坝，高150米，是用薄层碾压和厚层抛填混合建成的。3、现代阶段（presentstage）：（1965-至今）（1）发展的原因：由于大型震动碾的出现和土石坝碾压技术的逐渐成熟，面板堆石坝重新获得了发展的良机。（2）案例：1971年的澳大利亚的塞沙娜（Cethana），坝高110m，奠定了现代面板坝的技术基础。从1980年，建成的巴西阿里亚（FozdoAreia）坝，1985年建成的哥伦比亚萨尔瓦兴娜坝（Salvajinadam，高148m）到1993年，建成的墨西哥阿瓜米尔巴坝（AguamilpaDam，高187m），四、几个重要的堆石坝（1）最高的心墙堆石坝：1980年：塔吉克斯坦：努列克堆石坝（NurekDam），坝高300m，（2）最高斜心墙堆石坝是1986年：塔吉克斯坦的罗贡坝（RounDam），最大坝高335m，（3）1993年，最高的混凝土面板堆石坝是墨西哥的阿瓜米尔巴坝，坝高187m，（4）2003年开工，中国最高的心墙堆石坝是大渡河上的瀑布沟大坝，最大坝高186米，（5）2001年建成的最高的斜心墙堆石坝是黄河小浪底大坝，最大坝高154米，（6）2002年开工，最高的混凝土面板堆石坝是水布垭大坝，最大坝高230米，六、钢筋混凝土面板堆石坝剖面尺寸（一）坝顶高程和宽度1、面板堆石坝一般为梯形剖面，其坝顶宽度和坝顶高程的确定与土坝类似；2、坝顶宽度：应兼顾面板堆石坝的施工要求(浇筑面板时有工作面和进行滑模设备的操作)，一般不宜小于5m。3、在坝顶上游侧设置钢筋混凝土防浪墙。防浪迎水面高4～6m，背水面高于坝顶1.0～1.2m，底部与面板间应做好止水连接。（二）坝坡1、对于采用抗剪强度高的堆石料，上、下游坝坡在静力条件下均可采用堆石料的天然休止角naturalangleofrepose：对应的坡度；因此一般采用1:1.3～1:1.4。对于地质条件较差或堆石体填料抗剪强度较低以及地震区的面板堆石坝，其坝坡应适当放缓。七、钢筋混凝土面板堆石坝的构造（一）垫层区cushionzone1、材料：垫层区应选用质地新鲜、坚硬且耐久性较好的石料，可采用经筛选加工的砂砾石、人工石料或者由两者混合掺配。高坝垫层料应具有连续级配，一般最大粒径为80～100mm，粒径小于5mm的颗粒含量为30％～50％，小于0.075mm 的颗粒含量应少于8％。2、要求：垫层料经压实后应具有内部渗透稳定性、低压缩性、抗剪强度高，并应具有良好的施工质量。3、施工：垫层施工时每层铺筑厚度一般为0.4～0.5m，用10t振动碾碾压4遍以上。对垫层上游坡面，由于重型振动碾难于碾压，因此对上游坡面还应进行斜坡碾压。4、尺寸：垫层顶部水平宽度一般可采用3～4m，向下逐渐加宽。坝高100m以下的面板堆石坝，为了简化施工也可考虑采用上下等宽的垫层。5、对于周边缝附近的特殊垫层区，可以采用最大粒径小于40mm且内部稳定的细反滤料，经薄层碾压密实，以尽量减少周边缝的位移。图堆石坝分区示意图（二）过渡区transitionzone1、作用：过渡区介于垫层与主堆石区之间，起过渡作用，石料的粒径级配和密实度应介于垫层与主堆石区两者之间。此外，当面板开裂和止水失效而漏水时，过渡区应具有防止垫层内细颗粒流失的反滤作用，并保持自身的抗渗稳定性。2、要求：过渡区石料粒径要求可比垫层材料适当放宽，最大粒径一般为300～400mm。该区水平宽度可取3～5m，分层碾压厚度一般为0.40～0.5m。（三）主堆石区mainrockfillzone1、作用：主堆石区为面板坝堆石的主体，是承受水压力的主要部分，它将面板承受的水压力传递到地基和下游次堆石区。2、要求：该区既应具有足够的强度和较小的沉降量，同时也应具有一定的透水性和耐久性。该区石料应级配良好，以便碾压密实。3、其他：主堆石区填筑层厚一般为0.8～1.0m，最大粒径应不超过600mm，用10t振动碾碾压4遍以上。（四）次堆石区secondary（downstream）rockfill1、对填筑要求可酌情放宽。石料最大粒径可达1500mm，填筑层厚1.5～2.0m，用10t振动碾碾压4遍。2、另外，混凝土面板上游铺盖区（1A区）可采用粉土、粉细砂、粉媒灰或其他材料填筑；3、上游盖重区（1B区）可采用渣料填筑；（五）钢筋混凝土防渗面板的构造1、采用钢筋混凝土面板作为防渗体，在堆石坝中应用较多，少量土坝也有采用。2、钢筋混凝土面板要求下游非粘性土坝体必须具有很小的变形，为此，钢筋混凝土面板在坝体完成初始变形后铺筑最为理想。3、钢筋混凝土面板防渗体主要是由防渗面板和趾板组成。 4、面板底部厚度宜采用最大工作水头的1%，考虑施工要求，顶部最小厚度不宜小于30cm。5、为使面板适应坝体变形、施工要求和温度变化的影响，面板应设置伸缩缝和施工缝，垂直伸缩缝的间距，位于面板中部一带，垂直伸缩间距可以取大些，一般以10～18m为宜，靠近岸坡的垂直缝间距则应酌情减小。6、垂直缝宜采用平接，不使用柔性填充物，以便最大限度地减少面板的位移。7、为控制温度裂缝和干缩裂缝:面板需要布置双向钢筋，每向配筋率reinforcementratio为0.3%～0.5%。由于面板内力分布复杂，计算有一定的难度，故一般将钢筋布在面板中间部位。周边缝peripheraljoint、垂直缝和水平缝附近配筋应适当加密，以控制局部拉应力和边角免遭挤压破坏。8、趾板：趾板是面板的底座，其作用是保证面板与河床及岸坡之间的不透水连接，同时也作为坝基帷幕灌浆的盖板和滑模施工的起始工作面。9、趾板的截面形式：沿水流方向的宽度b一般可按b=H/J确定，J为坝基的允许渗透比降。可取水头的1/10～1/20，最小3.0m，低坝最小可取2.0m。10、对局部不良岸坡，应加大趾板宽度，增大固结灌浆范围。趾板厚度一般为0.5～1.0m，最小厚度0.3～0.4m。11、分缝位置应与面板分缝（垂直缝）对应。如果地基为岩基，可设锚筋anchorrod（bar）与岩基固定。12、面板接缝设计（包括面板与趾板的周边接缝和趾板之间接缝）主要是止水布置，周边缝止水布置最为关键。13、面板中间部位的伸缩缝，一般设1～2道止水，底部用止水铜片，上部用聚氯乙烯止水带。14、周边缝受力较复杂，一般采用2～3道止水，在上述止水布置的中部再加-PVC（poly(vinylchloride)）止水。如布置止水困难，可将周边缝面板局部加厚。15、面板与岸坡的连接是通过趾板toeboard与岸坡连接的，面板与趾板又通过分缝dividedjoint(parting)和止水措施防渗。趾板作为面板与岸坡的不透水连接和灌浆压帽，应置于坚硬、不冲蚀和可灌浆的弱风化至新鲜基岩上，岸坡的开挖坡度不宜陡于1:0.5～1:0.7；16、趾板基础开挖应做到整体平顺，不带台阶，避免陡坎和反坡，当有妨碍垫层碾压的台阶、反坡或陡坎时，应作削坡或回填混凝土处理。为保证趾板与岸坡紧密结合和加大灌浆压重，趾板与岸坡之间应插锚筋固定。锚筋直径一般为25～35mm，间距1.0～1.5m，长3～5m。八、专业词汇1:混凝土面板堆石坝concretefacerockfilldam用堆石料或和砂砾石料分层碾压填筑混凝土面板作上游防渗体的坝。2:坝高heightofdam从趾板建基面算起到坝顶路面之间的高度，对于修建在斜坡地基上的坝可从坝轴线处最低的建基高程起算，坝高同时加以注明3:堆石坝体embankment面板下游用不同粗细材料分区填筑的坝体统称4:垫层区cushionzone面板的直接支承体，向堆石体均匀传递水压力并起辅助渗流控制作用。5:特殊垫层区specialcushionzone位于周边缝下游侧垫层区内对周边缝及其附近面板上的堵缝材料起反滤作用6:过渡区transition位于垫层区和主堆石区之间保护垫层并共同起辅助渗流控制作用 7:主堆石区mainrockfillzone位于堆石坝体的上游部分是承受水荷载的主要支撑体8:下游堆石区downstreamrockfillzone位于堆石坝体下游部分与主堆石区共同保持坝体稳定其变形对面板影响轻微9:排水区drainagezone由砂砾石或软岩主堆石区内竖向排水及坝底水平排水组成。它是较均匀、强透水的堆砾石区。10:抛石区rip-rapzone在下游坝趾从高处由自卸汽车直接卸料形成的硬岩大块石堆石区11:下游护坡downstreamslopeprotect在坝下游边缘用大块石堆砌形成的平整坡面12:上游铺盖区upstreamblanketzone位于面板上游面下部，用低液限粉土或类似的其他土覆盖在面板和周边缝上，起辅助渗流控制作用13:盖重区weightedcoverzone覆盖在上游铺盖区上的渣料维持上游铺盖区的稳定。14:混凝土面板concreteface位于堆石坝体上游面的混凝土防渗结构。15:趾板concretefaceslab连接地基防渗体和面板的混凝土板。16:趾板基准线plinthline面板底面延长面与趾板设计建基面的交线。17:平趾板flatplinth垂直于趾板基准线的剖面具有水平顶面的趾板。18:趾墙toewall布置在趾板线上和面板连接的混凝土防浪挡墙。19:防浪墙wavewall位于坝顶并与面板顶部连接的混凝土防浪挡墙。20:周边缝peripheryjoint面板和趾板或趾墙之间的接缝。21:垂直缝verticaljoint面板条块之间的竖向接缝。22:柔性填料flexiblefillingelement由沥青橡胶和填充料配制而成并用于止水的柔性材料。23:硬岩hardrock饱和无侧限抗压强度大于等于30MPa的岩石24:软岩softrock饱和无侧限抗压强度小于30MPa的岩石 华北水利水电学院 授课时间2008年10月17日第7周星期五第一大节授课地点1601实到人数授课题目§5-1土基上的水闸概述§5-2水闸的闸孔和消能防冲§5-3闸基的防渗排水授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求掌握水闸的分类、组成以及等级标准，水闸闸孔的确定和消能防冲设施。掌握水闸渗流分析的任务和方法以及地下轮廓线的布置情况。主要内容第六章水　闸sluice第一节概述一、水闸的概念二、水闸的分类三、水闸的工作特点四、水闸等级划分及洪水标准（以平原区水闸枢纽为例）五、水闸设计内容第二节水闸的闸孔和消能防冲section2gateopeningofsluiceandenergydissipation一、闸址选择二、闸孔设计三、水闸下游发生冲刷的原因五、水闸的消能防冲重点与难点教学重点：水闸的构造以及消能防冲设施。教学难点：闸孔的设计和消能防冲。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题教学后记水工建筑物B教案 讲稿部分教学过程时间分配第六章水　闸sluice第一节概述一、水闸的概念：是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工建筑物，多建于河道、渠系及水库、湖泊岸坡。二、水闸的类型1、按担负的任务来分：（1）进水闸（渠首闸，取水闸）intakesluice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）regulatingsluice一般拦河而建，枯水期lowwaterperiod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（排涝闸、泄水闸、退水闸）drainagesluice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。本闸特点：受双向水头作用，闸底板高程极低，而闸身较高。（4）挡潮闸tidesluice作用：①阻止海潮沿河流上溯，免使土地盐碱化；②汛期受潮水顶托，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flooddiversionsluice利用河道旁预定的洼地或湖泊分洪区flooddiversionarea，及时削减峰，确保下游安全。（6）冲砂闸scouring（wash-out）sluice：以葛洲坝为例。（7）泄洪闸floodgate（同拦河坝）（8）船闸navigationlock（专门建筑物）2、按水闸的结构特点：（1）开敞式open；2）胸墙breastwall式水闸；（3）浮体式；（4）涵闸式（5）自动翻板式等。3、按闸孔数目分类（1）单孔；（2）两孔；（3）多孔4、按过流量大小分：（1）大型（Q>1000m/s）；（2）中型（Q=100～1000m/s）；（3）小型(Q<100m/s)。三、水闸的组成部分一、上游连接段（1）上游翼墙upstreamwingwall（2）铺盖（护底）blanket（bottomprotection） （3）上游防冲槽upstre阿amerosioncontroltrench（4）两岸护坡two-sideslopeprotection二、闸室段包括：闸门、闸墩、底板、工作桥、交通桥、启闭机等。三、下游连接段（1）护坦（消力池）apron（2）海漫riprapflexibleapron（3）下游防冲槽downstreamerosioncontroltrench（4）下游翼墙downstreamwingwall（5）两岸护坡two-sideslopeprotection四、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、软土地基的压缩性大，均匀沉陷量大，且会发生不均匀沉陷；4、渗流（闸基）变形；5、细砂地基容易发生液化。（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undularhydraulicjump；4、易产生折冲水流zigzagcurrent（扩散角太大，不均匀开启）六、水闸等级划分及洪水标准（以平原区水闸枢纽为例）六、水闸设计内容1、闸址选择；2、总体布置；3、水力设计：1o闸孔型式和尺寸确定；2o消能防冲设施的设计计算；3o闸门控制运用方式的拟定。 4、防渗和排水设计；5、水闸结构设计：1o闸室稳定计算；2o岸、翼墙稳定计算3o结构应力分析。6、地基处理及处理设计；7、观测设计。第二节水闸的闸孔和消能防冲section2gateopeningofsluiceandenergydissipation一、闸址选择总体要求：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：（1）拦河闸：宜选在河床稳定、水流顺直的河段上；（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，从河道中取水的进水闸的轴线方向与主河道的夹角应在30°以内。（2）分洪闸：一般设在弯曲河海的凹岸或顺直河道的深槽一侧。（3）排水闸：闸址设在江河老堤的堤线上。（4）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。避开淤泥、粉砂和细砂地基，必要时应采取相应的处理措施。二、闸孔设计（一）堰型选择1、宽顶堰broadcrestedweir：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undularhydraulicjump。2、低实用堰（堰顶厚度与堰上水头比值在0.67—2.5之间的堰。practicalweir）：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。