水工建筑物课本资料.doc

'水工建筑物课本基本资料Ø重力坝的工作特点：1、由于筑坝材料强度高，耐久性好，抵抗洪水漫顶、渗透、冲刷、地震破坏等的能力强，因而失事率低，工作安全可靠。2、对地质、地形条件的适应性强。3、由于重力坝可做成溢流的，也可在大坝内设计泄水孔，故一般不需另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。4、结构作用明确。5、施工方便。6、由于坝体泡面尺寸往往有稳定和坝体拉应力强度条件控制而做的很大，材料用量多，坝内应力较低，材料强度不能充分的发挥，且坝底面积较大，因而扬压力较大，对稳定不利。7、因坝体体积较大，施工混凝土温度收缩应力也较大，为防止温度裂缝，施工是对混凝土温度控制的要求较高。Ø重力坝的类型：1、按坝体高度分：重力坝可以分为高坝（H>70m）、中坝（H=30~70m）和低坝（H<30m）。2、按筑坝材料分：混凝土重力坝和浆砌石重力坝。3、按剖面型式分：实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、预应力锚固重力坝等4、按泄水条件分：溢流坝段、挡水坝段、底孔坝段、电站引水坝段。Ø重力坝设计的主要内容包括：1、剖面设计、稳定设计、应力分析、构造设计、地基处理。Ø重力坝主要承载的荷载有：自重、静水压力、动水压力、扬压力、泥沙压力、浪压力、冰压力以及地震荷载等。Ø扬压力：在某截面上，由于渗透水引起的水压力成为渗透压力，由于下游水深引起的水压力称为浮托力，渗透压力与浮托力之和称为扬压力。（工程中常采取防渗和排水措施）Ø重力坝的抗滑稳定分析：1、抗剪断公式：式中：∑W—坝基面以上的总铅直力，KN,∑P—坝基面以上总的水平力，KNU—作用在坝底面上的扬压力，KNF—接触面间的摩擦系数。2、抗剪断强度公式：式中：f‘c’—坝体混凝土与坝基接触面处的抗剪断摩擦系数和抗剪断凝聚力，N/m2A—计算单元的坝底面积，m2f‘c’值应有材料破坏试验确定，根据我国25座混凝土坝的野外试验资料统计，f‘值一般为0.8~1.8，c’值一般为（0.2~2.4）*106N/m2Ø抗剪断公式形式简单，对摩擦系数f的选择有多年的经验，应用广泛，但是忽略了坝体与基岩的胶结作用，不能完全反应坝的工作状况。抗剪断强度公式直接采用接触面上的抗剪断强度参数f1、C1，物理概念明确，较符合坝的实际工作情况。建议：当坝基内不存在可能导致深层滑动的软弱面时，应按抗剪断强度公式计算。对中型工程中的中、低坝，也可按抗剪断强度公式计算。Ø为了提高重力坝的抗滑稳定性，工程中常采用的措施：1、利用水重2、采用有利的地基开挖轮廓线3、设置吃墙4、采取抽排水措施5、采取预应力措施。Ø重力坝剖面设计的原则：1、满足稳定与强度要求，保证大坝的安全运行2、工程量小3、运行方便，4、外形简单，便于施工。Ø坝顶高程：Δh=h+h0+hC（m）(其中h为波高，h0是波浪中心线至静水位的高度，hC是安全超高)Ø坝顶构造：典型的坝顶构造，一般在坝顶上游设置与坝体连为一体的钢筋混凝土防浪墙，墙高约为1.2m，厚0.4~0.6m，与坝体设有相同的伸缩缝，缝内设止水，坝顶下游侧设边石或护栏，防浪墙与边石内侧设置人行道，高出路面约0.2m，宽0.75~1.0m，坝顶做成向两侧的横坡，坡端设排水沟，并与坝内排水管相连通，以便将坝面雨水排入坝内。Ø溢流重力坝在设计时，除了满足稳定和强度要求外，还要满足因泄水带来的一些要求，1、应具有足够的空口尺寸和较高的流量系数，以使之具有足够的溢流能力2、应具有良好的空口体形，以使水流平顺的过坝，不产生有害的负压、振动和空蚀等3、保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲刷4、溢流坝段在枢纽中的位置，应使下游水流流态平顺，不产生折冲水流，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行5、有灵活可靠的泄水流控制设备，如闸门、启闭机等。