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'土木工程建筑概论第四章水利工程建筑物主讲人：李岚土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四章水利工程建筑物第一节水利工程概述第二节挡水建筑物第三节泄水建筑物第四节取水和输水建筑物土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第一节水利工程概述一、水资源与水利工程的任务二、水利枢纽与水工建筑物三、水工建筑物的类别与特点土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第一节水利工程概述一、水资源与水利工程的任务水利工程按其服务对象（或承担的任务）可分为：①防止洪水灾害的防洪工程；②为农业生产服务的农田水利工程；③将水能转化为电能的水力发电工程；④为水运服务的航道与港口工程；⑤为工业和生活用水及排泄、处理废水和雨水服务的城镇供水及城镇排水工程。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第一节水利工程概述此外，还有防止水资源污染、维护生态平衡的环境水利工程；防御海潮和涌浪的侵袭以保护沿海城市与农田的河口堤防和海塘工程；以及填海造陆以满足生产、生活或交通需要的海涂围垦工程等。水土保持中的工程措施以及林牧渔业中有关的工程措施，也都属于水利工程的范畴。很多水利工程，特别是大型水利工程，往往具有综合利用效益。这时就需要建设综合利用水利枢纽。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第一节水利工程概述二、水利枢纽与水工建筑物为完成一项或多项兴利除害任务，将若干个不同类型的水工建筑物修建在一起所构成的建筑综合体，称为水利枢纽。图4—1为我国丹江口水利枢纽平面布置图示。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第一节水利工程概述图4—1丹江口水利枢纽平面布置图（单位：m）土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第一节水利工程概述三、水工建筑物的类别与特点1.水工建筑物的类别（1）挡水建筑物。用以拦截江河，形成水库或壅高水位，如：各种坝和水闸；以及为抗御洪水或挡潮，沿江河、海岸修建的堤防、海塘等。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第一节水利工程概述（2）泄水建筑物。用以宣泄多余水量、排放泥沙和冰凌或为人防、检修而放空水库、渠道等，以保证坝和其它建筑物的安全。水利枢纽中的泄水建筑物可以与坝体结合在一起，如：各种溢流坝、坝身泄水孔；也可设在坝体以外，如：各式岸边溢洪道和泄水隧洞等。（3）输（引）水建筑物。为灌溉、发电和供水的需要从上游向下游输（引）水用的建筑物，如：引水隧洞、引水渠道、引水涵管、渡槽和倒虹吸等。（4）取（进）水建筑物。是输水建筑物的首部建筑，即引水隧洞的进水口段。如：各种用水部门的进水塔，水电站的坝上进水口、灌溉渠首和城市供水用的进水闸、进水井和扬水站等。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第一节水利工程概述（5）整治建筑物。用以改善河道的水流条件，调整水流对河床及河岸的作用；同时，也为水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡的冲刷而修建的建筑物。如：丁坝、顺坝、导流堤、护底和护岸等。（6）为各兴利部门而建的专门建筑物。为灌溉、发电、过坝需要而兴建的建筑物，如：专为发电用的沉沙池、压力前池、调压室、电站厂房；专为灌溉用的冲沙闸；以及为过坝用的通航船闸、升船机、鱼道和过木道等建筑物。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第一节水利工程概述2.水工建筑物的特点（1）工作条件复杂，必须进行周密的勘测与设计（2）受自然条件制约，施工难度大（3）投资多，效益也大，建成后对环境影响也大（4）跨流域的调水水利工程将更加宏伟土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物一、重力坝二、土石坝三、拱坝四、支墩坝五、水闸土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物挡水建筑物是水利枢纽中最重要的水工建筑物。各种坝的类型较多，图4-2为几种坝的类型示意图。图4—2坝的类型示意图（a）重力坝；（b）拱坝；（c）支墩坝；（d）预应力锚固坝；（e）桩基锚固坝；（f）橡胶坝；（g）土石坝1—预应力锚索；2—桩；3—橡胶袋土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物一、重力坝（一）重力坝适用条件及优缺点用混凝土或砌石等材料修筑的，主要依靠坝体自重保持稳定的坝称为重力坝。