低实用堰有梯形、曲线形和驼峰形humpweir（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。1、底板高程高：闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。2、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。3、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bedload沿河底以滚动、滑动或跳跃的方式随水流向前移动的泥沙进入渠道。（三）确定闸室单孔宽度和总长度1、闸孔总净宽L0增大，q减小，闸孔总净宽L0减小，q增大，这将直接影响消能防冲的工程量和工程造价2、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。 3|、过水能力：与上下游水位、底板高程、闸孔净宽相互关联，需对不同方案进行技术经济比较后确定。我国大中型水闸的单孔宽度b一般采用8—12m，小型水闸3m。闸室总宽度L=nb+(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。三、水闸下游发生冲刷的原因1、闸室束窄了原河道的过水断面，下泄流量具有较大的单宽流量，若闸下游布置不合理，回流reversecurrent使主流primaryflow受到挤压；或闸门不对称开启，都会使下游形成折冲水流zigzagcurrent。2、设计的上下水位选择不当，不能产生淹没水跃submergedhydraulicjump，或产生淹没过大的水跃，使高速水流潜入水底，导致消能不足。3、过闸水流流量大，上下游水位差小，形成不完全水跃，甚至是波状水跃undularhydraulicjump，消能效果差。4、单宽流量q大而土壤的抗冲刷能力低；河道收缩，水流未充分扩散；消能工设计不合理。5、分洪闸：开始泄流时下游无水或水位很低，始流条件差：Qmax→⊿Zmax；水位升高，Fr较小，易产生波状水跃；进口流态不对称时会产生折冲水流。6、节制闸：闸门开启不对称时会产生折冲水流；水头最大时流量并非最大，流量最大时水头最小。四、水闸的消能防冲（一）消能方式：我国已建的大、中型水闸，多数建在平原、滨海地区，一般在软基上建闸，且承受的水头不高，闸下跃前Fr较低，宜采用底流式水跃消能。”（二）水跃形态：1、临界水跃criticalhydraulicjump跃前断面位于收缩断面的水跃。2、淹没水跃submergedhydraulicjump水流由急流向缓流过渡，下游水深大于临界水跃的跃后水深时，表层旋滚涌向上游，淹没收缩断面所形成的水跃。3、远驱水跃repelleddownstreamhydraulicjump下泄急流在收缩断面后经历一段壅水才发生的水跃，其跃前断面远离收缩断面。（三）底流消能工的作用：在闸下产生一定淹没度的水跃，来保护水跃范围内的河床。淹没度1.05—1.10较为适宜，淹没度过小，水跃不稳定；淹没度过大：水舌潜入底层，消能效果反而减小。（四）消力池的形态：1、尾水深小于跃后水深1.0—1.5m时，降低护坦高程形成消力池-挖深式消力池：2、尾水深约略等于跃后水深时，消力坎式消力池（或辅助消能工）3、综合式消力池：尾水深小于跃后水深1.5-3m时4、多级消能：尾水深小于跃后水深3m以上时布置形式：池底与闸室底板之间用1:3～1:4的斜坡相连接。（五）辅助消能工：1、闸室平台小槛---防止波状水跃.2、消力池前端设散流墩—防止产生折冲水流 3、消力池末端一般布置尾槛，作用：①调整流速分布，②减小出池水流的底部流速，且在槛后产生小规模轴旋流③利于平面扩散和削减下游边侧回流。（六）消力池的尺寸1、深度d，按水跃动量平衡方程求解式中：-消力池的深度（m）；-水跃淹没深度，可采用1.05-1.10；-跃后水深（m）；收缩水深（m）；-水流动能校正系数，可采用1.0-1.05-过闸单宽流量（m2/s）；-消力池首端宽度（m），-消力池末端宽度（m）；由消力池底板顶面算起的总势能（m）；-出池落差（m）；-出池河床水深（m）；2、消力池的长度式中Lsj为消力池长度；Ls为斜坡段的水平投影；β为水跃长度校正系数，一般取0.7～0.8；Lj为水跃长度，新规范中推荐采用欧勒佛托斯基公式计算：3、消力池护坦厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别按规范中以下公式计算，取其最大值，且不小于0.5m：抗冲：；抗浮：式中：-消力池底板初始厚度（m）；-闸孔泄水时的上、下游水位差（m）；-消力池底板计算系数，可采用0.15-0.20。-消力池底板安全系数，可采用1.1-1.3。 -作用在消力池底板底面的扬压力（kPa）；-作用在消力池底板顶面的水重（kPa）；-作用在消力池底板上的脉动压力（kPa），其值可取越前收缩断面流速水头值的5%；通常计算消力池底板前半部分的脉动压力时取“+”，计算消力池后半部的脉动压力时取“-”号；-消力池底板的饱和容重（kN/m3），消力池末端厚度，可采用，但不宜小于0.5m4、护坦apron的材料和构造（1）必须具有抗冲耐磨性，一般采用混凝土和加筋混凝土，在小型船闸中，有时采用浆砌石。（2）为了降低护坦底部的渗透压力，在护坦的后半段或前半段需设置排水孔，孔径一般为5～25cm，间距为1.5～3.0m,成梅花形排列。排水孔内放置碎石或无砂混凝土（滤土排水），排水孔底部必须设置反滤层。（七）上下游防护1、海漫riprap（1）作用紧接护坦，进一步消除余能，调整流速分布，达到不冲流速、保护下游河床免受冲刷。（2）要求：①柔性，适应河床的变形；②粗糙性，消除余能；③透水性，渗水能自由排除，④抗冲。（3）材料：干砌石dry-laidstonemasonry、浆砌石cement-laidstonemasonry、混凝土板块concreteslab、铅丝石笼wirebox、梢捆brushwoodfagot;fascinebundle等。（4）长度：按南科院提出的经验公式计算。海漫的长度L：  式中，k：河床土质系数，见下表q：消力池出口单宽流量。H：上下游水位差。（5）布置：1°砌石布置在海漫前部，厚度为30～50cm，其抗冲能力较高，抗冲流速一般为3～6m/s，浆砌块石内应设排水孔drainagehole，底部设反滤层filter或垫层；2°干砌块石布置在海漫的后部，约为海漫全长的1/3～2/3，其下部一般铺设10cm的碎石垫层设反滤层，块石直径大于30cm，抗冲流速3m/s.3°规范规定干砌块石海漫应做成等于或缓于1:10的斜坡。2、防冲槽anti-scourtrench1º作用：海漫末端设大块石防冲槽：限制冲刷向上游扩展，保护海漫。2º尺寸：深度一般为1.5～2.5m，底宽一般取2～3倍的深度，上游坡率取2～3，下游可取3。（上下游坡度可采用1：2～1：4）。3º工作机理：防冲槽的破坏防止海漫的进一步破坏，原因在于过水断面增大，流速减小。3、上、下游河床防护riverbedprotection（1）齿墙/防冲槽→护底→铺盖（2）为了防止水流冲刷，必要时上游护底首端应设防冲槽（或防冲墙），其深度一般采用1.0m即可。长度为（3～5H。（3） 护岸的长度应大于河床防护的长度。靠近闸室采用浆砌石，其他部位采用干砌石。河岸防护厚约0.3～0.5；每隔8～10m设混凝土埂或浆砌石埂；（4）在护坡底脚处，护坡与引渠土坡交接处均应做混凝土或浆砌石齿墙嵌入土中，增加坡角稳定及防止海漫末端的两岸遭受回水淘刷。（5）护坡下面设卵石及粗砂垫层10cm。第三节水闸的防渗排水seepagecontrolanddrainage一、闸基渗流的主要危害themainhazardofseepageflowofsluicefoundation1、产生扬压力，降低闸身抗滑稳定性，沿两岸的渗流对翼墙产生侧向水平推力,影响两岸翼墙的侧向稳定性；2、由于渗透力的作用，渗透力可能造成土的渗透变形，引起闸基和两岸土体的渗透破坏；3、严重的渗漏将造成大量的水量损失；4、地基内可溶解的物质加速溶解。二、防渗设计的主要任务themaintasksofthedesignofseepagecontrol1、渗透压力计算infiltrationpressurecalculation；2、抗渗稳定性验算anti-seepagestabilitychecking；3、反滤层设计filterdesign；4、防渗帷幕及排水设计impermeablecurtainanddrainagedesign；5、永久缝止水设计thewaterstopforpermanentjointdesign。三、防渗地下轮廓的布置thelayoutofimpermeableundergroundoutline（一）防渗地下轮廓线：水闸闸底与地基上的接触部分，由不透水部分和透水部分组成。闸基的防渗长度lengthofseepage-proof（二）渗径seepagepath长度：闸基渗流第一根流线，即铺盖和垂直防渗体等防渗结构以及闸室底板与地基的接触线的长度。应满足:L≥CH（三）防渗地下轮廓布置1、布置原则：上防下排（先阻后排）防渗与导渗相结合。2、防渗排水设施（a）闸上游的防渗措施一般采用粘土铺盖、混凝土铺盖或在铺盖、闸底板上游端打板桩、帷幕灌浆，降低闸基下渗流的平均渗透坡降。（b）闸下游的排水措施，一般采用在护坦底板上设置平铺式排水孔、减压井，使地基渗水尽快排除。3、粘性土地基防渗布置（1）地基特点：粘性土地基不易发生管涌破坏，地板上的摩擦系数小（2）目标：所以主要是降低渗透压力，增加闸身有效重量。（3）做法：闸室上游宜设置水平钢筋砼或粘土铺盖，或土工膜防渗铺盖，闸室下游护坦底部应设滤层，下游排水可延伸到闸底板下。4、砂性土地基防渗布置（1）地基特点：地基的摩擦系数较大，抗渗透破坏较差；（2）目标：因此主要是防止渗透变形→通过延长渗径来降低渗透流速和坡降，对降低渗透压力的要求较低。（3）做法：1º砂层很厚→闸室上游可采用铺盖和悬挂式防渗墙相结合的形式，闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。2º砂层较浅→闸室底板上游端设置截水槽或防渗墙（嵌入相对不透水层深度不应小于1.0m），闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。 5、粉细砂siltysand地基防渗布置（1）闸室上游宜采用铺盖和垂直防渗体相结合的布置形式。（2）在地震区的粉细砂地基上，有震动液化问题，宜采用封闭式布置（闸室底板下布置的垂直防渗体宜构成四周封闭的形式），垂直防渗体的长度应超过粉砂地基液化深度。6、弱透水地基下有透水层地基为不同性质冲积层，KH>>KV。→闸室下游设置铅直排水，并防止淤堵。7、双向水头作用防渗布置：对于挡潮闸，承受双向水头作用，上下游都设有板桩和排水，一般是闸室迎海一侧设较长的板桩→合理地进行双向布置形式，并以水位差较大的一向为主。四、闸基的渗流分析theseepageflowofsluicefoundationanalysis（一）渗流分析的目的：执行渗流计算，确定渗透压力、渗透坡降、渗流量，从而验证技术合理性。（二）分析方法1、理论解法theoreticalsolution闸基下的渗流为有压流，假定地基是均匀的、各向同性的、渗水是不可压缩的，并且符合达西定律v=kJ，闸基下的渗流运动可用下面的微分方程表示：H为渗流场中任一点的渗压水头。由边界条件求解出水头函数H=f(x，y，z)，就可以求解出闸基下任一点的渗流要素。由于闸基下渗流场的边界条件十分复杂，不能求得解析解，在工程实际中常采用近似的实用方法。2、试验法simulationtest；3、流网法flownet；4、数值解法numericalsolution5、近似计算法approximationtechnique；6、规范中推荐(a)采用改进阻力系数法和流网法作为求解土基上闸基渗透压力的基本方法。(b)复杂土基上重要水闸，应采用数值计算法求解。(c)岩基上水闸的渗透压力，采用全截面直线分布法计算。（三）近似计算法1、直线比例法straight-lineproportionalmethod（1）勃莱法：认为闸基下渗透流沿地下轮廓线各点渗透坡降相同，即各点的渗透水头的损失是均匀的。 将地下轮廓线展开为直线，按hx=Hx/L求解闸底下实际作用的渗透水压力分布图。式中：x为计算点距地下轮廓线下游端的距离；L为地下轮廓线长度；H为总的渗透水头；hx为计算点的渗透水头。（2）莱因法认为闸基下水平渗径的防渗效果只有垂直渗径的1/3。地下轮廓线长度：∑L垂直+∑L水平/3，由此计算出地下轮廓线的折算长度。仍按直线比例法计算地下轮廓线上各点的渗透水头。2、直线展开法linearexpandingmethod：直线展开法把地下轮廓线垂直段展开为相同效应的水平轮廓，再按线性关系求各点的渗透水头。3、加权直线法weightedlinemethod：（1）加权直线法适用于防渗布置简单、地基不复杂的中小型水闸。 （2）加权直线法与勃莱法基本相同，不同点在于把地下轮廓上下游端的铅直渗径扩大一个倍数n，而其他部分仍保持不变。（3）假定端板桩（或齿墙）的长度为S，地下轮廓水平投影长度为L，计算用透水层深度为T。（4）则同时满足S/T<0.1和S/L<0.1的为短板桩，取n=4；（5）如果不能同时满足或都不满足，则视为长板桩，取n=2。（6）渗径长度为nS×2+L。然后按着直线比例法计算轮廓各点的渗透压强。4、改进阻力系数法ModiffiedMethodofResistanceCoefficient：改进阻力系数法通过求解闸基下的渗透水头损失得到闸室底板下的渗透水压力分布图。（1）计算原理（a）把闸基的渗流区域按可能的等水头线划分为几个典型流段，根据渗流连续性原理，流经各流段的渗流量相等，各段水头损失与其阻力系数成正比，各段水头损失之和等于上下游水头差。求解每个典型段相应的渗流阻力系数,然后根据渗流连续性条件和水头损失的累积关系,求解每段的水头损失和其它渗流要素。（b）由地下轮廓线上的角点、板桩的尖点的等水头线，将渗流区分为若干段：进口段、水平段、垂直段、出口段；（c）求解每个典型段的渗流阻力系数。根据达西定律：任一段的单宽流量为（）式中：hi通过该渗流段的渗透水头损失，m；li该渗流段的平均流线长度，m；，Ti透水层深度，m；ξi该渗流段的阻力系数，只与该渗流段的几何形状有关；（d）由水流的连续条件，流经各渗流段的单宽流量相等，则任一流段的水头损失为：（e）总水头差应为各段水头损失的和：（f）各段水头损失：（g）求出各段的水头损失，各段中间的水头损失按直线变化，即可绘出闸基下的渗透压力分布图。（2）确定地基有效深度Te若Te<地基的透水深度T，则按Te计算；若Te>地基的透水深度T，则取Te=T计算。其中，Te为土基上水闸的地基有效深度（m），L0为地下轮廓的水平投影长度（m）S0为地下轮廓的垂直投影长度。（3）分段并计算各段的阻力系数 按可能的等水头线划分为几个典型流段（进口段、出口段、水平段、内部垂直段）,按规范中基本公式计算各段的阻力系数。运用公式时要正确计算T、S、S1、S2等参数。注：在铺盖末端和底板前端齿墙附近，水平距离太短，致阻力系数太小，这是不合理的，可将之并入附近渗流段。