Ø溢流重力坝的泄水方式。常见的有开敞的坝顶溢流式和大孔口溢流式两种。Ø溢流重力坝的消能方式有：底流消能、挑流消能、面流消能、戽流消能5/5 Ø重力坝坝身泄水孔的作用：1、配合溢流坝泄洪，并可预泄库水，增大水库调洪能力2、防控水库以便检修大坝或满足人防要求3、排泄你傻，减少水库淤积，以延长水库寿命和保证其他建筑物正常的运行4、随时向下游放水，满足发电、灌溉、航运和城市供水需要5、施工导流。Ø坝身泄水孔的类型，按孔内水流态分为有压的的和无压的的两类，按泄水孔所处的高程可分为中孔和底孔，按布置的层数可分为单层和双层。Ø重力坝的材料分区：Ⅰ区—上下游最高水位的坝体表层混凝土，主要应提出抗冻要求。在寒冬的地区多采用2~3m厚的抗冻混凝土，标号为C15S4D150Ⅱ区—上下游最高水位之间的坝体表层混凝土，控制因素为抗冻性能，同时对强度、抗渗、抗侵蚀也有一定的要求，多采用厚3~5m的抗渗、抗冻及抗侵蚀的混凝土，标号一般为C15S8D200.Ⅲ区—上下游最低水位以下的坝体表层混凝土，对抗渗、强度要求较高，同时对低热、抗侵蚀也有一定的要求，多采用2~3m厚标号为C20S12D200的混凝土。Ⅳ区—靠近坝基的基础混凝土，对强度和低热的要求较高，标号为C20S12D200Dw。Ⅴ区—坝体内混凝土，多采用低热、低强度混凝土，根据坝面应力大小，上部多采用C10S4Dw,下部多采用C15S4Dw。Ⅵ区—有抗冲刷、磨蚀要求部位的混凝土，如溢流坝面、泄水孔、导墙、闸墩等。对抗冲刷、抗磨蚀和抗冻性的要求较高，一般采用高强度混凝土，90天龄期强度不低于C20~C30，严寒地区其抗冻标号不小于D150~D250，Ø重力坝的分缝有：横缝、纵缝和水平施工缝3种。Ø横缝的作用：减少温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求如混凝土浇筑能力和温度控制等，（横缝有永久性和临时性两种）Ø临时性横缝用于以下几种情况：1、河谷狭窄，做成整体重力坝，可将部分水压力传至两岸以借山体支撑增加坝体的强度和稳定性2、位于较陡岸坡上的坝段，将其横缝联合起来可增加侧向稳定性3、修筑在软弱破碎段上的诸坝段，连成整体时可增加其刚度4、8度以上的强震地区，将坝段连为整体可提高其抗震性5、对高水头重力坝，为减少渗透，经论证后，也可对横缝底部进行灌浆。Ø纵缝按布置形式分为竖直缝、斜缝和错缝。Ø为了满足灌浆、排水、观测、交通、闸门操作及电缆敷设等的要求，需要在坝体内设置各种用途的廊道，Ø为防止施工期温度裂缝产生，混凝土筑坝时1、采用综合措施防止水化热温度升高和裂缝产生2、进行严格的温差控制，即控制基础温差及上、下层混凝土温差在容许范围内。Ø温度控制的措施：1、采用低热水泥或惨用外加剂（粉煤灰）、塑料剂等尽量减少水泥用量，以减少水化热温升2、合理安排施工季节3、加强养护4、提高混凝土的抗裂性能。Ø浆砌石重力坝与混凝土重力坝相比，有以下优点：1、就地取材，节省水泥2、水化热温升低，不需采用温控措施，可不设纵缝，横缝间距也可加大3、节省模板，也减少了立模、支撑、拆模等施工干扰4、施工技术易于掌握。可人工砌筑，可分期施工分期收益。缺点：1、人工砌筑，坝体质量不易均匀2、石料修整砌筑难于机械化，需要大量劳动力3、砌体防渗性能差，需另设防渗设施。Ø碾压重力坝的特点：施工简单，水泥和模板用量均少，施工速度快，工程造价低，但是在设计理论和施工技术上目前还不是很成熟，一般用于坝体较厚的情况，对坝体单薄，工作面狭窄，孔道较多或施工干扰较大的坝应用较少。Ø土石坝之所以被广泛采用，主要是由于：1、它可就地取材，与混凝土相比，节省大量的水泥、钢材和木材，且减少了筑坝材料远途运输费用2、对地质、地形条件要求较低，任何不良地基处理后均可筑土石坝3、施工方法灵活，技术简单，且管理方便，易于加高扩建。缺点：1、不允许坝顶溢流，所需溢洪道或其他泄水建筑物的造价往往比较的高2、在河床狭窄、洪水流量大的河道上施工导流较混凝土坝困难3、采用黏性涂料作为防渗材料时，黏性土料施工收气候条件影响较大。