图4-3为最常用的实体重力坝示意图。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物图4—3重力坝示意图1—非溢流重力坝；2—溢流重力坝；3—横缝；4—导墙；5—闸门；6—坝体排水管；7—交通、检查和坝体排水廊道；8—坝基灌浆、排水廊道；9—防渗帷幕；10—坝基排水孔幕土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物（二）重力坝的工作特性和分类重力坝在水平水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力作用在坝底层面上所产生的拉应力，以满足强度要求。重力坝按横剖面形式，可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝和腹拱重力坝（图4—4）；按是否溢流分为溢流重力坝和非溢流重力坝，前者常布置在河道中心河床较深处（图4-3）；按筑坝材料分为混凝土重力坝和浆砌石重力坝（图4-5）土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物(a)宽缝重力坝（单位：m）1—坝体；2—宽缝；3—坝身排水孔；4—坝基灌浆廊道；5—防渗帷幕；6—坝基排水孔幕；7—止水片(b)枫树坝（空腹重力坝）剖面示意图(c)石泉腹拱重力坝1—腹孔；2—消力库；3—戽端灌浆孔；4—坝基排水孔幕；5—防渗帷幕；6—闸门；7—工作桥图4—4重力坝类型土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物图4—5水府庙浆砌石溢流重力坝剖面图（单位：m）1—混凝土防渗面板；2—混凝土溢流面；3—水泥砂浆砌块石；4—较低标号水泥砂浆砌块石；5—较高标号水泥砂浆砌粗料石；6—混凝土反弧面；7—混凝土垫层土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物（三）重力坝的构造1.坝体材料分区对于中、高混凝土重力坝，常对坝体不同部位按其受力和工作条件采用相应的混凝土标号。2.坝体分缝混凝土重力坝一般要与坝轴线相垂直的横缝。对于中、高坝，还常需设平行于坝轴线的施工纵缝，纵缝是临时的如（图4-6）。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物图4—6重力坝分缝示意图（a）重力坝的纵、横缝；（b）纵缝键槽形式1—横缝；2—纵缝；3—纵缝键槽；4—上游先浇块；5—下游后浇块土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物（1）横缝它将重力坝分为若干段，用以适应温度变化和地基不均匀沉降。重力坝土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物（2）纵缝混凝土重力坝纵缝按布置形式可分为竖直纵缝、错缝及斜缝（图4-7）。竖直纵缝间距一般为15～30m，取决于混凝土浇筑能力及温度控制要求。为了使缝面能传递剪力，缝面设有三角形键槽，见图4-6（b）。纵缝常需埋设灌浆管路系统，以便在坝段冷却后进行灌浆将坝段连成整体。图4-7（b）错缝式浇筑块的高度一般不大于3～4m，错缝间距为10～15m，错缝可在低坝上使用，不做灌浆处理。图4—7（c）斜缝在大致沿主应力方向设置，在离上游坝面一定距离处终止，在缝端采用骑缝钢筋、并缝廊道等并缝措施。因缝面的剪应力很小，有的斜缝可不做灌浆处理。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物图4—7混凝土重力坝的纵缝形式示意图（a）竖直纵缝；（b）错缝；（c）斜缝土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物3.坝身排水管坝身排水管是为了降低坝内浸润线位置，排除渗入坝体内水流减小坝体渗透压力的孔管设施。如图4-8所示。排水管间距通常为2～3m，内径一般为15～25cm。常采用预制的多孔混凝土管，在浇筑混凝土时埋入坝内。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物图4—8坝身排水管及其与廊道的连接（单位：cm）1—预制的多孔混凝土排水管；2—铸铁管；3—廊道；4—通过两道排水管之间横剖面的浸润线；5—通过排水管处横剖面的浸润线；6—排水沟；7—灌浆帷幕；8—坝基排水孔土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物4.廊道系统设置在重力坝体内的各种通道简称廊道。按其用途可分为坝基灌浆排水廊道、排水廊道、观测检查廊道、交通廊道以及其他用于闸门操作、电缆敷设的专用廊道等。