（4）初绘渗压图并修正结果五、防渗排水设施seepagecontrolanddrainagefacilities（一）防渗设施anti-seepagefacility：铺盖blanket；板桩sheetpile；齿墙cut-offwall1、铺盖blanket（a）布置位置：闸室上游的一侧；（b）长度：根据防渗效果大和工程造价低的原则确定；（c）特性：相对不透水性和柔性；（d）材料：粘土、粘壤土、混凝土、钢筋混凝土（覆盖材料）及沥青混凝土等，在小型船闸中还可以用浆砌石。（e）渗透系数：较地基渗透系数小100倍以上，即两个数量级，最好达1000倍以上。（f）粘土及粘壤土铺盖1º粘土及粘壤土clayloam用于砂性土和中性壤mediumloam土地基，填土料的渗透系数小于10-5cm/s。2º尺寸：δ=△H/[J]，其中△H为计算截面顶面和底面之间的水头差；[J]为允许坡降，粘土4～8，壤土3～5。铺盖上游的最小厚度由施工条件确定，一般不宜小于0.6m。长度一般为闸上、下游的水头差m。3º连接处理：如下图，闸底板上游做成斜面，促使铺盖靠自重紧贴闸室混凝土，并在两者之间设置油毛毡asphaltfelt止水。5º保护：铺盖表面可以用干砌石或混凝土板护面，之间应作砂性土保护层，免干裂、冰冻或交通碾压破坏。（g）混凝土、钢筋混凝土和沥青混凝土铺盖1º缺少粘土或特殊要求时可以考虑混凝土。2º要求渗透系数小于10-7cm/s，沥青混凝土的渗透系数为10-8cm/s～10-9cm/s。3º厚度一般采用0.4～0.6m，其中沥青混凝土的厚度一般为5～10cm，和底板结合处适当加厚，可不分缝。4º构造：对于钢筋混凝土铺盖，每隔10～20m在顺水流方向设置沉降缝，靠近翼墙的铺盖缝距采用小值。缝中设止水，双向配置Φ10mm，间距为25～30cm的构造钢筋constructionalreinforcement。如果铺盖兼作阻滑板，轴向还需配受拉钢筋。受拉钢筋与闸室做铰接形式。与闸底板的连接图见下图。2、板桩sheetpile（a）设置位置：闸室底板高水位一侧或在铺盖起端，设在低水位一侧的短板桩主要是较小出口的渗透坡降。（b）长度：如果不透水层很厚，板桩的深度一般采用0.7～1.2（0.6～1.0）倍上下游的最大水位差，若透水层较薄，可用板桩截断，并插入不透水层1m。（c）种类：木板桩、钢筋混凝土板桩、砂浆板桩以及钢材等四种。（d）木板桩：过去常用，适于砂土地基，一般长3～5m（最长8m ），宽20～30cm，厚约8～12cm，不适于很难打进的砂砾基。（e）钢筋混凝土板桩:使用于各种地基，适用较广;深度可达15～20（12～15）m，厚10～15cm，宽50～60cm，现场预制，我国较少采用，一般做成舌槽形。（f）竹筋混凝土板桩banbooreinforced，长度5～7m，用水冲法waterjet进行沉桩，待沉到最后1～2m时才改用锤击法施工。（g）砂浆板桩，强度低，桩长不能太长，一般桩长3～4m，最长为6m。（h）连接：板桩顶部须嵌入齿墙内，并填以沥青以适应闸室沉降。（i）近年来，闸基防渗也有采用高压喷射high-pressureinjection灌浆形成防渗板墙，还有浇筑混凝土防渗墙和灌注式水泥砂浆帷幕。3、齿墙cut-offwall（a）种类：分为深齿墙和浅齿墙两种（b）浅齿墙：设在闸室底板上下游两端及铺盖起始处。材料为混凝土和钢筋混凝土，深度0.5～1.5m，，作用是延长渗径和增加闸室的稳定性。（c）深齿墙：多用在闸室后紧接的斜坡段的闸室底板下游侧，防止斜坡段破坏影响闸室的稳定，深度大于1.5m.（二）排水及反滤层1、作用：排水减渗透压力以增加闸室的稳定性。2、排水的位置：1o排水位置愈向上游移动，作用在闸底板上的渗压越小，但是渗径减小，须加长铺盖。2o排水设在底板上会导致检修困难，并长为淤沙所堵塞。3、排水形式：排水形式常采用平铺式，在消力池的后半部或前半部布置排水孔（冒水孔）。4、反滤层1o位置：在排水和地基接触处做好反滤层。2o要求反滤层的末端渗透坡降必须小于地基土在无反滤层保护时的允许坡降。3o反滤层构造：由2～3层不同粒径的砂石料（砂、砾石、卵石和碎石）组成，层面与渗流方向正交，粒径则顺着渗流方向有细到粗排列。4o反滤层层数对于粘土地基可为1～2层。5o反滤层材料可用土工织物（土工布） 授课时间2008年10月.21日第8周星期二第四大节授课地点南阶梯0001实到人数授课题目§5-4闸室的布置和构造§5-5闸室的稳定分析和地基处理授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求熟悉水闸防渗排水的主要工程结构，闸室的布置和构造。掌握水闸稳定分析的内容和地基类型和处理的基本方法。主要内容第四节闸室的布置与构造section4thelayoutandstructureofsluicechamber主要内容•一、闸室结构布置•二、底板floorslab•三、闸墩sluicepier•四、胸墙breastwall•五、工作桥servicebridge和交通桥trafficbridge•六、分缝parting和止水waterstop第五节闸室的的稳定分析和地基处理Section5thestabilityanalysisofsluicechamberandfoundationtreatment主要内容•一、对闸基的总体要求•二、荷载及荷载组合•三、荷载计算•四、稳定的计算•五、地基处理重点与难点教学重点：地基处理的设计要点，碾压混凝土的概念和材料教学难点：基础灌浆和排水教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题教学后记水工建筑物B教案 讲稿部分教学过程时间分配第四节闸室的布置与构造thelayoutandstructureofsluicechamber一、闸室结构组成：底板、闸墩、闸门、启闭机和工作桥、公路桥、胸墙等组成二、底板sluiceflourslab（一）型式1、按底板与闸墩的连接方式分:1º整体式：闸墩和底板浇筑成整体，有分段缝时缝设在闸墩上。闸室整体性较好，适用于松软地基。2º分离式：底板与闸墩用沉陷缝分开。→闸墩传力，底板仅防渗抗冲，一般适用于岩基或压缩性小的土基。2、按底板的结构型式分:1º平底板（或宽顶堰）整体式平底板用得最广泛。2º反拱底板：利用拱受压特点，较好地利用了材料的性能，但对地基不均匀沉降有温度变化较为敏感，且构造复杂，计算，施工较繁，故应用较少。目前仅跨度小于6m闸中有采用。3º空箱式底板;4º实用堰底板。（二）作用（1）闸底板作为闸室的基础，将闸室及上部结构重量传到地基上。（2）闸底板作为地下轮廓线的组成部分，降低通过地基的渗透水流的渗透坡降。反拱底板：（三）整体式闸底板的尺寸和构造1、闸底板在垂直水流方向的尺寸B由闸孔尺寸确定，岩基上不宜超过20m，在土基上不宜超过35m。否则做技术论证。2、闸底板在顺水流方向的尺寸L应满足闸室的上部结构布置要求和闸室的稳定要求。初步拟定尺寸时，砂砾石地基，L=(1.5～2.5)H；砂土和壤土地基，L=(2.0～3.5)H；对粉质壤土和壤土地基取L=(2.0～4.0)H，粘土地基：L=(2.5～4.0)H，H为上下游水头差。3、底板厚度必须满足强度和刚度的要求，大、中型水闸可取（1/6～1/8）b，b为闸孔净宽，一般为1.0～2.0m，最薄不宜小于0.6m，但小型工程也有用到0.3m，底板内布筋较多，最大含钢率不得超过0.3%。4、底板混凝土必须满足强度、抗渗、抗冲等要求，常用C15或C20。（四）分离式底板    1、材料：混凝土或浆砌石2、厚度：满足自身稳定要求，小底板的厚度应满足抗浮稳定要求：式中：k2=1.1～1.2；pa为底板上渗透压强；γ为水的容重；γh为底板材料的容重。闸墩底板的宽度，一般大于2倍的敦厚；其厚度大致与悬臂部分的长度相等。3、搭接缝的形式斜搭接缝：传力不明确；会产生相对的垂直位移，止水困难。齿形接缝：传力明确；不会产生相对的垂直位移，止水容易。4、底板分缝位置 三、闸墩sluicepier1、材料：混凝土（小型工程常用浆砌块石）2、闸顶高程：闸顶高程通常指闸室胸墙或闸门挡水线上游闸墩和闸墙的顶部高程。应根据挡水和泄水两种运用情况确定。挡水时闸顶高程不低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和；泄水时闸顶高程不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。位于防洪（挡潮）堤上的水闸，其闸顶高程不得低于防洪（挡潮）堤堤顶高程。3、长度：与底板长度相同或比底板长度稍短，取决于上部结构布置和闸门型式。4、厚度：根据闸孔孔径、受力条件、结构构造要求和施工方法等确定，平面闸门闸墩门槽处不宜小于0.4m。混凝土或少筋混凝土闸墩厚度约为0.9～1.4m，浆砌石闸墩厚度约为0.8～1.5m。5、外形：应使水流平顺、侧向收缩小，过流能力大。闸墩的平面形式应符合流线型streamline，其首尾的形式由半圆形和流线形等四、胸墙breastwall1、结构形式（1）当胸墙的跨度小于6.0m，采用实心板式或梁板式slab，可做成上薄下厚的楔形板。（2）当胸墙的跨度大于6.0m，采用梁板式beamandslab。由顶梁topbeam、横梁transversebeam和底梁mudsill组成。当胸墙高度大于5.0m，且跨度较大时，可增设中梁centresill及竖梁stile构成肋型结构ribwork。2、与闸墩的连接简支式，与闸墩连接处涂防水沥青。固接式，增加闸室的横向刚度，构造见图。3、位置：对于弧形闸门，胸墙设在闸门的上游，对于平面闸门，上下游均可。如胸墙在上游，止水放在闸门前面，结构复杂且容易磨损。但钢丝绳和螺杆不易锈蚀，对闸门运用有利，否则相反。4、计算要点计算荷载：静水压力、浪压力、漂浮物的撞击力。当Lx/Ly≥1.5按单向板计算；当Lx/Ly≤1.5按双向板计算。Lx、Ly分别为胸墙在水平方向和垂直方向的长度。5、尺寸：板式胸墙顶部厚度不小于20cm；梁板式胸墙板厚不小于15cm，顶梁梁高beamdepth约为胸墙跨度span的1/12～1/15，梁宽常取40～80cm。底梁要求大的刚度，梁高约为胸墙跨度的1/8～1/9，梁宽为60～120cm。为了过水顺畅，胸墙底缘做成圆弧形。五、工作桥servicebridge和交通桥trafficbridge1、工作桥高度:应保证平面闸门能脱槽检修.（1）对于平面闸门，如采用固定启闭设备，工作桥横梁底部高程与底板高程的差值可取闸门高度的2倍再加上1.0～1.5m的富裕高度。（2）若用活动设备，也需大于1.7倍的闸门高度。（3）对于弧形闸门及升卧式闸门还可以降低些。 2、工作桥桥宽：应满足安置启闭机、供操作人员工作，一般取3.0~4.0m.3、闸、坝上的桥梁净宽无统一规定，一般根据车辆类型、荷载及运行要求确定。一般生产桥桥面净宽2.5m，拖拉机桥3.5~4.0m，低标准公路桥桥面净宽4.5m。按公路等级确定:三级公路为净宽7.0m;四级公路为净宽4.5m；人行道为0.75m、1.0m或1.5m。4、交通桥可以采用单跨简支梁式simplysupportedbeam，也可以采用连续梁式continuousbeam。六、分缝parting和止水waterstop1、沉陷缝settlementjoint、伸缩缝contractionjoint：分缝距离:岩基不大于20m，土基不大于35m一道。2、止水waterstop类型：（1）水平止水和垂直止水。后者设在闸墩中间，边墩和翼墙之间以及上游翼墙本身，前者设在铺盖、消力池与底板和翼墙、底板与闸墩间，以及混凝土铺盖和消力池本身的温度沉陷缝内。（2）柔性交叉（止水放入沥青块体中，垂直交叉常用）和刚性交叉（即将金属止水片剪裁后焊接成整体，水平交叉常用）3、止水放置：（1）垂直止水设备一般都设在靠近上游挡水面处（临水面0.2~0.5m）止水设备上游部分的缝应该是不透水的，下游宜保持通畅，此外，止水设备应防止两个相邻构件之间因发生相对垂直位移而被撕裂。（2）水平止水布置在距上面0.2~0.3m处，在缝下面铺设2~3层油毛毡或沥青片。（3）材料：紫铜片copper、塑料止水带waterstoptie、橡皮止水带rubberWater-stop。第五节闸室的的稳定分析和地基处理thestabilityanalysisofsluicechamberandfoundationtreatment一、对闸基的总体要求1、在运用期，闸室可能发生深层滑动和浅层滑动。闸室竣工时，地基表面的压应力最大，可能产生不均匀沉陷引起的闸基倾斜和断裂。2、闸基稳定验算除了渗透稳定以外，还应该满足以下三个要求：（1）闸室平均基底压应力不大于地基容许承载力；（2）闸室基底压应力的最大值与最小值之比值不大于容许的比值；（3）闸室抗滑稳定安全系数不小于容许的安全系数。二、荷载及荷载组合1、荷载（1）基本荷载：①水闸结构及其上部填料和永久设备的自重；②相应于正常蓄水位和设计洪水位情况下水闸底板上的水重；③相应于正常蓄水位和设计洪水位情况下的静水压力；④相应于正常蓄水位和设计洪水位情况下的扬压力（即浮托力与渗透压力之和）；⑤土压力；⑥淤沙压力；⑦风压力；⑧相应于正常蓄水位和设计洪水位情况下的波浪压力；⑨冰压力；⑩土的冻胀力；11其他出现机会较多的荷载等。（2）特殊荷载：①相应于校核洪水位情况下水闸底板上的水重；②相应于校核洪水位情况下的静水压力；③相应于校核洪水位情况下的扬压力； ④相应于校核洪水位情况下的波浪压力；⑤地震荷载；⑥其他出现机会较少的荷载。三、稳定的计算（一）计算对象：对于孔数较少而未分缝的小型水闸，可取整个闸室（包括边墩）作为验算单元computingelement；对于孔数较多设有沉陷缝的水闸，则取两缝之间的闸室单元进行验算（二）闸室的稳定性及其安全指标1、闸室的稳定性是指闸室在各种荷载作用下，满足①平均基底压力不大于地基容许承载力；②不发生明显的倾斜，基底压力的最大值和最小值之比不大于规定的容许值；③不致沿地基面或深层滑动。2、在各种计算情况下，最大基底应力不大于地基容许承载力的1.2倍，地基容许承载力可根据地基土的标准贯入击数资料图查得。3、基底应力不均匀系数：闸室上、下游地基反力的比值，反映了基底反力分布的不均匀程度，越大，说明闸室两端沉陷差越大，倾斜的程度越大，经验资料表明，如果沉陷差不超过闸室底宽的2/1000，尚不致妨碍闸室的正常运行。4、沿土基面的抗滑稳定安全系数因水闸的级别而异，见下表。（三）验算闸室基底压力闸室上的力→底板→地基→基底压力→曲线分布→顺水流方向刚度很大→基底压力呈直线分布。其中：∑W为闸室计算单元上所有垂直力的合力，kN；∑M 为闸室计算单元上所有力对闸底板顺水流方向的中点的力矩之和,kN.m；B,L：分别为计算单元在垂直水流方向和顺水流方向的长度，m。（四）抗滑稳定的分析：1、砂性地基上闸室沿闸基面抗滑稳定安全系数：2、粘土地基上闸室沿闸基面抗滑稳定安全系数：式中：∑G为作用在闸室单元上总的垂直力,kN；∑H为作用在闸室单元上总的水平力,kN；f为闸室底面与土基间的摩擦系数，根据现场试验资料选取；φ0为闸基土体和底板之间的摩擦角；C0为闸基土体和底板之间的凝聚力,kN/m2；A为闸室单元的底面积，m2。（五）沉降计算1、粘土地基，施工过程一般完成稳定沉降的50~60%，需要进行沉降计算。2、沉降计算可以采用分层总和法（土力学），每层厚度不宜超过2m。3、沉降量的容许值，目前尚无统一标准，可根据具体情况研究确定。