Ø土石坝的工作特点与设计要求5/5 ：1、土石坝不允许水流漫顶，否则会引起溃坝2、土石坝由于是由散粒的土料填筑而成，由于颗粒间无胶结力，仅靠凝聚力和摩擦力无法保持平衡，为了维持坝体的稳定，土石坝应有叫缓的上下游坝面，其剖面应使梯形3、土石坝挡水后，在上下游水位差作用下，库水将经过坝体、坝基及两岸形成自上游向下游的渗流，因此，土石坝必须采取有效的防渗排水措施，以减少渗流，保证渗流稳定，4、为防止沉降引起的坝顶低于设计高程和产生裂缝，施工是严格控制碾压质量，并预留沉降高度，使施工竣工高程高于设计高程。Ø土石坝的组成及作用：土石坝一般是由坝身、防渗体、排水体、护坡4部分组成。坝身事土石坝的主体，坝的稳定主要靠它老维持，防渗体的作用是降低侵润线，防止渗透破坏和减少渗透流量，排水体的作用是安全的排除渗水，降低坝体侵润线和防止渗透变形，同时，还可增强下游坝坡的稳定性，护坡的作用是防止波浪、冰层、温度变化及雨水对坝体的破坏。Ø土石坝的类型：水中填土坝、水力冲填坝、定向爆破坝、碾压式土石坝。Ø土石坝剖面的基本尺寸包括：坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体与排水体的形式与尺寸。Ø坝顶高程的计算：Y=R+e+AR—自风雍水面算起的波浪沿倾斜坝坡升高的垂直高度，简称波浪爬高。e—风沿水面吹过所形成的水面升高mA—安全加高Ø计算波浪平均爬高，当坝坡系数m=1.5~5.0时，可按下公式计算:一、用下式计算平均波高二、计算波浪平均周期Ø计算平均波长当时为深水波当时为浅水波ØY求得以后，坝顶高程应分别按一下3种情况计算，并取最大值：设计洪水位+正常运行情况超高Y正常校核洪水位+非常运行情况超高Y非常正常蓄水位+地震安全超高地震安全加高=地震涌浪加高+地震附加沉陷值+安全超高。Ø坝顶的宽度取决于施工、交通、构造、运行、抗震与防汛要求。Ø土石坝在下游坝面的变坡处，一般设置马道，其宽度通常取1.5~2。2m之间，以拦截并排除雨水，防止严重冲刷坝面，并兼做交通、检修、观测之用，也有利于坝坡的稳定。为了方便交通有的设置斜马道或之字形上坝道路。Ø防渗分析的任务：1、确定坝体浸润线和下游溢出点的位置，为坝体稳定计算和排水体选择提供依据2、计算坝体与坝基的渗流量，以估算水库渗流损失和确定排水体的尺寸3、计算坝体与坝基渗流溢出处的渗透坡降，以验算其渗透稳定性。Ø渗透分析一般需要计算的几种工况：1、上游正常蓄水位与下游相应最低水位，此时坝体内渗流的坡降最大，易产生渗透变形2、上游设计洪水位与下游相应最该水位，此时坝内浸润线高，渗流量大3、上游校核洪水位与下游相应最高水位，此时坝内浸润线最高，渗流量最大4、库水降落时，对上游坝坡稳定最为不利，应确定其侵润线，为稳定计算提供依据。Ø渗流分析：（一）基本假定5/5 ：1、坝体土料为均质，坝体内任一点在个方向上的渗流系数K相同，且为常数2、渗流为二元稳定层流，渗流运动符合达西定律：V=KJ(V为渗流流速，K为渗流系数，J为渗流坡降)3、渗流为渐变流，任意过水断面上各点的坡降和流速相同。（一）基本公式：单宽流量:渗流侵润线方程;如右图所示：（二）不透水地基上均质坝的渗流计算1、下游无排水体或设有贴坡式排水体的情况:其对应的：如右图所示：2、下游有水时:侵润线焦点处自下游水面算起的渗流水深坝体单宽流量：，如右图所示：（四）、带截水槽的心墙坝的渗流计算：通过心墙与截水槽的单宽流量:通过心墙下游坝体和坝基的单宽流量:示意图如下所示：Ø渗透变形的形式：管涌、流土、接触冲刷、接触流土。