按其布置可分为纵向廊道（廊道轴线与坝轴线平行）和横向廊道（廊道轴线与坝轴线垂直）。纵、横廊道及竖井互相连通形成廊道系统，由进出口与坝外相通，见图4—9。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物图4—9重力坝坝内廊道系统图1—坝基灌浆排水廊道；2—基面排水廊道；3—集水井；4—水泵室；5—横向排水廊道；6—检查廊道；7—电梯井；8—交通廊道；9—观测廊道；10—进出口；11—电梯塔土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物5.坝顶典型的混凝土重力坝顶结构如图4—10所示。图4—10坝顶结构布置1—防浪墙；2—公路；3—起重机轨道；4—人行道；5—坝顶排水管；6—坝体排水管；7最高水位土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物（四）重力坝的地基处理1.坝基开挖与清理坝基开挖与清理的目的是使坝体能座落在稳定、坚固的地基上。2.坝基的固结灌浆固结灌浆的目的是：提高基岩的整体性和强度、基岩的弹性模量，降低地基的透水性。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物3.帷幕灌浆帷幕灌浆的目的是：降低坝底渗透压力，减少坝基渗流量，防止坝基内产生机械或化学管涌。灌浆材料最常用的是水泥浆。防渗帷幕示意图如图4—11所示。4.坝基排水为进一步降低坝底面的渗透扬压力，一般还在防渗帷幕后设置排水孔幕。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物图4—11防渗帷幕和排水孔幕布置1—坝基灌浆排水廊道；2—灌浆孔；3—灌浆帷幕；4—排水孔幕；5—φ100排水钢管；6—φ100三通；7—φ75预埋钢管；8—坝体土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物二、土石坝土石坝是指由土、石料等当地材料建成的坝，也叫当地材料坝，是历史最为悠久的一种坝型。土石坝具有如下优点：①可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地外线运输量；②能适应各种不同地形、地质和气候条件，任何不良坝址地基，经处理后均可筑坝，特别对气候恶劣、工程地质条件复杂和高地震烈度区的情况，土石坝是最适宜的坝型；土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物③近代大容量、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的施工质量，加快了施工进度，降低了造价；④近年来岩土力学理论、试验手段和电子计算机计算技术的发展，提高了土石坝分析计算水平，保障了土石坝设计的安全可靠。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物（一）土石坝设计的基本要求1.具有足够的断面，维持坝坡的稳定。2.设置良好的防渗和排水设施以控制渗流。3.根据现场条件选择好筑坝土石料种类、坝的结构形式以及各种土石料在坝体内的配置。4.采取适当的构造措施，使坝运用可靠和耐久。（二）土石坝的类型按照土石料在坝身内的配置和防渗体所用的材料种类；碾压式土石坝可分为以下几种主要类型，参看图4—12。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物图4—12碾压式土石坝类型（a）均质坝；（b）土质心墙坝；（c）土质斜墙坝；（d）多种土质坝；（e）人工材料心墙坝；（f）人工材料面板堆石坝；土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物1.均质坝。坝体主要由一种土料组成，同时起防渗和稳定作用，其坝型如图4—12（a）所示。2.粘土心墙坝。由相对不透水或弱透水的粘性土料构成中央防渗体（粘土心墙），而以透水土石料组成坝壳，如图4—12（b）所示。3.粘土斜墙坝。由相对不透水或弱透水粘土料构成上游防渗体（粘土斜墙），而以透水石料做为下游支撑体，如图4—12（c）所示。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物4.多种土质坝。坝体由多种土料构成，以细粒土料建成中央或靠近上游的防渗体，坝体其它部位则由多种粗粒土料构成，如图4—12（d）所示。5.人工材料心墙坝。坝体中间的防渗体由沥青混凝土或混凝土、钢筋混凝土心墙构成，周围坝壳由透水或半透水的土石料组成，如图4—12（e）所示。6.人工材料面板坝。坝的支撑体由透水或半透水土石料组成，上游防渗面板由钢筋混凝土、沥青混凝土面板构成，图4—12（f）为人工材料面板堆石坝。