4、一般控制标准：沉降量应小于10~15cm；沉降差differentialsettlement应小于3~5cm。（六）提高闸室稳定性的措施（1）适当将闸门向闸室下游一端移动布置，或将底板向上游端适当加长，充分利用闸室水重。（2）改变闸室结构尺寸，增加自身重量。（3）加深底板上下游端的齿墙深度。更多地利用底板以下的地基土的重量。（4）改变闸下防渗排水措施，降低闸底板的扬压力。（5）增加闸室的刚度以减小不均匀沉降差，并先施工较重的建筑物，使其提前沉降。（6）进行地基处理，提高地基承载力。（7）设置钢筋混凝土拉锚铺盖作为阻滑板。利用铺盖的自重和铺盖上下游水位压差来增加铺盖的阻滑力。将铺盖作为阻滑板时，闸室的抗滑稳定安全系数为：四、地基处理：贯入击数blownumber大于5的粘土地基，贯入击数大于8的砂土地基，可不作地基处理。（贯入击数为贯入器贯入土中30cm的锤击次数）。处理的方法主要有：（一）预压加固preloadingmethod（1）概念：在修建水闸之前，先在建闸范围内的软土地基表面加荷（如堆土、堆石），对地基进行预压，沉降稳定后在除去，再正式建闸，预压堆土的高度，应使预压荷载约为1.5～2.0倍的水闸荷载，不得超过承载能力。（2）堆石施工：不能过快，以免地基发生滑动或将基土挤出地面，施工分层间歇施工，每层高1～2m，间歇10～15天，施工总时间在半年左右。 （3）对于含水率较大的粘土地基，可设置砂井来改善排水条件，加速固结过程。砂井的直径为20～30m，井距不小于3m，井深应穿过预压层。（二）换土垫层soilreplacement1、适用情况:软弱粘性土，薄层、浅表----全部挖除2、通常采用砂垫层、壤土垫层3、垫层作用：(1)垫层使应力扩散，提高地基的稳定性。(2)减小地基沉降量(3)具有良好的排水作用，有利于软土地基加速固结。4、设计内容：换砂厚度、宽度、材料、级配等。（三）桩基础pilefoundation1、当水闸上部结构重量大，不宜采用上述方法的，可参考桩基。2、从施工角度来分：预制桩precastpile、钻孔灌注桩boredpile;boreholecast-in-placeconcretepile;castin-situpilingpile3、受力特点来分：支撑桩----软土、浅层；摩擦桩frictionpile----土层很厚4、优点：大大提高地基的承载力5、缺点：底板与土层分离（四）沉井基础opencaissonfoundation1、适用条件：闸下有较厚的软土层，要求闸的基础埋置较深。不适用于闸基下有流沙、蛮石或表面倾斜较大的岩层。2、沉井是一种筒状结构物，可用浆砌石、砼或钢筋砼制成。3、沉井平面尺寸视上部结构而定，一般只要略大于上部结构的尺寸即可。4、沉井的接缝应置于闸的沉降缝之下，使上部结构能够适应下部基础的沉降。（五）振冲砂石桩vibroflotation（六）强夯法dynamicconsolidationmeth（七）爆炸法blastingmethod（八）高速旋喷法rotaryjetgroutingmethod。 授课时间2008年10月22日第8周星期三第四大节授课地点南阶梯0001实到人数授课题目§5-6闸室的结构计算§5-7两岸的连接建筑物§5-8闸门及启闭机授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求掌握闸室结构计算的方法和闸墩、底板等的应力分析方法。熟悉连接建筑物的种类和结构特点，了解闸门和启闭机的种类和工作特点。主要内容第六节闸室的结构计算一、分析方法二、闸墩结构计算三、底板结构计算四、胸墙的结构计算五、工作桥和交通桥的结构计算第七节两岸连接建筑物一、两岸连接建筑物的种类和作用二、上下游翼墙wingwall（耳墙）三、边墩abutmentpier或岸墙quaywall[ki:w]（sidewall）第八节闸门及启闭机一、闸门的组成和分类二、平面闸门的结构组成和结构布置三、弧形钢闸门四、自动翻转闸门五、启闭机重点与难点教学重点：连接建筑物的种类和挡土墙的设计。教学难点：挡土墙形式的选择和设计。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题教学后记水工建筑物B教案 讲稿部分教学过程时间分配第六节闸室的结构计算Section6structuralcalculationofsluicechamber一、分析方法1、三维（弹性力学或弹塑性力学）有限元方法：闸室是一个空间结构，受力条件复杂，可以用有限元方法计算内力。2、材料力学方法以及弹性力学方法：一般分成胸墙、闸墩、底板、工作桥及交通桥等若干部件进行计算，同时考虑它们之间的连接作用。二、闸墩结构计算（一）计算内容：（1）平面闸门闸墩应力计算；（2）平面闸门门槽；（3）弧形闸门支座的应力计算。（二）计算模型1、平面闸门的闸墩→固定于底板的悬臂梁→材料力学法；2、弧形闸门的闸墩→一边固定、三边自由的弹性矩形板→弹性力学法。（三）主要荷载及荷载组合1、主要荷载：（a）结构自重；（b）水压力：纵向（顺水流方向），横向（垂直水流方向）；（c）地震惯性力；（d）交通桥上车辆刹车制动力brakingforce。2、荷载组合（1）正常或非常挡水时期，闸门全关。→主要核算顺水流方向（纵向）的应力分布。平面闸门：闸墩底部应力，门槽处应力；弧形闸门：闸墩牛腿及整个闸墩的应力。（2）正常或非常挡水时期，一孔检修，相邻孔过水。→闸墩两侧有水头差，同时受到横向水压力和车辆刹车制动力。→主要核算垂直水流方向（横向）应力分布。（3）正常挡水时期闸门全关，遭遇强震。→主要核算垂直水流方向（横向）的应力分布。（四）平面闸门的闸墩的应力分析步骤1、计算边闸墩和中闸墩的形函数：墩底水平截面形心位置和惯性矩momentofinertia（MOI）Ix,Iy，面积矩areamomentSx,Sy2、计算墩底水平截面上的正应力与剪应力：（1）闸墩水平截面上的正应力可按材料力学的偏心受压公式计算。式中：∑W为墩底以上所有垂直力的合力,kN； ∑M为墩底以上所有力对墩底截面顺水流方向中点的力矩之和,kN.m；Ix，Iy墩底截面对截面纵向中性轴的惯性矩，m4；A:墩底截面面积，m2。x，y分别为计算点至形心轴沿x，y方向的距离。（2）计算截面上顺水流和垂直水流方向的剪应力分别为式中：Qx，Qy为墩底以上所有顺水流和垂直水流流向的剪力（水平力的合力），kN；Sx,Sy分别为计算点以外的面积对形心轴y,x的面积矩，m3；d为闸墩厚度，m；B为闸墩长度。（3）边闸墩或受力不对称的中墩水平截面上有扭矩作用。闸墩边缘位于x—x轴上点的最大扭剪力可近似为：3、平面闸门门槽的应力分析（1）平面闸门的门槽颈部受闸墩传来的力而产生拉应力，闸墩水平截面上的剪应力也承担一部分拉力。（2）对任一垂直截面位置，在任一高程取高度为1m的闸墩作为脱离体，其顶面、底面上的正应力和剪应力分布均属已知，由静力平衡条件可求出任一垂直截面上的N、M、Q，从而可以求出该垂直截面上的平均剪应力和平均正应力。（3）在门槽处截取脱离体（取上游段闸墩或下游段闸墩都可以），将其作为固结于门槽位置的悬臂梁，同理可求得门槽处垂直截面上的应力。（4）由两侧闸门传来的水压力，一部分由门槽墩颈下游部分承担，使其向下游变位；一部分通过门槽墩颈部分传给上游部分。（5）计算：脱离体上下水平截面上的剪力为Q上,Q下，剪力差应该等于两侧闸门和闸墩头部传递来的水压力P，取去门槽前的闸墩作为脱离体，由力的平衡条件可求得此1m高门槽颈部所受的拉力P1为其中A1为门槽颈部以前闸墩的水平截面积，m2；A为闸墩的水平截面积m2，从式子可以看出，门槽越靠近下游，P1越大。1m高的闸墩在门槽颈部所产生的拉应力σ为：（6）当拉应力小于混凝土的允许拉应力时，可按构造配筋，否则按实际受力情况配筋。由于门槽受力是由滚轮或滑块传来的集中力，因而还应验算混凝土的局部承压强度或配以一定数量的构造钢筋。4、弧形闸门闸墩（1）除了前面对闸墩的计算外，还应验算牛腿及其附近的应力。（2）弧形闸门的支撑铰bolsterhinge有两种布置方式，一种是在闸墩上直接布置铰座hingebearing，一种是将铰座布置在伸出于闸墩外的牛腿Corbel上。后者应用较多。 （3）方法：牛腿附近的区域发生应力集中，需要按着弹性理论来计算。三向偏光弹性试验结果表明，仅在牛腿前2倍牛腿宽，1.5-2.5倍牛腿高范围内，拉应力超过混凝土的允许拉应力，需要按需要配筋，其他部位仅需构造配筋。此结论只对中、小工程适用，大型工程需要谨慎深入研究。三、底板结构计算（一）常用方法：1、倒置梁methodofinvertedbeam；对于小型水闸，可采用倒置梁法进行计算。2、反力直线分布法reactionstraightlinedistribution；当地基为相对紧密度relativedensityDr≤0.5的砂土时，由于变形容易得到调整，可用反力直线分布法计算3、弹性地基梁法beamonelasticfoundation。当地基为粘性土或Dr>0.5的砂土时，可采用弹性地基梁法计算4、各种算法都是以垂直水流方向截取的单宽板条作为计算对象，简化为平面问题进行计算。（二）倒置梁法1、计算模型：把闸室底板看作为固支于闸墩的连续梁-把闸墩作为底板连续梁的支座。2、基本假定①地基反力在顺水流方向直线分布；②地基反力在垂直水流方向均匀分布；③相邻闸墩间无任何相对位移。3、局限：倒置梁法计算十分简便，但假定地基反力在横向为均匀分布与实际情况不符，而且支座反力与闸墩铅直荷载也不相等，故只能在小型水闸中采用。（三）反力直线分布法1、计算模型：单宽板条-把闸墩当作底板的已知荷载进行计算。2、基本假定：(a)地基反力在顺水流方向直线分布；(b)地基反力在垂直水流方向均匀分布；(c)把闸墩当作底板的已知荷载，闸墩对底板无约束，底板可以自由变形。大、中型水闸，当地基为相对紧密度Dr≤0.5的砂土时，可用反力直线分布法计算。3、计算步骤：①用偏心受压公式计算纵向（顺水流方向）地基反力subgradereaction。②取横向单宽板条，计算不平衡剪力⊿Q。*式中假定不平衡剪力⊿Q的方向向下，如其计算结果为负值，说明⊿Q的实际方向向上。③对不平衡剪力进行分配。不平衡剪力⊿Q应由闸墩和底板共同承担。④计算作用在底板上的荷载⑤计算底板内力并进行配筋。（四）弹性地基梁法1、计算模型：按平面应变的弹性地基梁，利用静力平衡条件及底板与地基的变形协调条件，计算地基反力和底板内力。2、基本假定(a)地基反力在顺水流方向直线分布；(b)地基反力在垂直水流方向呈弹性（曲线）分布，为待求未知数；(c)把闸墩当作底板的已知荷载，闸墩对底板无约束，底板可以自由变形。当地基为粘性土或Dr>0.5的砂土时，可采用弹性地基梁法计算。3、计算步骤①用偏心受压公式计算纵向（顺水流方向）地基反力。②取横向单宽板条，计算不平衡剪力⊿Q。与反力直线分布法中相同。 ③对不平衡剪力进行分配。不平衡剪力⊿Q应由闸墩和底板共同承担。与反力直线分布法中相同。④计算作用在底板(弹性基础梁)上的荷载注意：当采用弹性地基梁法时，可不计闸室底板的自重，但当作用在基底面上的均布荷载为负值时，则仍应计及底板自重的影响，计及的百分数以使作用在基底面上的均布荷载值等于0为限度确定。四、胸墙的结构计算1、荷载：主要荷载为水压力和浪压力，若承受漂浮物的冲击力时，可不计算而提高安全系数10%～15%。2、胸墙的型式：板式slab-type和梁板式slabandgirder。3、板式胸墙计算：（1）沿高度截取1m高的水平截条，作为简支梁计算其内力。（2）为了施工方便做成等厚，通过配筋来满足下部强度要求，最小厚度20cm。（3）板式胸墙适合于挡水高度及闸孔宽度较小的水闸中。4、梁板式胸墙：（1）当板的长边与短边的比值L长/L短≤2时，可按双向板two-wayslab计算；（2）如L长/L短>2时，可按单向板one-wayslab计算。（3）计算时，要注意板的支承形成介于简支和固支之间，属于半固定型式，称为弹性支承。可取两种支承计算结果的平均值，也可以利用一种方法算，然后乘以相应的系数。五、工作桥和交通桥的结构计算1、大、中型水闸的工作桥多采用钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土装配式梁板结构，由主梁mainbeam,maingirder、次梁juniorbeam;secondarybeam（横梁floorbeam,transversebeam）、面板faceplate组成。2、工作桥的荷载：自重、启闭机重、启门力以及面板上的活荷载。工作桥的构件可按结构力学方法计算内力。3、水闸闸顶的交通桥通常采用钢筋混凝土板桥slabbridge或者梁式桥，常用单跨简支的型式。4、板桥适用于跨径较小的小型水闸，梁式桥多用于跨径较大（8～10m以上）的大，中型水闸。第七节两岸连接建筑物connectionstructuresofbothsides一、两岸连接建筑物的种类和作用1、种类：（1）上、下游翼墙；（2）边墩（岸墙）；（3）防渗刺墙Seepagecontrolkeywall。2、作用：（1）挡土，保护两岸土体的稳定，免受水流的冲刷。（2）导流，使水流平顺地通过水闸。（3）防渗，阻止侧向饶渗。（4）在软弱地基上设有独立岸墙时，可以减小地基沉降对闸身应力的影响。3、造价：在水闸工程中，两岸连接建筑物的占总造价的15%～40%，闸孔越少，所占比重越大。二、上下游翼墙wingwall（耳墙）1、作用：（1）上游翼墙的功能是挡土、平顺引导水流，与铺盖共同承担防渗的作用。（2）下游翼墙的功能是挡土、引导出闸水流沿翼墙均匀扩散。2、翼墙的形式有： （1）反翼墙：水流条件和防渗效果好，工程量大。（2）扭曲面warpsurface翼墙：水流平顺，工程量小，但施工复杂。（3）斜降翼墙：工程量小，施工简单，水流条件差。（4）圆弧翼墙：这种水闸水流条件好，适用于上、下游水位差较大、单宽流量较大的大、中型水闸。（5）斜坡式翼墙：优点是扩大了过水面积，提高了泄流能力，工程量小，经济效果好，适用于各种软弱地基，特别是挡水高度大，地基承载力小的情况，宜采用此种型式。缺点是斜坡上的闸孔施工困难，同时延长了交通桥和工作桥。三、边墩或岸墙（一）布置型式：（1）边墩挡土。适用于地基坚实，高度不大（小于6m）的水闸，边墩承受迎水面的水压力，背水面的土压力和渗透压力。（2）边墩不挡土，墩后设置岸墙，岸墙为轻型结构。在地基软弱、闸身较高的情况下，采用边墩不挡土，墩后设置岸墙的结构形式，边墩只支承闸门及上部结构重量，背水面的土压力和渗透压力由岸墙承担。（3）边墩部分挡土，墩后设置垂直于边墩的防渗刺墙。用于闸室较高而地基承载力又较低的工程中。（二）岸墙（挡土墙）结构形式及适用条件1、重力式挡土墙gravityretainingwall：一般适宜于挡土高度为5m~6m的情况。（1）工作机理：主要依靠本身重量维持稳定的挡土墙。（2）材料：可用混凝土和浆砌石建成。（3）尺寸：墙身顶宽0.3~0.5m，临水面直立，背水面坡度m=0.25~0.5，为了改善基础应力，长加大接触面积，如图所示。一般需要配置钢筋。（4）构造要求：为了提高挡土墙的稳定性，设置排水设施，减小墙背面的水压力，排水孔直径为4~5cm，孔距为2~5m，孔后应设反滤层，或采用墙后暗管closeddrainage式排水。2、悬臂式挡土墙cantileverretainingwall:（1）材料：钢筋混凝土轻型结构。（2）特点：厚度小，重量轻。