5/5 Ø防止渗透变形的工程措施：1、设置水平或垂直防渗体，以延长渗径，减少渗透坡降和阻截渗流2、设置减压设施和盖重3、设置反滤层Ø土石坝的坝坡裂面形式：1、曲线形滑裂面2、直线或折线性滑裂面3、复合滑裂面Ø土石坝的稳定分析：荷载及荷载组合：（荷载）土体重力、渗流力、孔隙压力、地震力Ø土石料的选择：具体选择涂料的时候应从以下几方面考虑：1、就进取材并且开采运输方便，筑坝材料以靠近坝址为宜，但从坝身安全考虑，一般距坝脚为300~500范围以内的土料不容许开采，从施工布置和经济性考虑，应优先采用从坝基及其他建筑物基础开挖出来的土石料2、土石料的种类、性质应满足坝体各部分的不同要求，压实经济合理，总造价低3、可用土石料的储量，在初步设计阶段不得少于工程设计需要量的2~3倍。Ø适用于填筑防渗体及均质坝的土料：1、应具有一定的不透水性2、应具有一定的可塑性，以适应坝身和坝基的变形而不致产生裂缝3、有机质及水溶盐含量。Ø黏性土料的压实标准是以设计干容重γd和相应的含水量ω作为控制标准。Ø土石坝的构造：1、坝顶2、护坡3、防渗体4、排水设备Ø上游护坡的型式有：抛石、干砌石、浆砌石、预制或现浇混凝土或钢筋混凝土板、沥青混凝土、水泥土等Ø防渗体：1、土质防渗体2、粘土斜墙3、粘土斜心墙。人工防渗体有：沥青混凝土防渗体和钢筋混凝土防渗体两种。Ø排水设备：1、贴坡排水2、棱体排水3、褥垫排水4、管网式排水5、综合排水Ø河岸溢洪道的形式：1、正槽式溢洪道2、侧槽式溢洪道3、井式溢洪道4、倒虹吸式溢洪道。Ø河岸溢洪道的位置选择：1、从地形上看，如坝址附近有马鞍形垭口，高程接近于水库正常蓄水位，垭口下游有冲沟能使洪水泄入原河道，出口又离下游坝址较远，则是布置正槽式溢洪道的理想地形2、从地质上看，溢洪道应建于岩层坚硬、完整稳定的地基上，并应考虑建库后水文地质条件变化对建筑的不利影响3、从施工和运用上看，溢洪道的山渣路线及堆料场应便于利用其出渣筑坝，坝墙布置溢洪道时应尽量避开与坝体接近，防止进出口横向水流淘刷坝脚。Ø引水渠设计时应尽量做到：渠线短、水流顺、流速小。Ø溢流堰的型式：宽顶堰、实用堰，有时也用驼峰堰和宽胸墙的溢流堰。Ø泄水槽的构造：1、衬砌、2、过水表面不平整度的控制和处理3、掺气减蚀Ø侧槽的设计包括：1、断面形式2、底宽3、槽底纵坡4、调整段5、侧槽末断面水深hL6、侧槽底高程Ø非常溢洪道的布置、运用与设计要求：1、非常溢洪道的启用标准应根据其工程的条件确定，对自溃式坝非常溢洪道，一般情况下，当库水位达到设计洪水位以后即可启用2、为防止下游严重破坏，非常溢洪道泄洪时，水库总下泄量不得超过坝址同频率的天然洪水；当非常溢洪道的规模较大或有两个以上的非常溢洪道时，应考虑分级、分段启用，以控制下泄流量3、非常溢洪道宜布置在库岸有通向天然河道的垭口处或平缓的岸坡上，溢流堰顶要比正常溢洪道的4、非常溢洪道可采用较简易的结构，根据具体情况，可只做溢流堰和泄水槽。Ø非常溢洪道的型式：1、漫顶自溃式非常溢洪道2、引冲自溃式非常溢洪道3、破副坝泄洪Ø水工隧洞的工作特点：1、过流特点2、地下结构特点3、施工特点Ø水工隧洞的路线选择主要参考的因素有以下几方面：1、地质条件2、地形条件2、隧洞围岩厚度4、施工条件Ø施工隧洞的总体布置包括：进口、出口、纵剖面和闸门布置Ø进口建筑物的型式：1、竖井式2、塔式3、岸塔式4、斜坡式Ø进口段由拦污栅、喇叭口、闸门槽、渐变段、平压管及通气孔组成。Ø拦污栅的作用：是防止库内沉浮物随水流进入洞内，造成阻塞或损坏水轮机。进口喇叭口的作用：使水流平顺，减免空蚀。Ø隧洞中的通气孔有两种：一是设于检修闸门与工作闸门之间的通气孔，用于检修期下放闸门，打开工作闸门之后，放空洞内水流时补齐；二是设于无压隧洞工作闸门之后的通气孔，用于工作闸门在各级开度下泄流时补齐，降低门后负压，稳定流态，当其通气量不足时，不仅会影响正常泄流，并且会在一切可能的通道内抽气，影响闸门启闭机及交通廊道等的正常操作，增加作用在站门上的下拽力和附加水压力。Ø隧洞洞身的断面型式取决于：洞内流态、地质及施工、运行等条件。Ø洞身的型式有：无压隧洞洞身断面形式和有压隧洞洞身断面形式。Ø洞身衬砌的作用：1、限制围岩变形扩展，保证围岩稳定2、承担山岩压力、内水压力和其他荷载3、保护围岩免受水流、空气、温度及干湿变化等的破坏作用4、防止渗漏5、减少表面糙率。（衬砌的类型：平整衬砌和受力衬砌）5/5'