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物（三）土石坝构造1.坝顶和护坡坝顶可采用碎石、单层砌石、沥青或混凝土路面铺砌。坝顶上游侧常设防浪墙。防浪墙应坚固而不透水，可用浆砌石或钢筋混凝土筑成，墙底应和坝体中的防渗体紧密连接。为排除坝顶雨水，坝顶面应向两侧或一侧倾斜，做成2%～3%的坡度。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物土石坝上、下游坝面皆要护坡。上游护坡作用是防止波浪冲刷、顺波水流的冲刷和冰层与漂浮物的危害撞击，常用形式为砌石或堆石。下游护坡的目的是使坡面免遭雨水、大风、尾水部位的风浪、冰层和水流以及动物、冻胀干裂等因素的破坏作用。2.防渗体土石坝必须设置防渗体，其作用是控制和降低坝体内浸润线的位置，保持渗流的稳定，见图4—12。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物3.坝体排水坝体排水的作用是：控制和引导渗流，降低浸润线，保护下游坝坡免遭冻胀破坏。为防止坝体和坝基发生管涌、流土，保护渗流出口，排水周围需设置反滤层。图4—13为常见的几种坝体排水形式，其中：(1)棱体排水，又称滤水坝趾。如图4—13（a）所示。(2)贴坡排水，又称表面排水，如图4—13（b）所示(3)坝内排水，包括褥垫排水层、网状排水带和管状排水等，如图4—13（c）、（d）所示。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物图4—13排水型式（单位：m）（a）棱体排水；（b）贴坡排水；（c）褥垫排水；（d）管式排水；1—浸润线；2—各种型式排水；3—反滤层；4—横向排水带或排水管；5—排水沟土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物三、拱坝1.拱坝的工作特点拱坝的工作特点主要是通过拱的作用，将大部分水平水压力等横向荷载传至两岸岩体。由于拱的作用，材料强度能够充分发挥，坝断面减小，因而拱坝的体积一般只有重力坝的30%～80%。拱坝修建在岩基上，用混凝土或浆砌石筑成，其水平剖面拱向上游，竖向剖面可以直立，或有一定弯曲，见图4—14。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物图4—14中国泉水薄拱坝（单位：m）（a）平面布置；（b）拱冠梁剖面土木工程建筑概论——水利工程建筑物 2.拱坝分类拱坝按坝体厚度分为薄拱坝、中厚拱坝（一般拱坝）和厚拱坝（重力拱坝）；按坝体竖向曲率分为单曲拱坝和双曲拱坝；按建筑材料分为混凝土拱坝和浆砌石拱坝。通过坝顶溢流的称为溢流拱坝，如图4—15所示。第二节挡水建筑物土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物图4—15溢流拱坝示意图（a）坝面溢流式；（b）坝顶自由跌落式土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物3.拱坝的构造拱坝的坝顶、廊道系统、帷幕及坝基排水等构造，与重力坝大同小异。拱坝分缝、分块有一定特点。拱坝坝体混凝土浇筑后，有一个先升温后降温的过程。为了减少在降温过程中产生的温度应力和裂缝，混凝土拱坝常采用柱状浇筑，每块边长约15～20m，形成两组竖向缝，称纵缝。缝面需做缝槽，并设置灌浆系统。待混凝土充分收缩，坝体温度接近稳定温度后，灌注水泥浆，使各坝块连结成整体。若坝底厚度小于30m，可不设纵缝。对厚拱坝，因水化热散发较慢，为了提早灌浆和降低温度应力，常在坝内埋设冷却水管。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物4.地基处理拱坝要求地基岩石坚固完整，质地均匀，有足够的强度，不透水性和耐久性，没有不利的断裂构造和软弱夹层。特别是坝肩岩体，在拱端力系和绕坝渗流等作用下要能保持稳定，不产生过大的变形。拱坝地基一般均需经过处理。一般情况坝基和坝肩需做帷幕灌浆、固结灌浆，设置排水孔幕，如有断层破碎带或软弱夹层等地质构造还需做加固处理。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物四、支墩坝1.支墩坝工作特点由一系列支墩和挡水面板组成的坝统称支墩坝。上游面的水压力、泥沙压力等经挡水面板传至支墩，再由支墩传至地基。支墩坝的上游面都是倾斜的，这样能利用部分水重增加坝的抗滑稳定性；支墩间的空腔有利于地基天然排水，可减小坝基扬压力；支墩嵌入地基还可增加阻滑能力；由于以上特点其工程量较重力坝小。但支墩坝结构较单薄，抗冻和抗震能力较差，施工模板用量大，施工工艺较复杂土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物2.支墩坝的分类及其适用条件支墩坝按挡水面板的形状分为平板坝、连拱坝和大头坝，见图4—16。平板坝一般适宜修建中、低坝；连拱坝和大头坝一般适宜修建高、中坝。