（3）构造：由直墙和底板两部分构成，直墙顶部厚度一般小于15cm，底部厚度由计算确定。一般为挡土高度的1/10~1/12.（4）底板：可以调整后趾长度，以改善抗滑稳定条件；调整前趾长度，会议改善基底压力分布，一般底板宽度取为挡土墙高度的0.6~0.8。前趾长度与底板的比值一般取为0.15~0.3。（5）使用范围：一般适宜于挡土高度6m~8m的情况。如果超过这一高度，采用扶壁式或空箱式挡土。3、扶壁式挡土墙counterfortretainingwall，buttressedretainingwall：（1）属于轻型结构，由直墙stalkuprightwall、底板及扶壁buttress等三部分组成。（2）材料：如果采用浆砌石结构，强高多在6.5m以内。强高大于9m~10m时，采用钢筋混凝土结构较为经济。（3）构件尺寸：扶壁间距：L=3~4.5m，扶壁厚度多位30~40cm，直墙顶厚一般为15~20cm，下部墙厚由计算确定。底板厚度为L=(1/10~1/12)h，一般不小于40cm。对于浆砌块石结构L=(1/2~1/3)h，h为强高，扶壁厚度为60~70cm，直墙顶厚为60cm，底板厚度B=(0.8~0.9)h，前趾长度为(1/3~1/5)B， （4）结构计算：直墙的结构分为两部分计算：离底板顶面1.5倍L0（L0为扶壁净距）处的高程以下按三边固支、一边自由的双向板计算，此高程以上，则以扶壁为支座按单向连续板计算。计算底板道理差不多，前趾部分与悬臂梁同，后趾计算中和直墙说法雷同。扶壁计算时，可把它和直墙作为整体计算，水平截面取计算截面为T形。4、空箱式挡土墙box-typeretainingwall：（1）构成：由顶板、底板、前墙、后墙、扶壁与隔墙等六个部分组成，即在迎水面直墙后面有一道或几道直墙，之间以隔墙相连，形成空箱型式。（2）空箱底板宽度多为高度的0.8~1.2。（3）优点：能利用空箱充水或填土来调整地基应力，因此它具有重量轻和基底压力较均匀等优点。（4）适宜于：挡土高度为6m~10m的情况。（5）结构复杂，模板和钢筋用量大，施工麻烦，造价也高。5、连拱空箱式multi-archbox-typeretainingwall（1）连拱空箱式挡土墙也是空箱式类型，它是伴随反拱底板而诞生的。（2）系由底板、前墙、隔墙及拱圈等四部分组成。（3）特点是后墙用拱圈代替，充分利用材料抗压性能。第八节闸门及启闭机gateandhoist一、闸门的组成和分类（一）分类1、按工作性质分类：（1）工作闸门operatinggate,servicegate，调节孔口流量，用于在动水中启闭的闸门。（2）事故闸门emergencygate，用于在动水中快速关闭的闸门。（3）检修闸门bulkheadgate，用于水工建筑物及设备的检修，在静水中启闭。2、按孔口位置分类：（1）露顶闸门emersedgate，溢流坝、水闸、溢洪道上的闸门一般露天布置，挡水时门顶露出上游水面，称为露顶式闸门，也称表孔crestoutlet闸门。（2）潜孔闸门submergedgate，封闭胸墙式孔口用的闸门、坝身深式泄水孔及水工隧洞中用的闸门，挡水时门顶都在水面高程以下，称为潜孔down-the-hole闸门。3、按结构形式分类（1）平面闸门plaingate，平面闸门的门叶成平板状，启闭闸门时，闸门在竖直方向升降。（2）弧形闸门radialgate,taintergate，弧形闸门的门叶成弧形状，门叶用支臂铰支于铰座，启门时闸门绕支铰转动。4、按材料分类按门叶材料可分为钢闸门steelgate、钢筋混凝土闸门reiforcedconcretegate、钢丝网水泥meshcement、木闸门及铸铁castiron闸门等。（二）闸门结构的组成（1）闸门结构由活动部位、埋固构件和悬吊设备组成。（2）活动部分就是门体结构，（3）埋固设备就是预埋在闸墩和胸墙等结构内部的固定构件（4）悬吊设备则指连接闸门和启闭设备的拉杆或牵引索。二、平面闸门的结构组成和结构布置 1、种类：平面闸门的型式有直升式和升卧式。（1）直升式闸门是闸门最常用的型式，门体结构简单，可吊出孔口检修，所需闸墩长度也短，便于使用移动式启闭机。可是启闭力较大，工作桥较高，门槽处易空蚀。（2）升卧式关闭状态直立挡水，启门时首先直立上升，然后边上升边转动（上下游均可），全开时平卧在闸墩顶部。特点是工作桥高度小，从而可以降低造价，提高抗震性能。吊点在闸门底部的上游一侧，钢丝绳容易锈蚀。2、平面闸门的结构组成为门叶结构、门槽埋固构件及启闭闸门的机械设备。其中门叶结构（活动的挡水设备）组成有面板、梁格系统、纵横向联结系、行走支承（滚轮式、滑道式）、吊耳、止水部件等。（1）面板，直接挡水，一般在闸门上游面。（2）梁格，有主梁、次梁（水平次梁、垂直次梁、顶梁、底梁、边梁）。（3）空间联结系，保证整个梁格系统在闸门空间的相对位置、使每一根梁在它所承担的外力作用的平面内，增加门叶在纵横向的刚度；一般可采用实腹板webplate、桁架truss结构。（4）行走支承，使门叶成为能上下移动的结构；将门叶所承受的水压力传递到门槽内的轨道上。其形式有：滚轮式，有主轮：将面板所承受的水压力传递到门槽内的轨道上；侧轮，反轮：防止门叶在门槽中左右倾斜、卡住或前后碰撞。滑道式，采用摩擦系数较小的材料，在门槽处设置滑道。（5）吊具cargosling：将闸门与启闭机相连的部分，有柔性钢索flexiblecable、劲性压杆。吊耳：设置在闸门上与吊具相连的部分。（6）止水部件，材料一般采用橡皮rubber，有条形橡皮，用于底止水；P形橡皮，用于侧止水；安装时预留压缩量。（7）门槽的埋固件设置在行走支承的轨道处，使止水下面有平整表面。同时可保护闸槽棱角的埋固角钢。（8）构造要求：可采用单菲门也可以采用双菲门，如因闸门高度过大以致工作桥过高时，可采用双菲门，上菲门高度一般为（0.25～0.4）倍的孔口高度。弧形闸门高度应在可能出现的最高挡水位以上至少0.3m。三、弧形钢闸门1、工作原理：挡水面为一圆弧面，支承铰位于圆心，启门时闸门绕支撑铰转动。作用在闸门上的水压力通过转动中心，这对闸门启闭不产生阻力矩，故启门力较小。2、优缺点：弧形闸门不设门槽，不影响孔口流态，同时所需闸墩厚度较小，但闸墩较长且受到侧向推力作用。3、活动部分：有弧形面板、主梁、次梁、竖向联接系（或隔板）、桁架truss、支臂arm和支铰等所组成。4、吊点位置：采用卷扬式启闭机时，闸门吊点一般布置在闸门下主梁的面板上游面，力臂大，当采用油压启闭机时，吊点设在闸门的下游面，活塞杆和油缸可分别铰接在门体和闸墩侧面，甚至可以节省掉工作桥。（5）弧形闸门的布置：可以布置成主横梁式和主纵梁式，主横梁式以水平横梁为主梁，适用于宽度比较大的弧形门。主纵梁式以支臂前面的竖向纵梁为主梁，适用于宽度比较小的闸门。四、自动翻转闸门self–collapsinggate1、自动翻转闸门的主要特点是不用启闭机，而用水力原理自行启闭，当上游水位升高到闸门顶部以上的一定高度（如0.4～0.5m ），闸门便自动翻倒，宣泄洪水。此时水压力合力在高于门铰中心处。2、上游水位降落到一定水位（一般为门高的1/2左右），闸门自动关闭。3、优缺点：（1）优点：管理方便、结构简单、施工简单、造价低，适用于河渠上的水闸，还适合于坡陡流急量大的山区河道上的水闸。（2）缺点：但不能有效的控制水位和流量，不适合节制闸和挡潮闸以及漂浮物多的河道。问题是闸门对门墩撞击力大。4、多用混凝土框架结构，闸门下部为钢筋混凝土平衡板，上部为钢筋混凝土面板或钢丝网水泥面板。五、启闭机1、启闭门力的计算：在选择启闭设备时，首先需计算闸门的启门力和闭门力，作为选择闸门的启闭设备的依据。启闭门力是指在动水中启闭闸门的启闭门力：包括启门摩擦力、止水摩擦力、行走支承摩擦力。2、启闭设备的选择：常用的启闭设备有螺杆式、卷扬式和液压式三种启闭机。（1）螺杆式启闭机screwhoist是中小型闸门比较普遍采用的启闭机，它是一种既能产生启门力，又能根据螺杆的支承情况适当地产生一些闭门力的简单可靠的启闭设备。它的工作原理是利用螺母的旋转驱使螺杆的升降，从而启闭闸门。（2）卷扬式启闭机winchhoist是利用电力设备驱动缠绕钢丝绳的卷筒（绳鼓）的转动从而放起或回收钢丝绳，便闸门提升或下降。（3）液压启闭机hydraulicpressurehoist是近来使用比较多的启闭设备，其体积较小，启闭力大，能集中操作，易于实现遥控及自动化，有很大的发展前途。 华北水利水电学院 授课时间2008年10月.24日第八周星期五第一大节授课地点1601实到人数授课题目§6-1河岸溢洪道概述§6-2正槽溢洪道§6-3侧槽溢洪道§6-4其它形式的溢洪道授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求掌握溢洪道的类型，正槽溢洪道和侧槽溢洪道的构造和设计要点，了解其他形式的溢洪道的基本工作机理。主要内容第六章河岸(岸边)溢洪道Bank-run（River-bank，banked，side）spillway第一节概述一、河岸溢洪道的型式二、正槽溢洪道三、侧槽溢洪道四、井式溢洪道：五、虹吸式溢洪道：六、河岸溢洪道的位置选择第二节正槽溢洪道第二节正槽溢洪道第四节其它形式的溢洪道重点与难点教学重点：正槽溢洪道和侧槽溢洪道的构造和设计要点教学难点：溢洪道的水力计算。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题教学后记水工建筑物B教案 讲稿部分教学过程时间分配第六章河岸(岸边)溢洪道Bank-run（River-bank，banked，side）spillway第一节概述一：溢洪道的作用：宣泄水库按运行要求不能容纳的多余来水量。二、常用的泄水建筑物种类：河床式溢洪道、河岸溢洪道。三、河岸溢洪道的型式1、开敞式溢洪道：整个流程是完全敞开的（1）正槽溢洪道normalchannelspillway（2）侧槽溢洪道sidechannelspillway2、封闭式溢洪道（3）井式shaftspillway（4）虹吸式siphonspillway。四、正槽溢洪道1、概念：其泄槽与溢流堰轴线正交，过堰水流与泄槽轴线方向一致。2、优点：正槽溢洪道适用于各种水头和流量，并且水流条件好，运用管理方便。3、利用情况：大多数以土石坝为主坝的水利枢纽都采用这种溢洪道。三、侧槽溢洪道：1、概念：其溢流堰与泄槽的轴线接近平行，过堰水流在较短距离内转弯约90º，再经泄槽泄入下游。2、适用情况：它适宜坝肩山体高，岸坡较陡的情况。四、河岸溢洪道的位置选择1、枢纽总体布置：溢洪道布置应结合枢纽布置全面考虑，避免泄洪、发电、航运及灌溉等建筑物在布置上的干扰。其布置时合理选择泄洪消能布置和型式，进水口应短而直，出水渠应与下游河道平顺连接，避免下泄水流的冲刷及淤积，2、地形、地质条件：溢洪道应布置在地形适宜、地质坚固且稳定的岸边或天然垭口的岩基上，以减少开挖量。3、开挖：并应尽量避免深挖，以免造成高边坡失稳或边坡处理困难等问题。4、施工和运行：应使开挖出渣线路和堆渣场地便于布置，并考虑利用开挖出来的土石料作为筑坝材料，以减少弃料为运行方便.5、运行：溢洪道不宜离水库管理处太远。第二节正槽溢洪道chutespillway一、组成部分：正槽溢洪道一般由进水渠段、控制段、泄槽段、消能防冲设施、出水渠五个部分组成。（一）进水渠headditch,inletchannel1、进水渠是水库与控制段之间的连接段。2、作用:进水及调整水流。当控制段邻近水库时，进水渠可用一喇叭形进水口代替。3、具体布置应从三个方面考虑：（1）平面布置：进水渠在平面上最好按直线布置，且前缘不得有阻碍进流的山头或建筑物，以便水流均匀平顺入渠。 受地形、地质条件及上游河势的影响需设置弯道时，弯道轴线的转弯半径不宜小于4倍渠底宽度。弯道与控制段之间应布置一（2-3)H直线段过渡。（2）横断面布置：进水渠一般按梯形断面，在控制段前缘过渡成矩形断面。断面尺寸:一般可先拟定流速，由流速控制断面尺寸。进水渠流速，应以大于库水悬移质的不淤流速和小于渠底不冲流速，一般不应大于4m/s。在山势陡峭、开挖量较大的情况下，也可达(5—7m/s）。进水渠一般可不衬护，当为了减小水头损失或满足抗冲要求时，也可用混凝土、浆砌石衬护。（3）纵断面布置：进水渠的纵断面应布置成平坡或不大的反坡（倾向水库）。当控制段采用实用堰时，堰前渠底高程宜比控制段堰顶高程低0.5Hs（Hs为堰面设计水头），以保持良好的入流条件和增大堰的流量系数。当控制段采用宽顶堰时，渠底高程可与堰顶齐平或略为降低。（二）控制段controlsection1、控制段又称溢流堰段，是控制溢洪道泄洪流量的关键部位。2、堰型选择：通常选宽顶堰、实用堰，有时采用驼峰堰。（1）宽顶堰broadcrestedweir1º宽顶堰的特点是：结构简单，施工方便，水流条件稳定，但流量系数较小。2º适用范围：在泄洪量不大的中小型工程应用较广，堰型布置如图3º宽顶堰的堰体材料：用混凝土或浆砌石进行衬砌，在坚实的岩基，有抗冲能力，可以不衬砌。4º对于宽顶堰，堰长L（沿水流方向）对流量影响也很大。当堰长L＞10H时（H为堰顶水头），不能按宽顶堰公式计算过堰流量。（2）实用堰practicalweir1º实用堰的优点是堰面流量系数比宽顶堰大，泄水能力强，但施工相对复杂。2º在大中型工程中，特别是在泄洪流量较大的情况下，多采用这种堰型。3º我国多采用：WES标准剖面堰和克一奥剖面堰；4º对于重要工程，其水力学参数应由水工模型试验进行验证或修正。图控制段堰形(a)—宽顶堰(b)—实用堰5º堰面参数对流量的影响（a）定型设计水头Hd的选择： 在堰顶水头不变的情况下，Hd愈小，流量系数愈大，但是，过小的Hd将对堰面产生不利影响。对于低堰（P1≤1.33Hd），堰面出现危险负压的机会比高堰少。当P1≤1.33Hd时，取Hd=(0.65～0.85)Hmax。当P1≥1.33Hd时，取Hd=(0.75～0.95)Hmax。（b）在低堰中，下游堰高P2不足时，过堰水流将不能保证自由宣泄，从而出现流量系数随着堰顶水头增加而降低的现象。因此:下游堰高P2必须保持一定的高度，一般:P2≥0.6Hd。（c）实用堰高度选择：堰高对流量系数也有较大的影响，实践证明，低实用堰的流量系数随P1/Hd的减小而减小。在确定Hd的前提下，P1愈小，则m愈小。当P1/Hd＜0.3时，m值明显降低，为了获得较大流量系数，一般要求P1应大于0.3Hd。对驼峰堰取P1=（0.24-0.34）Hd。（3）驼峰堰humpweir：驼峰堰是一种复合圆弧低堰。1º特点：是堰体较低，流量系数较大，设计与施工难度介于WES堰与宽顶堰之间。2º对地基要求相对较低，适用于软弱岩性地基。（三）泄槽dischargechute1、泄槽的水流特点：（1）高速、紊乱turbulence、掺气aeration、惯性大，对边界变化非常敏感。（2）当边墙有转折时，就会产生缓冲击波shockwave，对下游消能产生不利影响；（3）当水流的佛氏数Fr＞2时，将会产生波动和掺气现象；（4）若流速超过15m/s时，可能产生空蚀问题。2、泄槽的平面布置（1）泄槽在平面上应尽量按直线、等宽和对称布置。（2）当泄槽较长，为减少开挖，可在泄槽的前端设收缩段、末端设扩散段，但必须严格控制。（3）为了适应地形地质条件，减少工程量，泄槽轴线也可设置弯道.。（4）收缩角与扩散角contractionanddiffuseangle1º当泄槽的边墙向内收缩falloffangle时，将使槽内水流产生陡冲击波。