水工建筑物总结

'第1章绪论1、按功用水工建筑物分类(1)挡水建筑物：用以拦截河流，形成水库或雍高水位。如坝、闸、堤等(2)泄水建筑物：用以宣泄水库（或渠道）在洪水期间或其他情况下的多余水量，以保证坝（或渠）的安全。如溢流坝、河岸溢洪道、泄洪隧洞和泄水涵洞等(3)引水建筑物：（引水建筑物包括取水建筑物和输水建筑物）用以从水库（或河道）向库外（或下游）引水，以满足灌溉、发电、供水等要求。如引水隧洞、引水涵管、渠道等(4)整治建筑物：用以改善河流的水流条件，调整水流对河床及河岸的作用，防止水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡的冲刷。如丁坝、顺坝、导流堤、护岸、护底等。(5)专门建筑物：用以改善河流的水流条件，调整水流对河床及河岸的作用，防止水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡的冲刷。如丁坝、顺坝、导流堤、护岸、护底等。水利枢纽“三大件”：挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物2、我国现行规范规定，水利枢纽工程如何分等?水利部《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》规定，水利水电枢纽工程按其规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等。山区、丘陵区部分划分依据为1）总库容：校核洪水位以下库容2）防洪：保护城镇及工矿区，保护农田面积3）灌溉面积（设计）4）水电站装机平原、滨海地区划分依据为1）总库容：校核洪水位以下库容2）防洪：保护城镇及工矿区，保护农田面积3）灌溉面积（设计）4）水电站装机5）供水——城镇、工矿区6）排涝面积3、建筑物如何分级？答：根据工程等别、建筑物在枢纽中的重要性（永久、临时），确定水工建筑物的级别。在特殊情况下，可适当提高建筑物级别1-2级。1）永久性建筑物—枢纽工程运行期间使用的建筑物主要建筑物—失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益，如：坝、泄洪建筑物、输水建筑物、电站厂房等次要建筑物—失事后对下游没有灾害或对工程效益影响不大，如：导流墙、工作桥、护岸等2）临时性建筑物—枢纽施工期间使用的建筑物，如：导流建筑物 第2章重力坝1、重力坝的工作原理重力坝－－依靠自重维持稳定。工作原理概括为稳定和强度两点要求。（1）稳定:依靠坝体自重在坝基面上产生摩擦阻力来抵抗水平水压力以达到稳定要求。（2）强度（应力）:利用坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力，以满足强度要求。2、重力坝工作特点(1)断面尺寸大，抗冲能力强，抵抗渗漏、漫顶破坏的能力强，在各种坝型中失事率最低;(2)对地形地质条件适应性强;(3)泄流和施工导流问题容易解决;(4)结构作用明确，便于机械化施工;(5)材料强度不能充分利用;(6)底部扬压力大，对稳定和应力不利;(7)体积大，水化热不易散发，温控要求高;3、类型按结构分1）实体重力坝（solidgravitydam)优点：设计施工方便，结构简单，应力分布明确。缺点：内部应力小，材料浪费，坝基扬压力大。2）宽缝重力坝（slottedgravitydam）优点：扬压力小，工程量小，便于坝内检查。缺点：施工复杂，模板用量大。3）空腹重力坝（lacedgravitydam）优点：进一步降低扬压力，内部可设厂房。缺点：施工复杂，腹孔附近存在一定的拉应力区，需配钢筋。4）预应力重力坝、装配式重力坝4、重力坝的组成由溢流坝段、非溢流坝段和两者之间的连接边墩、导墙以及坝顶建筑物等组成5、重力坝的设计内容：①总体布置:坝轴线、组成建筑物的位置②剖面设计③稳定分析④应力分析⑤构造设计⑥地基处理⑦溢流坝或泄水孔设计⑧监测设计⑨施工方法⑩施工组织设计扬压力是作用在坝基面和坝体内部的一种重要荷载。坝基扬压力包括两部分： ①下游水深引起的浮托力；②由水头差引起的渗透压力。渗透压力从上游向下游逐渐消减，扬压力对坝体稳定和应力不利。