支墩坝多采用混凝土或钢筋混凝土建造，在中小工程中除平板坝的平板外，也有采用浆砌石建造的。支墩坝的抗震能力较重力坝差，必须认真进行地震应力分析并采用相应的抗震措施。在严寒或气温变化较大地区需注意施工期和运行期的防裂、防冻问题。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物图4—16支墩坝型式图（a）平板坝；（b）大头扳；（c）连拱坝土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物3.对地基的要求支墩坝对地基有较高要求，中等高度和高支墩坝要求建在岩基上，高连拱坝和高大头坝要求更高，只有低平板坝可以修建在非岩石地基或软弱岩基上。支墩坝除重力坝所要求的一般地质条件外，还应特别注意岸坡的地形、工程地质和水文地质条件。帷幕灌浆、固结灌浆和坝基排水设施等可根据坝型、坝高和地质条件进行拟定。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物五、水闸1.水闸的特点修建在河道和干渠上利用闸门控制流量和调节水位的低水头水工建筑物通称水闸。关闭闸门可以挡水、拦洪或抬高上游水位；开启闸门可以宣泄洪水和向下游河道、渠道供水；所以水利工程中的水闸可做为挡水、泄水或取水建筑物，应用广泛。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物2.水闸的类型按担负的任务不同可分为进水闸（也称渠首闸），节制闸（河道上的称拦河闸），排水闸（按作用也称排涝闸、泄水闸、退水闸），分洪闸（也称进洪闸），挡潮闸、冲沙闸（也称排沙闸）和分水闸等；按水闸闸室孔口形式可分为开敞式水闸（也称溢流式水闸）、胸墙式水闸（也称孔流式水闸）和涵洞式水闸等；按操作闸门的动力，可分为机械操纵的水闸或水力操作的水闸。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物3.水闸的组成水闸的各部分组成如图4—17所示。水闸一般由闸室、上游连接段和下游连接段三部分组成。图4—17水闸立体示意图1—水闸底板；2—闸墩；3—胸墙；4—闸门；5—工作桥；6—交通桥；7—堤顶；8—翼墙；9—护坦；10—排水孔；11—消力坎；4—海漫；13—防冲槽土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物4.水闸设计要求（1）闸址选择根据水闸的特点和运用要求，综合考虑地形、地质、水流、泥沙，施工及管理运用条件，选择地基坚实，地形平坦，水流顺畅，材料运输方便，施工导流简便，占地较少，并便于管理的闸址。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物（2）闸孔形式与尺寸有泄洪任务的水闸，一般宜用开敞式，有挡洪任务的水闸可采用胸墙式或涵洞式。根据设计要求最大泄水流量（或最大进水流量）通过水力计算确定闸孔总宽度和孔口高度，根据闸门形式确定单孔宽度（大型水闸单孔宽度常为8～12m）和单孔最大过水流量，进而确定闸孔数目。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物（3）闸室结构布置闸室布置首先确定闸门位置。然后布置起闭机台、交通桥、胸墙、检修平台等上部结构的支承体，其长度取决于上部结构的布置，厚度一般按构造要求选定。底板宽度一般等于或大于闸墩长度。闸室结构布置和轮廓尺寸确定后，要进行稳定计算。不满足设计要求时，要调整布置和尺寸，直至满足有关《规范》要求为止。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物（4）防渗和排水设计水闸关闭闸门蓄水时，上下游水位差不仅对闸室产生水平推力，而且在闸基和两岸产生渗流。渗流既对水闸基底和边墙产生渗透压力，不利于闸室和边墙的稳定，又能引起闸基和岸坡土体的渗透变形，直接危及水闸的安全，因此，需要认真地进行防渗透排水设计。上游防渗设施可设防渗铺盖、防渗板桩等，在闸室底板或护坦末端布置排水和反滤层等导渗设施。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物（5）消能防冲设计水闸泄流时，出闸水流具有很大的动能，需要采取有效的消能防冲措施，才能消减对下游河床的有害冲刷，保证水闸的安全。一般在闸室后布置护坦或消力池，使出闸水流产生底流水跃，消除大部分动能；消力池后再设海漫和防冲槽，继续消除剩余能量和保护河床。两岸设置导流边墙，其扩散角度不宜过大，以免出现回流。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第二节挡水建筑物（6）闸基基础设计水闸大多建在土基上，地基压缩性大，承载能力低，在闸室及上部荷载作用下，易产生较大沉降及不均匀沉降，严重时可引起结构断裂不能正常工作，甚至闸室下沉或倾倒。