冲击波的波高取决于边墙的偏转角θ，其值越大，波高则越大(θ<11.25)。2º当边墙向外扩散时，水流将产生缓冲击波。若扩散角θ过大，水流将产生脱离边墙的现象。因此，应严格控制其边墙的收缩角和扩散角。一般不宜大于6°-8°。当θ＜6°时，可不进行冲击波验算。对重要工程还应进行水工模型试验。设计时，边墙的收缩角和扩散角可按下式计算： 式中θ——边墙与泄洪槽中心线夹角（°）；K——经验系数，一般取3.0；Fr——扩散段或收缩段的起、止断面的平均佛氏数；h——扩散段的起、止断面的平均水深，m；v——扩散段的起、止断面平均流速（m/s）。（5）弯道curvebend设计1º泄槽在平面上必须设弯道时，弯道应设置在流速较小、水流平稳、底坡较缓，且无变化的部位。转弯时，应采用较大的转弯半径及适宜的转角。矩形断面：可取r=(4-6)B，转角θ≥20°。2º可在直线与弯道之间设缓和过渡段。缓和曲线段可采用大圆弧曲线，其轴线半径r可取2rc,长度取。3、泄槽的纵剖面布置（1）泄槽纵剖面设计主要是选择适宜的纵坡。1º因此，对于长度较短的泄槽，宜采用单一的纵坡。2º为了保证不在泄槽上产生水跃，纵坡不宜太缓，而太陡的纵坡对泄槽的底板和边墙的自身稳定不利。因此，必须大于水流临界坡。常用纵坡为1%-15%。3º当泄槽较长时，为了适应地形地质条件，减少开挖量，泄槽沿程可随地形、地质变化而变坡，但变坡次数不宜多，且以由缓变陡为好。（2）变坡处理；1º纵坡由缓变陡，应在变坡处采用与水流轨迹相似的抛物线过渡，如图所示。抛物线方程按下式确定式中H0—抛物线起始断面的比能specificenergy（m），h—抛物线起始断面水深（m）；v—抛物线起断面平均流速（m/s）；θ—变坡处前段坡角（°）；K—系数，重要工程取1.5；其余1.1～1.3。2º纵坡由陡变缓时，由于槽面体型变化和离心力的作用，流态复杂，压力分布变化大，水流紊动强烈，该处容易发生空蚀，应尽量避免。如无法避免，变坡处用R≥(8～10)H反弧段。4、泄槽的横断面（1）泄槽的横断面应尽可能按矩形布置，并进行衬砌。这种断面流态较好，特别是消能设施采用底流消能时，能保证较好的消能效果。（2）对于岩基较软弱破碎或土基上的泄槽，可按梯形断面布置，并加固边坡护面或用挡土墙护砌。边坡系数不应大于1.5（以1.1～1.5为宜），以免水流外溢。（3）泄槽的边墙或衬护高度：应按水流波动及掺气后的水深加安全超高(一般取0.5～1.5m)确定，水流波动及掺气后的水深可按下式估算 hb、h—分别为计入和不计入波动及掺气的计算断面水深（m）；v—为不计波动掺气时计算断面上的平均流速（m/s）。ζ—修正系数，一般取1.0～1.4（s/m），当v＞20m/s时宜取大值。(4)设置弯道后，弯道处由于离心力和冲击波共同作用下产生的横向水面高差按下式计算,为消除弯道冲击干扰，常将内侧渠底高程降低△Z，外侧抬高△Z。ΔZ——横向水面高差（m）；K——超高系数，其值可查表6-2；v——计算断面平均流速（m/s）；B—计算断面水面宽度在水平方向的投影（m）；rc—弯曲中心轴线对应的半径（m）。超高系数5、泄槽的构造（1）泄槽的衬砌：1º衬砌材料：一般采用混凝土衬砌，流速不大的中小型工程也可以采用水泥砂浆或细石混凝土砌石衬砌。2º平整度要求：避免槽面产生负压和空蚀；3º接缝处止水可靠，防止高速水流钻入缝内将衬砌掀动；4º排水畅通，有效降低衬砌底面的扬压力而增加衬砌的稳定性。5º衬砌厚度：工程规模，流速和地质条件决定。工程应用中主要还是采用工程类比法确定:一般取0.4～0.5m左右，不应小于0.3m。当单宽流量或流速较大时，适当加厚达0.8m。6º为了防止温变应力引起温度裂缝，重要的工程常在衬砌临水面配置适量的钢筋网，纵横布置，每方向的含钢率约为0.1%～0.2%。7º岩基上必要的情况下可布置锚筋：插入新鲜岩层，锚筋的直径25mm 以上，间距1.5～3.0m，插入岩基1.0～1.5m。8º土基:可增加衬砌厚度或增设上下游齿墙。9º衬砌的接缝:平接、搭接和键槽接等。（a）垂直于流向的横缝比纵缝要求高，宜采用搭接式，（b）岩基较坚硬且衬砌较厚时也可采用键槽缝；（c）纵缝可采用平接缝。为防止高速水流通过缝口钻入衬砌底面，将衬砌掀动，所有的伸缩缝都应布置止水，其布置要求与水闸底板基本相同。10º衬砌的排水设施：在纵、横伸缩缝下面布置，纵、横贯通。（a）岩基上的横向排水，通常在岩基开挖沟槽并回填碎石形成。沟槽尺寸一般取0.3m×0.3m，顶面盖上木板或沥青油毛毡，防止浇筑衬砌时砂浆进入而影响排水效果。（b）纵向排水:一般在沟内放置透水的混凝土管，直径10cm～20cm，视渗水多少而定。（c）施工时:纵、横排水沟应注意开挖成一定的坡度，保证横向排水汇集的渗水尽快地汇集到纵向排水管，并顺畅地排往下游。（d）土基平铺式排水：由30cm厚度的碎石层形成。（e）粘性土地基:应先铺一层厚0.2～0.5m的砂砾垫层，再铺碎石，或直接在砂砾垫层中布置透水混凝土管形成排水层。（f）对于细砂地基，则应先铺一层厚0.2～0.4m的粗砂，再做碎石排水层。（2）泄槽两侧的边墙：1º墙顶高程：可由泄槽的水面曲线高程并考虑水流波动和掺气高度及安全超高确定。2º边墙的结构:如基岩良好，可做成衬砌式，其结构与底板衬砌相同，厚度一般不小于30cm，且用钢筋与岩坡锚固。边墙本身无需设置纵缝，但多在与边墙接近的底板设置纵缝（见水闸分离式底板布置）；横缝应与底板贯通。3º较差岩基将边墙做成重力式挡土墙。4º边墙止水和排水:排水应与底板下面横向排水连通。四、消能防冲设施1、原因：单宽流量大、流速高，能量集中，易造成下游河床和岸坡冲刷，甚至会危及溢洪道的安全。2、河岸溢洪道消能设施:（1）一般采用挑流消能或底流消能，有时也可采用其他型式的消能措施。（2）挑能消能：一般适用岩石地基的高中水头枢纽，消能设施的平面形式有等宽式，扩散式和收缩式（包括窄缝式），挑流鼻坎有连续式，差动式等。采用挑流消能时，应考虑挑射水流的雾化对枢纽其他建筑物运行的影响。五、出水渠1、出水渠的作用是使溢洪道下泄的洪水顺畅地流入下游河床。2、当消能防冲设施直接与河床连接时，可不另设出水渠。3、出水渠的布置优先考虑利用天然沟谷，并采用必要的工程措施，如明挖或布置成小型跌水，使出流平顺归入原河道。第三节侧槽溢洪道section3sidechannelspillway一、侧槽溢洪道的布置 1、侧槽溢洪道适用于坝肩山头较高，岸坡较陡，不利于布置正槽溢洪道且泄流量相对较小的情况。2、其布置特点：溢流堰在侧槽的侧边，进槽水流从侧向进流，纵向泄流，溢流堰既是低堰也是侧槽的一边槽壁。3、其主要优点是溢流堰可大致沿地形等高线布置，并沿河岸向上游延伸，以减少开挖量。4、其主要缺点是进堰水流首先冲向对面的槽壁，再向上翻腾，产生旋涡，逐渐转向再泄经下游，形成一种不规则的复杂流态，与下游水面衔接难以控制，给侧槽的布置造成困难。第四节其它形式的溢洪道一、井式溢洪道1、概念：溢洪道由溢流喇叭口段、竖井段和泄洪隧洞段组成。水流进入环行溢流堰后，经竖井和泄水隧洞段流入下游。这种泄水设施的主要建筑物是泄水隧洞。2、缺点：水流条件复杂，超泄能力小，容易产生空蚀和振动。3、布置：在工程实践中，布置这种泄洪设施往往与导流隧洞相结合，施工期采用隧洞导流，竣工后废洞利用。专门布置竖井式溢洪道泄洪在我国应用较少。4、适用条件：陡岸峡谷地区的高水头水利枢纽有必要设置坝外溢洪道时,采用井式溢洪道可能是有利的选择，一般须建在坚固岩基中。5、泄流量：进入喇叭口的泄流量决定于环形堰的形式、周长和堰顶水头；合理的设计应该使环形堰进入喇叭口的流量与隧洞的泄流能力协调起来，并满足枢纽的泄量要求。6、进水为自由堰流，出水为有压管流的特点使得井式溢洪道适应的水头达100～200m。7、溢洪道的环形堰和喇叭口bellmouth（1）有两种剖面型式，一种是沿水流抛物线的实用堰剖面；（2）另一种是平缓圆锥形的宽顶堰剖面；（3）实用堰的流量系数较大，故在同样的泄流要求下其环形堰平面上直径较小，只相当于后者的75%左右；（4）但圆锥宽顶堰型的喇叭口较浅和较小，在水舌交汇处，其半径仅相当于同高程适用堰型口腔半径的39%左右，可节省开挖量。（5）两种剖面的环形堰顶都可以安设闸门。圆锥宽顶堰上可沿环周安装常见的平板门和弧形门。实用堰的堰顶周径较小，可考虑免除闸墩，设浮式环形闸门，溢流时闸门可降入堰体内的环形门室，不宜多沙河流水利枢纽。大型工程较常用圆锥宽顶堰型。8、缺点：（1）但泄量大时，会使喇叭口溢流堰顶淹没，而将完全以孔流方式运行，超泄能力大大降低；（2）泄量小时，井内的连续水流遭到破坏，流态不稳定，易发生震动和空蚀，故我国较少使用。（3）可采取井壁通风措施或在井内人工造成离心环流加大压强，来防止空蚀。二、虹吸虹吸式溢洪道:1、工作原理：利用虹吸管原理,借助大气压力泄洪的设备。2、优点：可以在较小的堰顶水头下得到较大的流量，并可自动调节库水位。2、位置：可以布置在坝上，也可以布置在河岸。3、布置： （a）虹吸式溢洪道前端有一位于正常库水位以下的进口，其顶盖称为遮檐，与遮檐共同形成虹吸管道的下部结构即为溢流堰。（b）遮檐口淹入水下的深度应使泄水时不致挟入空气和漂浮物。（c）溢流堰顶高程与正常蓄水位齐平。当水位超过堰顶时，虹吸溢洪道即先以堰流方式投入泄洪运行。当水位继续升高，封闭虹吸管上部，并由水流带走空气，形成真空，即成为虹吸式满管流。为了自动加速虹吸作用，可在管内设挑流小坎或弯曲段等辅助设备。（d）为了随时控制虹吸作用，可在虹吸管顶部设通气孔及相应的阀门，管理者可在任何一预定水位终止虹吸。4、水力计算：管流公式计算。计算时控制断面为虹吸管的出口面积；流量系数则可根据沿程及局部阻力损失算出。5、优缺点：（a）优点：不用闸门而自动形成虹吸作用，便于管理和调节库水位；（b）缺点：水力条件和结构条件都比较复杂，易产生孔穴、气蚀，进口易堵塞，管内检修不便，随水位上升的流量增加不多，即超泄能力较小。三、非常溢洪道emergencyspillway1、我国《溢洪道设计规范》（SL253-2000）规定，在具备合适的地形、地质条件时，经技术经济比较后,溢洪道可布置为正常溢洪道和非常溢洪道，必要时,正常溢洪道可分为主、副。2、作为保坝措施，它的运用任务是宣泄超过设计标准的洪量。超设计标准的洪量既包括校核洪水位与设计洪水位之间的洪量，也包括坝址出现超过校核洪水位的特大洪量。3、非常泄洪道的启用标准：一般情况下，当库水位达到设计洪水位后即应启用。由于超设计标准的洪水是稀遇的，故非常溢洪道启用机会很少，为此非常溢洪道的结构布置可以简化些。4、除了控制段和泄洪能力不能降低标准以外，其余部分都可以简化布置。如泄槽可不衬砌，消能防冲设施可不布置，以获得全面综合的经济效益。5、当非常泄洪道启用时，水库最大总下泄流量不应超过坝址相同频率的天然洪水量。6、非常溢洪道一般分为漫流式、自溃式和爆破引溃式。7、漫流式：漫流式非常溢洪道的布置与正槽溢洪道类似，堰顶高程应选用与非常溢洪道启用标准相应的水位高程。二、自溃式fuse-plugemergencyspillway：1、自溃式非常溢洪道有漫顶溢流自溃式和引冲自溃式两种型式。漫顶溢流自溃式由自溃坝（或堤）、溢流堰和泄槽组成。自溃坝布置在溢流堰顶面，坝体自溃后露出溢流堰，由溢流堰控制泄流量。引冲自溃式也是由自溃坝、溢流堰和泄槽组成，在坝顶中部或分段中部设引冲槽。当库水位超过引冲槽底部高程后，水流经引冲槽向下游泄放，并把引冲槽冲刷扩大，使坝体自溃泄洪。三、爆破引溃式：爆破引溃式非常溢洪道由溢洪道进口的副坝、溢流堰和泄槽组成。当溢洪道启用时，引爆预先埋设在副坝廊道或药室的炸药，利用爆破的能量把布置在溢洪道进口的副坝强行炸开决口，并炸松决口以外坝体，通过快速水流的冲刷，使副坝迅速溃决而泄洪。 华北水利水电学院 授课时间2008年10月.28日第九周星期一第四大节授课地点南阶梯0001实到人数授课题目§7-1水工隧洞概述§7-2水工隧洞的总体布线与选线§7-3水工隧洞的进口段授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求掌握水工隧洞的概念和类型，水工隧洞的布置要考虑的因素，了解水工隧洞进口部分的基本构造。主要内容第七章水工隧洞chapter7hydraulictunnel第一节概述一、水工隧洞与涵洞二、水工隧洞的功能三、类型四、工作特点五、采用水工隧洞的条件第二节水工隧洞的总体布置与选线一、水工隧洞的总体布置二、水工隧洞的选线和定位第三节水工地下洞室的进口段一、水工隧洞组成二、表孔泄洪隧洞的进口三、深孔水工隧洞的进口四、深孔进水口的细部构造重点与难点教学重点：水工隧洞的类型和选线，以及隧洞进口部分的构造。教学难点：水工隧洞的选线。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题教学后记水工建筑物B教案 讲稿部分教学过程时间分配第七章水工隧洞hydraulictunnel第一节概述一、水工隧洞与涵洞1、水工隧洞hydraulictunnel；在地基或在山体中开凿的一种水流通道，四周被围岩包围起来的水工建筑物。2、涵洞culvert：在地下埋设的、或填土下面的输水洞。二、水工隧洞的功能1、功能（可一洞多用）（1）可以配合溢洪道泄放洪水，也可以作为主要的泄水建筑物。（2）从水库或河流引水和输水，用于发电、灌溉、供水等。（3）排放水库泥砂，延长水库寿命，有利于水电站正常运行。（4）放空水库，以利建筑物检修。（5）用于水利水电枢纽施工期导流。三、类型1、按功能分：（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。2、按流态分：有压和无压。引水发电的遂洞一般为有压洞。泄洪、排放水库泥砂、施工导流等用途的遂洞一般为无压洞。3、按衬砌方式分不衬砌隧洞，喷锚、混凝土衬砌或钢筋混凝土衬砌等。4、按流速分：高速（>16m/s），低速(<16m/s).四、工作特点1、结构型式和承载方面：开挖前后→岩体平衡→衬砌需要足够的厚度及强度，保证围岩的稳定性。2、水力特性：高水头动水压力作用→漏水→附加渗透压力→高速水流下→不平整边界上可能会引起空蚀3、施工方面：场地狭窄，干扰大。施工进度往往影响整个工程工期。4、运用条件：在水下工作，工作可靠性差，检修困难、闸门承受的水压力较大。5、功能方面：水工遂洞的功能较多，运用灵活。五、采用水工隧洞的条件：适合修建水工建筑物的条件为：1、山岭起伏地区的引水式电站；2、过水建筑物设计高程在地面以下，采用明渠挖方大不经济时；3、修建明渠可能受到滑坡、塌方、泥石流、雪崩和冰冻威胁时；4、深山峡谷中修建当地材料坝无条件采用其他导流及泄洪建筑物时。5、水电站厂房采用地下结构时。第二节水工隧洞的总体布置与选线一、水工隧洞的总体布置1、水工隧洞的结构组成：进口段，洞身段，出口段。2、闸门的布置： 对泄水隧洞来说，一般需设两道闸门，即控制泄流的工作闸门和工作闸门检修时挡水的检修闸门。1°检修闸门一般位于隧洞进口处，且在工作闸门上游。2°工作闸门一般位于：有压隧洞：出口处；无压隧洞：进口处。3°启闭：工作闸门应能在动水中启闭；检修闸门在动水中关闭，静水中开启。3、表孔泄洪隧洞的布置（1）主要方式→正堰斜井式溢洪道。（2）组成：正向溢流堰，陡坡斜井，隧洞及出口消能段。（3）类似于河岸正槽式溢洪道，不同之处在于泄水陡槽以封闭式代替开敞式。泄洪时闸门的斜井及隧洞中多为无压流。（4）进口：选择地质、地形条件好的地方以保证洞口稳定、入流顺畅。（5）出口：高程受下游水位控制，除对地质地形条件有所要求外，应注意消能工的布置以利于与下游水流的衔接。