减小扬压力的措施①设帷幕②设排水6、稳定分析目的：验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。失稳破坏的可能类型（模式）1、滑动：坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动，包括沿坝基面滑动和深层地质结构面或软弱面的滑动。2、倾倒滑移：荷载作用下，上游坝踵区受拉裂开，下游坝址区压碎倾倒滑移。分析方法旧规范：安全系数法即抗滑稳定安全系数（safetyfactoragainstsliding）等于抗滑力与所受的滑动力之比。新规范：承载能力极限状态法计算。7、提高抗滑稳定性的工程措施（1）将近水面做成倾斜或折坡形，利用水重来增加坝体的抗滑定，但坡控制在1：0.1~1:0.2）否则上游面出现拉应力；适用于f较小的情况。（2）将坝基础面开挖成倾向上游的斜面，将岸坡开挖成若干高差不大的平台，增加侧向抗滑力。（3）利用地形地质特点，在坝踵和坝趾设置齿墙。（4）防渗排水或抽水措施，降低扬压力。（5）预加应力提高抗滑稳定性。8、材料力学法——假定坝体水平截面上的垂直正应力呈直线分布，可按材料力学的偏心受压公式计算。结果在坝体上部2/3~3/4坝高范围内较准确，靠近坝基部分不能反映地基对坝体应力的影响，复杂部位也不能反映应力状态。假定：(1)坝体混凝土为均质、连续、各向同性弹性材料。(2)坝段为固接于地基上的悬臂梁。(3)坝体水平截面上的正应力按直线分布。9、坝基变形和不均匀性对坝体应力分布影响？（一）地基变形对坝体应力的影响1)坝基变形对坝体应力分布的影响只限于坝体下部(坝底至底面以上1/3~1/4坝高，有限元与材料力学结果差别大)而坝体中、上部分基本上符合直线变化规律。2)坝体下部应力分布与坝体材料弹性模量Ec和地基弹性模量Er的比值有关。3)Ec/Er=(1~2)范围，对应力分布有利。空库时，Ec/Er坝踵处应力集中越明显满库时，Ec/Er很小，即地基坚硬，坝踵坝趾处均为拉应力 Ec/Er≈1时，下游坝趾应力集中趋势Ec/Er→∞时，坝趾坝踵处均有应力集中（二）地基不均匀性对坝体应力的影响1)坝踵附近地基的刚度较大时，上游坝踵有可能产生拉应力；2)坝踵附近地基的刚度较小，靠近坝趾附近的地基刚度较大时，上游坝踵的应力状态较均匀地基有所改善，增加了压应力，而下游坝趾的压应力有所减小。因而，下游坝体布置在较坚硬的岩基上，这样可避免或降低坝踵处的拉应力。施工纵缝对坝体应力的影响10、设置纵缝对自重应力分布有影响。1）当n=0时，不考虑纵缝与考虑纵缝的自重应力基本相同。2）n>0，上游坝面为正坡，考虑纵缝时上游坝踵的自重应力减小了，与水压力引起应力叠加的结果，坝踵处的应力状况明显恶化，可能发生拉应力。故上游坝坡不宜过缓。3）n<0，即上游坝面形成倒坡，考虑纵缝影响时，自重应力增大，与水压力引起应力叠加的结果，对坝踵处的应力有利。但倒坡过大，施工期坝趾容易产生过大拉应力。11、坝身设有溢流面、底孔、中孔的重力坝称为泄水重力坝。它既是泄水建筑物，又是挡水建筑物。泄水重力坝的泄水方式：1、坝顶溢流式①闸门承受水头较小，孔口尺寸可以较大；②下泄流量大；③闸门启闭方便，易于检查修理；④可以排冰及其他漂浮物，但不能预泄2、大孔口溢流式布置在坝顶带胸墙的泄水建筑物①可满足预泄要求；②利用胸墙挡水减小闸门高度；③低水位时胸墙不影响泄流，和堰顶泄流相同；④胸墙可以做成活动式的，当遇特大洪水时，可将胸墙吊起来；⑤库水位较低时，不能供水和放空检修3、深式泄水孔按孔内流态可分为有压泄水孔和无压泄水孔①流量与水头的二分之一次方成比例，超泄能力小；②闸门承受水头高，操作、检修都比较复杂；③可向下游供水、预泄、放空、排沙和施工导流；溢流面曲线溢流坝面由顶部曲线段，中间直线段和下部反弧段组成。根据在设计水头下堰面是否允许出现真空（负压），分为真空剖面和非真空剖面堰两种类型。对于坝顶溢流式孔口工程，常采用的非真空剖面堰为克一奥曲线和幂曲线（WES曲线）两种。流量系数大，剖面较小，便于施工放样 混凝土坝坝下消能方式及其特点和适用场合。底流消能条件：护坦厚度应满足稳定要求，在扬压力和脉动压力作用下不浮起。优点：下游流态平稳，消能运行可靠。缺点：土石方开挖量大，混凝土浇筑用。适用：各种水头的溢流坝和水闸以及各种河床的地质情况，特别适用地质条件差，河床抗冲能力差的情况。