因此必须进行闸室整体计算和沉降计算。地基实在不能满足设计要求时，可采用换土垫层、强夯、振冲沙桩等地基加固措施，或采取灌注桩、沉井等深基础，把水闸荷载传到下部硬土或岩石上去。（7）水闸结构设计对水闸闸室的各个组成部分以及边墩、翼墙等分析受力条件，根据《规范》进行结构分析与计算。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物一、溢洪道1.溢洪道类型溢洪道是一种最常见的泄水建筑物，用于宣泄规划库容所不能容纳的较大的洪水，防止特大洪水漫溢坝顶，保证大坝的绝对安全。岸边溢洪道可分为正槽式溢洪道、侧槽式溢洪道、井式溢洪道和虹吸式溢洪道等。其中正槽式溢洪道应用广泛，也较典型。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物2.正槽式溢洪道正槽式溢洪道通常习惯上也叫开敞式溢洪道，它是具有自由水面的进水口和明槽泄流的岸边式溢洪道，因开敞式溢洪道的泄流量与堰顶水头H的3/2次方成正比，故随着堰顶水头增加超泄能力较大。正槽式溢洪道通常由进（引）水渠、控制段、泄槽、出口消能段和尾水渠等部分组成，如图4—18所示。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物图4—18正槽溢洪道布置图土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物（1）进水渠进水渠也称引水渠，它是水库与控制段的连接段，具有引水和调整水流的作用。进水渠除土基或较差的岩基外，一般不衬砌。（2）控制段控制段一般包括溢流堰、闸墩、边墩和上部结构等。溢流堰一般较低，常采用实用堰、宽顶堰或驼峰堰（见图4—19），堰顶设置工作闸门，可提高控制泄流能力，泄流时开启闸门即可得到较大的初期泄量。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物(a)宽顶堰(b)实用堰(c)驼峰堰图4—19正槽式溢洪道上常用的三种溢流堰型土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物（3）泄槽图4—20给出了某岩基开敞式溢洪道的平、剖面图示，并详细地绘出了泄槽段的分缝、分块和底板排水的构造详图。泄槽是开敞式溢洪道的控制段与消能工之间的泄水渠道，因渠底坡度较陡，又称陡槽。泄槽主要由槽底板和两侧的边墙组成。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物图4—20岩基上泄槽的构造（高程桩号：m，尺寸：cm）（a）平面布置图；（b）纵剖面图；（c）横缝构造；（d）纵缝构造；（e）边墙缝1—引水渠；2—混凝土护底；3—检修门槽；4—工作闸门；5—帷幕；6—排水孔；7—横缝；8—纵缝；9—工作桥；10—公路桥；11—开挖线；12—搭接缝；13—键槽缝；14—平接缝；15—横向排水管；16—纵向排水管；17—锚筋；18—通气孔；19—边墙缝；20—挑流鼻坎土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物（4）消能段正槽溢洪道常用挑流鼻坎消能形式。挑流鼻坎的构造，挑角设计原则是要有利于挑流在空中冲撞消能和尽量挑出较远的距离，这样冲刷坑将远离泄洪建筑物，有利安全。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物3.其它形式溢洪道（1）侧槽式溢洪道溢流堰轴线大致与泄槽纵轴线平行，过堰水流先进入侧槽，在槽内转向约90°，再经泄槽流入下游的开敞式溢洪道，称侧槽式溢洪道，如图4—21所示。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物图4—21侧槽式溢洪道土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物侧槽式溢洪道适用于两岸山坡陡峻，无适当的天然垭口而坝身又不宜宣泄洪水的水利枢纽。顺岸坡等高线布置侧槽式溢洪道，较采用其它形式可减少挖方量。侧槽式溢洪道一般由溢流堰、侧槽、泄槽、消能工和泄水渠部分组成（见图4—21）。溢流堰常采用实用堰，中小型水库多不设闸门。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物（2）井式溢洪道井式溢洪道是首部为喇叭口溢流堰，下接竖井及泄水隧洞的溢洪道，又称竖井式溢洪道，如图4—22所示。井式溢洪道一般适用于中、高水头的水利枢纽。当河谷狭窄、有布置喇叭口溢流堰的适宜地形时，采用井式溢洪道可避免大量开挖土石方，有利于降低工程造价。井式溢洪道通常由环行溢流堰、渐变段、竖井、弯道、泄水隧洞、消能工和泄水渠等部分组成（见图4—22）。