2、深孔泄水隧洞的布置：组成：水下进水口，洞身和出口消能段。根据进水口位置的不同可将进水口分为低位进水口和“龙抬头”式进水口。二、水工隧洞的选线和定位1、选线原则（1）地质条件好;（2）线路短;（3）水流顺畅;（4）与枢纽和其他建筑物互不影响;（5）安全经济。2、地质条件（1）地质构造geologic(al)structure简单、岩体完整稳定、岩石坚硬的地区，尽量避开不利adverse(disadvantageous)的地质构造，要尽量避开地下水位高、渗水严重的地段。（2）洞线要与岩层、构造断裂面fracturesurface及主要软弱带走向有较大的交角，对胶结紧密的厚岩层走向，其夹角不宜小于30°，对薄层以及层间连接较弱，其夹角不小于45°。（3）在高地应力地区highgroundstress，洞线应与最大水平地应力方向尽量一致，以减少隧洞的侧向围岩压力。（4）隧洞应有足够的覆盖厚度，对于有压隧洞，当考虑弹性抗力时，围岩的最小覆盖厚度不小于3倍洞径。（5）在隧洞的进、出口处，围岩的厚度往往较薄，一般情况下，进、出口顶部的岩体厚度不宜小于1倍的洞径或洞宽。3、地形条件（1）隧洞的路线在平面上应尽量短而直。如需要转弯时，对于低流速的隧洞弯道曲率半径curvatureradius不应小于5倍洞径或洞宽，转弯转角不宜大于60°，弯道两端的直线段长度也不宜小于5倍的洞径或洞宽。高流速的隧洞应避免设置曲线段。（2）遂洞应有一定的埋深，有压遂洞的围岩厚度不应小于3倍的洞径或0.4倍的压力水头。（3）有压隧洞（引水）的进水口高程取决于发电死水位，尾水高程取决于下游最低尾水位。纵向坡度的选取考虑施工排水和防空隧洞进行检修的要求，一般为不小于0.5%－0.1%的正坡。（4）无压泄水隧洞non-pressuredischargetunnel的进口高程取决于水库要求泄放的最低水位，出口高程决定于下游最高洪水位，应避免洞内发生水跃。其纵坡通过水利计算确定，多采用陡坡以防止洞内泥沙淤积。 （5）对于有压洞，在任何情况下洞顶都要有压力余幅camber（不小于2m）（6）对于无压隧洞，任何情况下自由水面和洞顶之间都有足够的净空clearancespace。（7）为了便于施工期的运输和检修时排除积水，有轨运输tracktransportation的底坡一般为3‰～5‰，且不应该大于10‰，无轨运输tracklesstransport的坡度为3‰～15‰.且不应大于20‰。4、水流条件（1）隧洞的进口应力求水流顺畅，减少水头损失。（2）水流应与下游河道平顺衔接，与土石坝下游坝脚及其建筑物保持足够距离，防止出现冲刷。（3）泄水隧洞出口应与拦河坝的坝脚有一定距离，泄洪消能出口与坝脚相距200米以上，以防出洞水流冲刷坝脚。（4）发电洞尾水则应避开或隔开枢纽建筑物泄流时可能导致的水位波动。（5）如果水库所建的坝是土石坝，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。（6）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funnel范围内。5、施工条件（1）洞线应与枢纽其他建筑物保持一定距离以免洞室开挖爆破影响建筑物基岩的稳定。（2）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drift、斜井inclinedshaft、竖井verticalshaft，以增加工作面，加快施工进度。（3）每一个初步方案均应用平面图和纵剖图来表示：第三节水工地下洞室的进口段一、水工隧洞组成1、进口段inletsection：控制水流，包括拦污栅、进水喇叭口、闸室及渐变段等2、洞身段：用于输送水流，一般需要衬砌3、出口段：二、表孔泄洪隧洞的进口三、深孔水工隧洞的进口1、基本结构形式：按其布置和结构型式不同，分为：竖井式、塔式、岸塔式、斜坡式、组合式。2、竖井式进水口shaftintake（1）竖井式，在进口附近的山体中开挖建成。（2）组成：闸前渐变段，竖井，闸后渐变段。（3）优点：结构简单，节省工作桥，不受风浪和冰的影响，抗震及稳定性好。（4）缺点：竖井开挖困难，检修门前一段隧洞检修不便，需要设置检修门或叠梁门。（5）适用条件；岩石完整、稳定的岸坡，开凿竖井无塌方危险。3、塔式进水口towerintake（1）塔式，在山坡前的水库中建造封闭式混凝土塔。（2）组成：闸前渐变段，塔身，闸后渐变段。（3） 优点：为独立悬臂结构，布置紧凑，闸门检修相对来说方便，有利于分层取水；（3）缺点：另设工作桥，可能增加投资，需进行稳定验算。（4）类型：框架式塔和封闭式塔。做成封闭式塔身，可以在任何水位条件下检修，方便可靠，但造价高；做成框架式塔身，只能在低水位时检修；需要设置工作桥与岸坡连接。（5）适用条件：岸坡较平缓，边坡破碎，覆盖层厚，不宜于大开挖开凿竖井，即不宜采用在岸坡或岩体内布置建筑物的情况。4、岸塔式进水口（1）岸塔式，沿岸坡建造封闭式混凝土塔。（2）优点：1°塔身斜靠岸坡，有利于稳定，对岸坡也有一定的支撑作用；2°检修维护方便；可以分层取水；3°稳定性比塔式好，造价比塔式省，施工方便，地形、地质条件许可时优先选用。（3）缺点：若倾斜，闸门也斜，启门力增加，不易靠自重关闭闸门。（4）适用：进口处岩石坚固，可开挖成近于直立的陡壁时。5、斜坡式进水口inclinedintake（1）优点：结构简单，施工方便，稳定性好，造价最低。（2）缺点：斜坡上装闸门，关门时不易靠自重下降，需另加关门力。（3）适用：较为完整的岩坡。四、深孔进水口的细部构造1、进水喇叭口inletbellmouth（1）作用：闸门前渐变段一般就是进口喇叭口段，其作用是使水流平顺，减少水头损失，控制负压产生。（2）进口喇叭口段体型应符合流线型，多采用平底三面收缩的矩形断面孔口。（3）进口曲线：上唇(顶板)曲线upperlip为1/4椭圆，长轴α=孔口高度D，短轴α’=(1/3~1/2)a；两侧曲线为1/4椭圆，长轴α“=孔口宽度B，短轴b”=α“/4；下唇曲线可采用1/4椭圆，或1/4圆。（4）要求：①其体形与孔口水流的形态相适应，使水流平顺通过，而不致脱壁。②避免产生不利的负压合空隙破坏。③减少局部水头损失，以提高泄流能力。（5）无压隧洞的压力进口顶板，在检修闸门上游通常设一段倾斜的椭圆曲线，以便与检修闸门和工作门之间的顶板衔接，此顶板以1：4~1：6的坡度向下游缩，以增加进口段的压力，防止发生空蚀。（6）检修门槽前的入口段长度可控制在（0.8—1.0）倍工作闸门处的孔口高度范围内。检修门槽与工作闸门之间的顶板也应布置成压坡段。2、拦污栅trashrackrake（1）拦污栅intakescreen作用的是阻止较大的漂浮物进入遂洞。（2）如果漂浮物很多，远离进水口的外围就应用木排等增设防线，并引导漂浮物从开敞式排漂泄水建筑物下泻。（3）布置：引水隧洞进口拦污栅一般为平面结构，可沿山坡倾斜布置，平面倾角60º～70º左右，简化支撑结构，增加过水面积，便于清污，但塔式进水口的拦污栅需垂直或近于垂直布置。（4）结构：一般由若干块栅片安装在进水口前端支撑结构的栅槽中而成。（5）水流经过拦污栅时其水头损失与过栅流速有关。所谓过栅流速是指扣除栅条及其支承横梁、立柱等阻水物后以净过水面积计的流速。 3、通气孔airventpipe(venthole)（1）位置：①设在泄水隧洞进口或中部的工作闸门之后，②设在检修门和工作门之间。（2）通气孔的作用：①闸门各级开度下承担补气任务以降低门后负压，稳定流态、避免闸门振动和空蚀、减小闸门所受下曳力；②检修时，在检修门下放、洞内水流泄空过程中补气；③对有压隧洞，在隧洞检修完毕关闭工作闸门时，需要向检修闸门和工作闸门间充水，以减小检修闸门的启门力，这时由通气孔向孔外排气。（3）布置：对无压洞，用于向明流段充气。通气孔的位置位于检修闸门后的最高点，以保证充气或排气的可靠性。通气孔的顶部出口必须通到校核洪水位以上，孔管应力求减少转弯，突变，以减少阻力。（4）注意：进口要和闸门的启闭机室分开，以免在充气、排气时，由于风速很大，影响工作人员的安全。（5）通气量airflow：高水头大型工程的无压隧洞，其通气量可按半理论半经验公式计算，通气孔应按正常的泄流情况设计，其断面多为圆形，其大小决定于通气量和允许风速。通气量与泄水流量及下游洞内流态有关。4、平压管equilizingpipe：是从水库向两闸门间充水，使检修闸门前后的水压力相等，以减少检修闸门的启门力。平压管设置在前后两个闸门中间的闸墩或边墩内，或设在检修闸门上的一种管阀。5、渐变段transitionsection：有压隧洞检修闸门后的渐变段是由闸门井处的矩形断面变化到隧洞本身的圆形（或其他非矩形）断面的过渡段，其长度一般不应小于洞径（或洞宽）的2~3倍，以便于水流平顺连接。6、充水阀fillingvalve（1）作用：开启闸门前向引水道充水，平衡闸门前后水压，以便在静水中开启闸门，从而减小启门力。（2）尺寸：根据充水容积、下游漏水量及要求的充水时间来确定。（3）位置：坝式进口设旁通管，管的上游通至上游坝面，下游至事故闸门之后，旁通管穿过坝体廊道，并在廊道内设充水阀。设置在平板门上也可以。7、闸门及启闭设备gateandliftingdevices1.工作闸门(事故闸门)(emergencygate)作用：紧急情况下切断水流，以防事故扩大。运用要求：动水中快速(1~2min)关闭，静水中开启。布置方式：一般为平板门。一口、一门、一机(固定卷扬启闭机)，以便随时操作。2.检修闸门(bulkheadgate)：作用：设在工作闸门上游侧，检修事故闸门和及其门槽时用以堵水。运用要求：静水中启闭。布置方式：平板闸门，几个进水口共用一套检修闸门，启闭可用移动式或临时启闭设备，平时检修闸门存放在储门室内。 华北水利水电学院 授课时间2008年10月.29日第九周星期三第四大节授课地点2204实到人数授课题目§7-4水工隧洞的洞身段§7-5水工隧洞身出口段授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求掌握水工隧洞常见的断面形式和隧洞衬砌的构造，了解水工隧洞消能的基本形式。主要内容第四节水工地下洞室的洞身段一、洞身横断面形式二、洞身横断面尺寸三、洞身衬砌构造第五节水工隧洞出口段一、出口段结构二、消能方式重点与难点教学重点：水工隧洞常见的断面形式和隧洞衬砌的构造。教学难点：隧洞衬砌的构造。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题教学后记水工建筑物B教案讲稿部分 教学过程时间分配第四节水工地下洞室的洞身段一、洞身横断面形式1、无压隧洞freeflowtunnel,non-pressuretunnel断面形态及过水能力：(1)城门洞形、马蹄型horse‘shoof或圆形。(2)城门洞形断面的优点：适宜于承受垂直山岩压力，也便于开挖和衬砌。(3)城门洞形断面的缺点：拱圈受力较差。城门洞形断面的顶拱中心角多在90º～180º之间。当铅直围岩压力较小时，可采用较小的中心角，当需要加大拱端推力时，也可以减小到90°以下。(4)断面的高宽比一般为1～1.5，水深变化大时，采用较大值。当水平地应力大于铅直地应力时，可以采用小于1的高宽比。为了减小或消除作用在侧墙上的侧向围岩压力，可把直墙改为斜墙，变成马蹄形断面horseshoesection。2、内水压力很大的有压隧洞pressuretunnel多采用圆形断面，过流能力和应力状态都较其他断面有利。岩石坚硬且内水压力不大时也可以采用非圆形断面二、洞身横断面尺寸1、洞身横断面的合理尺寸：应根据流量要求、作用水头及总剖面布置情况，由水力计算得到。重要工程并常通过水工模型试验论证。2、水力计算hydrauliccomputation：包括泄流能力dischatgecapacity，水头损失headloss，压坡线（有压流），水面线（无压流）、高水头无压隧洞水力计算必须涉及高速水流（速度大于15～20m/s）引起的掺气、空蚀及冲击波等问题。3、圆形有压隧洞：①圆形断面的优点：流态好，受力条件好，过水能力强。有压隧洞过流能力按管流计算Q=μw(2gH)1/2洞身过水面积：w=Q/μ(2gH)1/2这里：w—洞身过水面积，Q—最大设计流量，μ—兼计沿程与局部阻力的流量系数，H—计算断面的作用水头。②洞内的，压坡线可根据能量方程分段推求，如前所述，洞顶应有2m左右的压力余幅。对于高流速的有压泄水洞，压力余幅可高达10m左右。减小出口断面以增大压力是避免出口附近负压和空蚀的有效措施，一般出口断面的面积是洞身面积的80%～90%。③有压引水隧洞洞内水流流速低，以减小水头损失，保证发电所需的能量，通常选一个合理的经济流速值，用其除引水流量可得洞身断面积，经济流速值一般为3～4m/s；④引水洞除了要计算压力坡线外，还要计算非恒定流，特别是水轮机丢负荷、导叶骤闭的瞬变流条件下的水锤压力的变幅。⑤有压泄洪隧洞洞内水流流速高，以便让洪水尽快下泄。4、无压隧洞①泄洪能力决定于进口压力段，仍可按式Q=μw(2gH)1/2计算，但其中的μ由进口段的局部水头损失而定，当有压段长度在10倍洞高以内时，约为0.9左右，而w为闸门处的孔口面积。②可用能量方程分段法求其水面线，为保证明流无压流态，水面线以上需要有足够的净空余幅。流速较低、通气良好时的净空应不小于洞身断面积的15%，也不小于40cm ，对于流速较高的无压隧洞，还应考虑掺气和冲击波的影响，掺气水面以上的净空约为洞身断面积的15%～25%。对于城门洞形断面，冲击波波峰应限制在直墙范围内。5、基本要求：在确定洞身断面时，还应考虑到洞内施工和检查维修等方面的需要。一般非圆形断面长×高不小于1.5m×1.8m，圆断面内径不小于1.8m。三、洞身衬砌构造1、概念：沿开挖洞壁做成的人工护壁。2、衬砌的作用：（1）阻止围岩变形发展，保证其稳定；（2）加固围岩承受围岩压力、内水压力和其他荷载；（3）防止渗漏；（4）保护岩石免受水流、空气、温度、干湿变化等侵蚀破坏；（5）平整围岩，减小表面糙率。3、型式（1）按设置目的：分为抹平衬砌和受力衬砌两类。（2）抹平衬砌：用砼、喷浆及浆砌石做成的护面，平整围岩表面，不承受作用力，只减少衬砌表面糙率。适用于岩石好水头低的隧洞。（3）受力衬砌：单层，组合，预应力，喷锚等。1º单层monolayer：由混凝土、钢筋混凝土或浆砌石做成，承受作用力，减少衬砌表面糙率，适用于中等地质条件、断面较大，水头较高的情况，应用较广，一般衬砌（单层）厚度为1/8～1/12洞径且不小于25cm。2º组合式compositetype：不同材料组成的双层、多层衬砌。较常见的如内层为钢板、钢筋网喷水泥浆，外层为混凝土、钢筋混凝土；顶拱为混凝土，边墙为浆砌石；顶拱为喷锚支护，边墙及底板为混凝土及钢筋混凝土。3º预应力prestressedlining：²在施工中预施环向压应力，运行时衬砌可承受由巨大内水压力引起的环向拉应力。适用于高水头圆洞。预加应力的方法以压浆法Prepaktmethod最为简便。²内圈为混凝土、钢筋混凝土块；外圈为混凝土整修层，用以平整岩石表面；内外圈之间留有3～5cm的空隙，以便灌浆预加应力。²灌浆浆液采用膨胀水泥，以防干缩时压力下降，压浆式预应力衬砌要求岩石坚硬完整，必要时需预先灌浆加固。4º喷锚支护combinedboltingandshotcrete：由锚杆与喷射混凝土形成的复合体加固围岩的技术。