面流消能条件：下游尾水较深，水位变幅小。缺点：下游面波动强烈，影响电站稳定运行和通航，易冲刷两岸。适用：较低水头，下游水深大，水位变幅小，有排木排冰等要求。挑流消能特点：构造简单，工程投资省，检修施工方便。适用：高水头，下游水深大，河床基岩完整。戽流消能优点：工程量比消力池省，冲刷坑比挑流消能小，不存在雾化问题。缺点：下游水位波动较大，延绵范围较长，易冲刷河岸，对航运不利，底部漩滚会把河床砂石带入戽内，磨损戽面，增加维修费用。适用：下游水深变幅小，无排冰、漂木要求，下游河床有一定抗冲能力温度应力和温度裂缝混凝土温度发生变化，其体积随之热胀冷缩，当混凝土块体受到约束、不能自由伸缩时，就产生温度应力；当拉应力超过混凝土抗裂强度时，就产生裂缝。1）基础温差引起的应力和裂缝2）坝块内外温差引起的应力和裂缝内部混凝土的膨胀受到约束，产生压应力，而外部混凝土受到内部混凝土的约束，产生拉应力，若拉应力超过混凝土的抗拉强度，就产生裂缝。一般只发生在表层，不甚重要。温度应力取决于温差及约束条件。防止坝体温度裂缝的措施，主要有加强温度控制、提高混凝土的抗裂强度、保证混凝土的施工质量和采用合理的分缝、分块等方面。第3章拱坝拱坝的工作原理:拱坝是一个三边嵌固在基岩上的变曲率、变厚度的多次超静定空间壳体结构。①依靠拱的作用，将力传给拱座②依靠悬臂梁的作用，将力传给基岩③坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力来维持拱坝的工作特点: 1、受力条件好拱和悬臂梁分担荷载，受力条件好。主要依靠两岸坝肩和坝基的岩体维持稳定。自重影响小。2、坝的体积小拱是受压结构，有利于发挥材料的抗压强度。体积小，工程量小。3、超载能力强，安全度高坝体处于三维受力状态，混凝土实际极限抗压强度比单轴受压高。能自动调整拱和梁的作用，荷载的转移和应力的重分布。4、抗震性能好:厚度薄、重量轻、柔度大;自行调整结构特性5、温度变化和基岩的变形对拱坝应力的影响大6、运行特点:拱坝坝身可以泄水;坝顶交通及启闭机等设备的布置。7、施工技术要求高:温控、放样、基础处理要求高拱坝对地形和地质条件的要求(拱坝对地形和地质条件要求较高)地形条件1、河谷狭窄河谷的宽高比：n=L/H=坝顶处河谷的宽度/最大坝高。L/H＜1.5时，薄拱坝L/H=1.5～3时，中厚拱坝L/H=3～4.5时，厚拱坝L/H＞4.5时，重力坝或拱形重力坝2、河谷的断面形状(只适用于一定形状的河谷地段，如深窄的U、V和梯形河谷)V形河谷：拱承担的荷载较大，坝可以修的较薄、经济；U形河谷：梁承担的荷载较大，坝较厚；梯形河谷介于二者之间。3、河谷顺河流方向的形状以平顺河流或呈收缩形河流较好，要避免河道的出口和转弯处。4、河谷对称性、形状平顺拱坝一般比较适合于对称河谷。拱跨度沿高程急剧变化会导致应力集中。按照拱坝的拱弧半径和拱中心角，可将拱坝分为：单曲拱坝；双曲拱坝1、单曲拱坝适用：接近矩形或较宽的梯形、U型河谷。特点：施工简单，便于布置进水孔和泄水孔及其设备；当河谷上宽下窄时，降低拱的作用，加大坝体厚度，不经济 2、双曲拱坝适用：较适用V型河谷。特点：悬臂梁兼有垂直拱的作用，对降低坝体拉应力有利。在水压力作用下，双曲拱坝中部垂直梁的应力是上游面受压，下游面受拉，与自重产生的梁应力相反，可相互抵消。封拱：将分块浇筑的拱坝坝块施工缝灌浆封密，拱坝形成整体的过程。单曲拱坝－可施工到坝顶而后封拱，由梁承担；分期灌浆（1）提前蓄水（2）双曲拱坝为保持坝块稳定，需要在其冷却后先行灌浆封拱（3）渡汛荷载的效应：横缝灌浆之前，只有梁的作用，所受的荷载全部由梁承担。横缝灌浆之后，拱坝形成整体，具有拱梁作用，此时所受荷载由拱和梁共同承担。温度荷载1）拱坝主要荷载之一。在水压力和温度荷载共同引起的径向变位中，温度荷载约占据1/3至1/2。2）通常假定温度荷载由拱圈承担。3）产生温度荷载两个原因：混凝土施工过程中水化热的散发；外界气温的变化。4）封拱温度：选用下游以年平均气温、上游以年平均水温作为边界条件，求出此时的坝体温度场作为稳定温度场。工程中，一般选在年平均气温或略低时进行封拱。5）T>T封，温升产生的弯矩、剪力与水压力引起的弯矩、剪力相反，它们引起的轴力方向相同，对稳定是控制条件。6）T