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物图4—22井式溢洪道土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物（3）虹吸式溢洪道利用倒U形管路产生的虹吸作用的溢洪道，称虹吸式溢洪道。当上游水位高出正常蓄水位20～30cm时，虹吸式溢洪道就能自动形成有压管流，宣泄洪水，不需设置闸门。水位降低后，能自动停泄，调节水位灵敏，管理方便。虹吸式溢洪道可建在岸边或混凝土坝内。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物二、泄水隧洞为排泄洪水或排沙、放空水库、施工导流而设置的水工隧洞称泄水隧洞。水电站、泵站的尾水隧洞也属于泄水隧洞。泄水隧洞主要由进水段、洞身段及出口段组成，如图4—23所示。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物图4—23有压泄水隧洞纵剖面图土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物1.进口段图4—23为有压泄水隧洞实例。进口段采用的是塔式进水口。在进水塔中设检修闸门，用以在工作弧形闸门检修或隧洞检修时挡水。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物2.洞身段承受有压流的有压隧洞洞身段多采用圆形断面，受力条件与水流条件都较好。无压流的无压隧洞多采用圆拱直墙式断面。有压隧洞的水力计算主要是保证通过设计泄流量，并使全线洞顶有必要的压力余幅；无压隧洞除验算泄流量以外，还应计算洞内水流的水面线，保证洞内水流处于明流状态。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物洞身段一般需要进行衬砌，以承受山岩压力及内外水压力，防止渗漏，提高过流能力。衬砌的类型根据运用要求、地质、水流、施工等条件确定，一般泄水隧洞用混凝土、钢筋混凝土及锚喷衬砌。对地质条件好、用光面爆破施工的导流或尾水隧洞，经过充分论证也可不衬砌。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物3.出口段及消能设施泄洪隧洞同开敞式溢洪道一样，在泄水出口段必须设置消能设施，简称消能工，防止水流对下游河渠的冲刷破坏。消能工需要消耗分散的那部分水流能量，是指建筑物上游的水流能量与下游河道正常水流能量之差。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第三节泄水建筑物消能工的形式有很多，最常见的有挑流式消能和底（或面）流式消能两种。挑流式是将高速泄流通过挑流鼻坎（图4—20）挑向空中，通过水流在空气中的扩散以及与空气的强烈掺混，使水流动能分散，最终转化成热量而耗损。底流式消能，是使高速急流在出口消力（静水）池中产生水跃，一方面底部主流流速由快变慢，水深由小变大，另一方面急流冲入缓流所激起的表面旋滚，水体翻滚，饱掺空气，强烈的紊动混掺，使水流能量转化为热能而耗散，使流速急剧下降，很快转为缓流状态。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物一、取水建筑物二、输水建筑物土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物一、取水建筑物从水库、河流、湖泊、地下水等水源取水的进水闸、进水口、引水隧洞、坝下取水涵管、坝身引水管、取水泵站等水工建筑物称取水建筑物。它是灌溉、城镇供水、水力发电等用水系统自水源取水必不可少的水工建筑物。为从水库、河流、湖泊等地表水源引水而修建在取水地段的水工建筑物综合体称取水枢纽，又称引水枢纽或渠首工程。取水枢纽一般是指自流引水情况。用水泵抽水时则称为泵站。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物水源不同，取水建筑物的形式也有所不同。自河流或低水头水利枢纽取水，多采用开敞式进水闸；自中高水头水利枢纽或水库取水，多采用进水口、引水隧洞、坝身引水管或坝下涵管；自地下取水或自低处向高处引水时，则需采用取水泵站。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物（一）进水闸设在渠首部控制入渠流量的水闸称进水闸，又名渠首闸。进水闸的形式主要根据引水条件进行选择。当上游水位变幅小，引水流量大，引水口渠底高程较高时，宜采用开敞式水闸；当上游水位变幅大，闸底高程受低水位引水要求控制时，可用胸墙式水闸或涵洞式水闸，如果进水口的防洪水位远高于引水水位，则采用涵洞式更为合适，图4—24为某河道灌溉主干渠无坝引水进水闸平面图示。无坝取水闸闸址一般选在河流弯道顶点偏下游的凹岸处，以充分利用弯道河水环流的作用，达到取水又防沙的目的。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物进水闸的闸孔数目和尺寸，根据河道出现设计保证率的低水流量时能引进设计入渠流量来选定。