新奥法NewAustrianTunnelingMethod,(NATM)的表现形式。全称“奥地利隧道新施工法”。奥地利人L.v.Rabcewicz根据本国多年隧道施工经验总结出的一种施工法。特点是采用光面爆破；以锚喷作一次支护，必要时加钢拱支架；根据围岩地压及变形实测数据，再合理进行二次支护；对软岩强调封底。4、衬砌的分缝和止水（1）分缝原因：混凝土或钢筋混凝土衬砌在施工和运用期.①由于混凝土的干缩和温度应力可能产生裂缝②当隧洞穿过地质条件变化显著地区（通过断层、破碎带及其它软弱地带）可能由于不均匀沉降而产生裂缝。③施工只能是分块分段浇筑。（2）永久横向伸缩缝contractionjoint：沉陷变形伸缩缝和温度变形伸缩缝（图）。一般每隔6～12m。沿断面环向工作缝进行分块。 （3）对于一般的无压隧洞，其衬砌的纵向分布筋可以不通过分段的横向工作缝，新老混凝土的连接也无需特殊处理。其他则视具体情况而定。（4）无论有压和无压隧洞，沿环向分块的纵向工作缝均需进行凿毛处理，安装止水片，并设置键槽和插筋。5、灌浆、防渗和排水（1）灌浆：回填灌浆backfillgrouting和固结灌浆consolidationgroutingØ回填灌浆：填充衬砌与围岩之间的空隙，使之紧密结合以改善传力条件，减小渗漏。Ø一般施工中在衬砌顶拱部分时预留灌浆孔。Ø范围：顶拱90º～120º之间，孔矩和排矩2～6米，灌浆压力groutingpressure一般为0.2～0.5MPa。Ø固结灌浆：为了加固围岩，提高围岩的强度和整体性，减小山岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小地下水对衬砌的压力和减少渗漏而做。由于其一般在衬砌后进行，故还可起预压作用。Ø孔深：一倍隧洞半径，梅花形，间距2～4米。Ø灌浆压力：1.5～2.0倍内水压力，一般0.3～1.0MPa。一般深入围岩2~5m，对于围岩条件差的地段或直径较大的隧洞达6~10m。Ø排距：2~4m，每排不宜少于6孔，作对称布置。Ø灌浆时应加强观测，防止洞壁产生变形或破坏。Ø当地质条件良好，围岩的单位吸水率<0.01l/min.m，可不进行灌浆。Ø回填灌浆孔、固节灌浆孔通常分排间隔排列。（2）防渗与排水Ø当地下水位较高时外水压力将会成为主要荷载，因此防渗排水设施不可缺少。Ø对无压洞：当外水压力较大时，设置（径向、纵向）排水，径向：在洞内水面线上通过衬砌设置排水孔，排水孔距、排距一般为2~4m，深入岩体2~4m，将地下水引入洞内。在洞内水面下也设置排水孔,因为隧洞放空后，底板及侧墙难以满足抗浮稳定。纵向：排水设在衬砌底部。Ø对有压洞：外水压力一般不控制衬砌设计，加强固节灌浆,必须时在底部的衬砌下面设纵向排水。在洞底部设置纵向排水管和横向排水沟，间距6～8米。第五节水工隧洞出口段一、出口段结构：隧洞的出口建筑物主要包括：渐变段、闸室段和消能设施。1、一般有压隧洞在出口处设闸室段，用以布置闸门及启闭设备（如图），门前设渐变段，出口之后为消能设施；2、无压隧洞的出口处往往不设工作闸门而仅设门框doorframe，以防洞脸aditofgrotto及其上部岩石崩坍，洞身直接与消能设施相连接（如图）。二、消能1、原因；由于隧洞的出口宽度小，单宽流量大，能量集中，故常在出口设置扩散段，以减小单宽流量。2、常用方法：挑流（挑流喷射扩散消能；底流;洞内突扩消能;窄缝式挑坎Slit-TypeBucket消能。 华北水利水电学院 授课时间2008年10月31日第九周星期五第一大节授课地点1601实到人数授课题目§7-6水工隧洞衬砌的荷载与受力分析§7-7水工隧洞衬砌的结构计算§7-8无衬砌隧洞和喷锚支护授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求掌握水工隧洞的主要荷载和特点，熟悉水工隧洞结构计算的方法种类，了解水工隧洞喷锚衬砌。主要内容第六节水工隧洞衬砌的荷载和受力分析一、水工隧洞的荷载组合二、衬砌上的荷载计算三、喷锚支护设计第八节无衬砌隧洞和喷锚支护non-liningtunnelandshotcrete-boltsupport一、无衬砌隧洞non-liningtunnel二、喷锚支护重点与难点教学重点：水工隧洞的主要荷载和特点、水工隧洞喷锚衬砌。教学难点：围岩的弹性抗力和山岩压力。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题教学后记水工建筑物B教案讲稿部分 教学过程时间分配第六节水工隧洞衬砌的荷载和受力分析一、水工隧洞的荷载及组合：（作用在衬砌上的）1、荷载种类：分为基本荷载与特殊荷载（1）基本荷载包括：①垂直、侧向的围岩压力；②衬砌自重；③设计水位下的内水压力；④稳定渗流情况下的外水压力；⑤衬砌向围岩产生变位时，围岩对衬砌产生的弹性抗力或地基反力。（2）特殊荷载包括：特殊荷载包括地震作用、校核水位时的内水压力（包括动水压力）和相应的地下水压力、施工荷载、灌浆压力以及温度作用等。2、荷载组合：（1）正常运用情况：围岩压力+衬砌自重+设计洪水时的内、外水压力；（2）施工、检修情况：围岩压力+衬砌自重+可能最大的外水压力；（3）非常运用情况：围岩压力+衬砌自重+校核洪水时的内、外水压力。（4）正常运用情况、非常运用情况可能还有一些组合，如温度、灌浆、地震、弹性抗力等是否考虑，视具体情况而定正常运用情况为基本组合，其余为特殊组合二、衬砌上的荷载计算１、围岩压力surroundingrockpressure：（1）概念：隧洞开凿后由于围岩变形(或塌落)而作用在衬砌上的压力，是一种主动力，包括垂直围岩压力；侧向围岩压力；底部上挤力。（2）围岩压力对衬砌表现为主动压力。（3）围岩压力一般可分为变形围岩压力surroundingrockpressure和松动loosening围岩压力。围岩由开挖、卸载，引起围岩初应力重分布而产生的变形压力称为变形围岩压力。围岩中的节理、断层产生的松动、滑移，从而对衬砌产生的压力称为松动围岩压力。（4）影响围岩压力的因素：围岩的地质条件和力学特征；初始应力；地下水；隧洞的走向，埋深和几何形状；开挖方法；衬护时间，衬护形式。（5）围岩压力的计算方法：①塌落拱法roofcollapsearchmethod(松散介质理论)：普罗托基雅可诺夫②围岩压力系数法：《水工隧洞设计暂行规范》1966③弹塑性理论法（6）普氏法（塌落拱法）普罗托基亚科诺夫-松散介质理论1°假定：此方法视岩体为具有一定凝聚力的松散介质，在洞室开挖后，由于岩体失去平衡形成一个抛物线形“塌落拱”，拱外岩石自行平衡，拱内岩石的重量就是作用再衬砌上的荷载——山岩压力。2°铅直围岩压力的强度q：平顶：圆顶： 其中，h为塌落高度，B为洞室宽度，rR为岩石容重，fk为岩石的坚固系数；沙砾类0.5，粘土1.0，坚固岩石10.0。（7）围岩系数法计算围岩压力我国《水工隧洞设计暂行规范》在实践经验基础上，建议采用的方法铅直和水平围岩压力的强度：铅直围岩压力：；水平围岩压力：其中，Sx和Sy为别为水平围岩系数和铅直围岩系数，H为洞室高度。围岩系数，围岩越坚硬、越完整，围岩系数就越小（8）弹性理论法计算围岩压力圆洞采用修正的芬诺公式(R－塑性区半径,r0－洞径,p0－地应力,pi－围岩压力)支护或衬砌对围岩的反力，即围岩压力pi越小，R越大，塑性区就越大R=r0时，pi最大c=0，pi>，说明破碎岩体需支护c较大时，pi可能<0，说明隧洞不需支护能自行稳定。（9）围岩压力计算方法的选择1°不考虑围岩压力：地质好，开挖不大，能自行稳定的岩体；2°块体平衡法估计：具明显结构断裂或裂隙切割的岩体；3°塌落拱法：松软破碎的岩体；4°现场实测：重要而围岩条件复杂的岩体。2、围岩的弹性抗力（1）围岩弹性抗力的概念1°当衬砌承受荷载向围岩方向变形时，将受到围岩的抵抗，这个被动的抵抗力叫围岩的弹性抗力。2°弹性抗力的存在说明衬砌与围岩可共同工作，从而可减小由荷载特别是内水压力所产生的衬砌内力，对衬砌是有利的。3°弹性抗力的大小和性质与工程地质条件有密切的关系：坚固完整的岩石，弹性抗力大；围岩软弱、破碎等，弹性抗力小，甚至不能利用。4°为了减少山岩压力，有效地利用弹性抗力，常对围岩进行灌浆加固，并填实衬砌与围岩间的空隙，以保证衬砌与围岩紧密相接。（2）围岩的弹性抗力p：p=Ky(K－弹性抗力系数，y－衬砌外法向位移)K=100K0/re(K0－1m半径单位弹性抗力系数，re－洞径)，方向：衬砌表面法向3、内水压力及外水压力(1)无压隧洞：只要算出洞内的水面曲线，即可确定内水压力。(2)有压隧洞： 1°内水压力是有压隧洞中的重要荷载，常对衬砌的计算起控制作用。2°为了使计算简单，将有压隧洞中的内水压力分解为两部分：均匀内水压力+非均匀无水头满水压力。3°均匀内水压力的强度是：洞顶内壁到设计水位线之间水头引起的。4°无水头满水头压力是指洞内刚刚充满水的情况：洞顶压力为0，洞底压力为5°有压引水发电隧洞：内水压力=全水头+水击引起的压力增值。（3）外水压力（地下水压力）1°外水压力是地下水头引起的，规范规定：外水压力是作用在衬砌外表的边界力。2°外水压力：对无压隧洞经常引起控制作用，对内水压力有抵消的作用；3°围岩与衬砌组成一个紧密结合的整体，两者又都是不同程度的透水材料，因此内外水是连通的，不能截然的分为内、外水压力，即不应将外水压力视为一种边界力，而应视为在一定边界条件下，隧洞在地下水位以下的空间渗透力，通过渗流场计算，可以求得作用在衬砌外表面得水压力。4°如果是钢板衬砌，外水压力才是边界力。4、衬砌自重衬砌自重是指沿隧洞轴线1m长的衬砌的自重，均匀作用于衬砌厚度的平均线上，计算的厚度应考虑平均超挖回填部分，其平均厚度可取0.1～0.3m。单位面积上的自重强度g为：式中：—衬砌材料的容重（KN/m3），h—包括超挖在内的衬砌厚度。5、灌浆压力（1）回填灌浆1°产生原因：衬砌在施工时，其顶部与围岩之间难于填满而留有空隙，需要进行回填灌浆。2°荷载性质：主要是存在于施工完建时期的荷载，完建以后，即逐渐减少（因水流的凝固，灌浆压力即逐渐消失）属施工情况的临时荷载，常不考虑。3°分布规律：与地质条件、施工方法关系很大。通常认为：分布载顶部中心角90º-120º以内。沿衬砌背部均匀分布，并与背部正交（径向分布）。4°施工灌浆压力值：一般为2—3kg/cm2。（2）固结灌浆n均匀分布于整个隧洞断面周围，相当于外水压力，需要考虑。固结灌浆压力0.3～1.0MPa。6、温度压力1°产生的原因：衬砌之外的围岩阻碍衬砌自由胀缩，所以在衬砌内部产生温度应力。2°施工期：混凝土的水化热和干缩。3°运用期：水温的变化，气温的变化对洞的影响小。4°升温时产生压应力,降温时产生拉应力。混凝土耐压不耐拉,故温降为控制情况,隧洞衬砌混凝土能承受的降温度只有7～10℃,超过则产生裂缝。5°减小温度应力的工程设施：n施工期：选择适宜的水泥（低热），控制水灰比，加强养护，缩短浇筑的长度（洞线轴向），配置适量的温度钢筋。n非寒冷地区，影响较小，一般不考虑。 7、地震力（1）规律：地震力对埋置在地下建筑物的影响远小于对地面建筑物的影响。埋置较深的比埋置较浅的要小。（2）何时考虑：隧洞埋在地下深处，与围岩紧密结合的衬砌，地震对其影响很小，洞身设计时一般不予考虑。但当隧洞通过设计烈度高于8度，特别是地基较弱，围岩破碎和节理发育地区，则应进行抗震计算。对隧洞进出口建筑物，应按规定进行抗震设计。第七节水工隧洞衬砌的结构计算一、目的n核算在设计规定的荷载组合下衬砌强度能否满足设计要求。n设计之前可以按1/8～1/12的洞径或用工程类比法初拟衬砌厚度，经过计算修正。二、方法n1、隔离方法：n（1）就是将衬砌和围岩分开，衬砌上承受各项有关荷载，考虑围堰的抗力作用，假定抗力分布后按超静定结构计算衬砌内力；n（2）近年来普遍采用衬砌常微分方程边值问题数值解法，其计算程序可用于计算多种洞形，抗力分布不做假定而是在计算中经迭代求出，较为合理。n2、整体方法：主要是有限元方法FEM。n1、有限元法可以模拟复杂的围岩地质构造、衬砌和岩体的非线性特性。n2、在有限元方法中，对衬砌有3中考虑：n（1）将衬砌和连同计算范围内的围岩分成若干层实体单元，衬砌本身由于厚度较薄，一般可分为2-3层，分层多少影响计算成果及工作量。n（2）对较薄的喷锚衬砌的应力计算多采用杆件单元模拟衬砌，但不能给出弯矩和剪力值；n（3）有人建议用梁单元模拟衬砌，可以给出衬砌的弯矩和剪力值。n有限元方法是一种精确且适用范围广的数值方法，但由于地址构造复杂，一些力学模型不容易反应实际情况、围岩的地质力学参数和初始应力也不容易确定等原因，必将影响到计算结果的可靠性，同时计算工作量也很大。三、方法选择：SL279-2002《水工隧洞设计规范》规定；将围岩作为承载结构的隧洞，可以采用有限元进行围岩和衬砌的分析计算。计算时应根据围岩特性选取适宜的力学模型，并应模拟围岩中的主要构造；以内水压力为主要荷载，围岩为1、2类的圆形有压隧洞，可以采用弹性力学解析方法计算；对4、5类围岩中的洞身段和无压洞可以采用结构力学方法计算。u第八节无衬砌隧洞和喷锚支护non-liningtunnelandshotcrete-boltsupport一、无衬砌隧洞non-liningtunnel1、使用范围：从围岩分类上属于完整、坚硬、渗透性小的岩体，且洞内水流不致冲刷破坏岩石，渗水不影响相邻建筑物、围岩和山坡稳定时才可以不衬砌。2、优先选择：导流隧洞优先考虑使用。3、经济合理性：和施工技术有关，平整度好，省去衬砌经济性明显，否则糙率过大，过流能力不够，需要扩大断面。4、经验数据：一般来说不平整度控制在15cm内，这样糙率可在n=0.028-0.030.二、喷锚支护shotcreteandrockboltsupport 1、定义：喷锚支护是喷混凝土、设置锚杆式联合使用喷混凝土与锚杆支护的总称。有时还加钢筋网。（根据工程情况、地质条件选用）2、优点：节省三材，降低造价，减轻劳动强度，缩短工期，与常用衬砌比较：支护快、顶部紧帖、柔性大、糙率大。3、在水利水电工程中的应用；（1）施工期临时支护及导流隧洞等临时工程（2）永久性：①无压隧洞的顶部部分；②有压隧洞的低水头、低流速。4、类型：①喷锚支护non-liningtunnel：喷锚支护与围岩共同工作，改善支护工作条件，也加固了围岩。喷了混凝土，隔绝围岩与大气的接触，堵塞渗水通道，给围岩的自身稳定性创造了有利的条件。②锚杆支护boltsupporting（节理发育的围岩常采用）：利用锚杆将松动岩体或较软弱岩体联结在稳定的岩体上。③喷混凝土+锚杆支护：用于强度不高或完整性很差的岩层。④喷混凝土+锚杆+钢筋网支护supportstructurewithsteelbarmesh,boltandshotcrete：对于软弱的不良地质岩层的喷锚支护中，一般加设钢筋网以承受拉应力，提高喷混凝土层的强度，并减少温度裂缝。5、喷锚支护的工作原理及计算方法（1）原理：岩体中开挖洞室后，破坏了原有岩层的平衡状态，洞室附近应力分配，并有、向临空面freeface产生位移。当围岩应力不超过弹性极限时岩体是稳定的；当围岩应力超过此极限强度时，这个区域内的岩体将呈塑性状态，形成塑性区（或松弛区relaxationzone）。由于塑性影响，在洞壁处应力减小而在深处应力增大，并认为在该塑性区内形成一个承重圈，有一定承受周围岩石的能力（即自承作用），如能及时进行支护，给岩体以反力，阻止其变形的发展，防止坍塌，保持围岩稳定。（2）要求：喷锚支护与围岩紧密贴接既有一定刚度，又有一定柔性'