闸顶需高出闸前最高洪水位，并留一定超高，每孔宽度需结合闸门门型和启闭机型号统一考虑选用。为了使进水闸引取较小流量时不至于产生偏流，进水闸最好能对称开启，进水闸闸孔最好取单数。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物图4—24设于河流凹岸的无坝引水进水闸土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物（二）分层式进水口可以从水库等水体不同深度引水的取水建筑物称分层式进水口，又称分层取水结构，如图4—25所示。用于引取面层水的取水结构称表层取水结构；引取下层或底层水的取水结构称为深式取水结构。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物1.分层取水的作用水库等水体在垂直方向存在着温度及密度的梯度，从不同深度取水，其水质（包括水温、溶解氧、浑浊度等）显著不同，对农业、水产养殖、生态、人类生活等用水部门则会有不同的影响。如取用表层取水结构，可获得表层温水，有利于灌区作物生长及生产养殖。分层取水结构可根据需要解决引水水质问题。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物2.分层取水结构类型分层取水结构主要有斜置式、竖塔式和浮子式等形式。（1）斜置式。沿着岸坡面或坝坡面斜置的取水结构称斜置式取水结构，有卧管进水口及斜塔式进水口两种。斜塔沿坝面或岸坡斜放置，多采用溢流型平面门或半圆筒门。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物（2）竖塔式。为一封闭式进水塔。具有固定式或活动式取水口。固定式是在不同高程设置单面或多面、一道或数道进水孔口（见图4—25）。活动式进水口有由浮箱带动随水位升降的孔流型平面门、多节伸缩套筒式圆筒门或半圆形门等。（3）浮子式。取水结构由浮子、取水口和管道组成。利用浮子带动取水结构随库水位的变化升降而取不同温度的水，一般只用于小型水库取水。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物图4—25竖塔式分层取水结构图土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物二、输水建筑物从水源地将引进的原水输送至各用水部门采用的水工建筑物，称输水建筑物，如灌溉渠系建筑物中的渠道、渡槽等。下面以某城镇供水为例，介绍各种输水建筑物的布置和形式。图4—26为某城镇供水输水工程示意图。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物从水源地将原水输送到自来水厂的工程，称城镇供水输水工程。由于地形高差的关系，输水工程有重力流方式或压力流方式，或两种方式同时存在。重力流方式包括不承压明渠、不承压暗渠、无压隧洞、渡槽等；压力流方式包括承压的管道、承压暗渠、压力隧洞、倒虹吸等。有时由于可利用的水头不足或有余，在中途还要设加压泵站或减压水池（见图4—26）。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物图4—26输水工程示意图土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物1.明渠明渠为露天的输水渠道。渠中水面与水力坡降线一致，适宜建于地形平缓下降、容易开挖、渗漏小、不容易孳生水草及被周围环境污染的地段，要尽量使挖方及填方的数量最小并且接近平衡。明渠建设费用小，缺点是渗漏大、蒸发损失大、水体容易被污染、与排水渠的交叉难处理、寒冷地区容易结冰、堤岸容易被小动物挖成洞、维护费较高、天旱时容易与农业用水产生争水现象等。明渠断面常呈梯形，边坡随土质情况而定。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物2.暗渠暗渠为密闭的输水渠道。一般埋设在地面以下，断面呈矩形，可以是一孔或多孔。也有做成马蹄形的。暗渠有承压和不承压的，不承压的可用砖或混凝土衬砌，承压的多用钢筋混凝土浇筑，暗渠每隔10～20m设伸缩缝加止水带，防止由于水温、气温的变化引起暗渠开裂。土木工程建筑概论——水利工程建筑物 第四节取水和输水建筑物3.输水隧洞连接上下游输水渠道的水工隧洞称输水隧洞。输水隧洞一般是无压隧洞，洞线纵坡和断面尺寸与上下游渠道相适应，避免水流发生突然变化。根据地质条件，一般在洞内用混凝土、钢筋混凝土或锚喷衬砌，以保护围岩，防止渗漏，提高输水能力。4.管道地形或其它条件不适宜用渠道和隧洞时则采用管道。管道一般是承压的。管道有铸铁管、球墨铸铁管、钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管、钢管及纤维管等。土木工程建筑概论——水利工程建筑物'