水工建筑物复习纲要(武汉大学).docx

'水工建筑物复习纲要（下）lZD•第十章水闸一、水闸的功用（1）水闸的定义一种用闸门来控制流量、调节水位的低水头水工建筑物。（2）水闸的功用•主要功用：控制闸前水位，调节过闸流量，发挥挡水、泄水、取水等作用。•其他功用：防洪、排涝、挡潮，以及供水、发电、灌溉、航运等作用。二、水闸的工作特点（一）水闸与溢流坝段的比较相似点：大多都建在主河道上，都起挡水和泄水的作用。不同点：•（1）溢流坝大多建在山区河流上，堰体高，上游水位高，形成水库，一般属于高水头建筑物；水闸大多建在平原河床上，堰体低，上游水位低，不能形成水库，属于低水头建筑物。•（2）溢流坝闸门主要在泄洪时开启，因工作水头较高，一般采用挑流消能，下游消能情况简单；水闸闸门经常开启，泄流量多变，一般采用底流消能，下游消能情况复杂。•（3）溢流坝必须建在岩基上；水闸也有的建在基岩上，但大多数建在平原河床的软基上。（二）水闸的特点建在平原河床软基上的水闸有如下特点：（1）水的方面（a）闸室稳定问题•上下游水头差形成的水压力。•在水的推力作用下，闸室在自重和水重的作用下必须维持自身的稳定。•包括整体抗滑稳定和结构构件稳定（如底板、闸墩、胸墙等构件的稳定）。（c）高速水流问题•消能难度较大水闸在开闸泄水时，下泄的高速水流具有较大的能量，可能对河床和河岸产生不利冲刷。水闸泄水消能的最危险工况，不一定发生在最大泄流量时。因此，给消能设计带来较大的复杂性和不确定性。•可能形成折冲水流（2）地基方面（a）平原地区土基的特点：•土层分布复杂，可能夹有压缩性大、承载能力低、抗震强度差的软土；•可能含有结构松散、易于液化、抗冲能力低的粉砂或细砂层；•抗冲刷能力差，允许渗透坡降低，对防渗、消能不利。（b）软土地基对闸室本身的稳定和沉降将带来严重的影响，因此，在水闸设计时，应：•采用适当措施，进行地基处理；•适当控制渗流；•加强消能防冲措施。 （3）结构方面水闸的闸室结构与大体积的重力坝或散粒体的土坝有较大差别。（a）构件方面•水闸由闸墩、底板、胸墙等薄壁构件组成的空间结构体系，因此对闸室构件在强度和刚度方面均有一定要求。（b）受力方面•闸室整体结构和某些构件受力条件复杂，承受水压力、自重、地基反力等不同性质的荷载。（c）结构分析方面•在进行闸室结构设计计算时，一般并不采用相对复杂的有限元法，而是将整个结构视为板、梁、柱等独立构件构成，分别对这些构件用结构力学、材料力学方法进行设计计算。三、水闸的类型（一）按水闸承担的主要任务分类•拦河闸、进水闸、泄水闸、排水闸、挡潮闸、分洪闸、冲沙闸、其他（分水闸、排冰闸、排污闸等）。（三）按施工方法分类可分为：现浇式、装配式、浮运式等。（1）现浇式•在闸址处架立模板现场浇筑，是目前多数水闸的施工方法。（四）其他分类方法（1）按过闸流量划分•过闸流量等于或大于1000m3/s者为大型水闸；•过闸流量在100~1000m3/s间者为中型水闸。•过闸流量小于100m3/s者为小型水闸。•葛洲坝二江泄水闸，过闸流量达83900m3/s，属特大型水闸，或称巨型水闸。（2）按设计水头或闸高划分•闸高在8~10m以上者为大型水闸；•闸高在8~10m以下者为中、小型水闸等。一、闸室段•1—闸门；2—底板；3—闸墩；4—胸墙；5—工作桥；6—交通桥闸室段的作用：控制水流；联接两岸和上、下游段。闸室段的组成：闸门、闸墩、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等。.（1）闸门 闸门的作用：用于控制上游水位和调节下泄流量。闸门的类型：工作闸门和检修闸门工作闸门用于正常运用时挡水、控制下泄流量。检修闸门用于对闸室进行检修时挡水。•弧形闸门和平板闸门（3）底板底板的作用：底板是闸室段的基础，将闸墩、上部结构的重量、以及底板自重和所承受的水重一起传给地基。•建在软基上闸室主要由底板与地基间的摩擦力来维持稳定。•底板还具有防冲、防渗的作用。二、上游连接段•7—上游防冲槽；8—铺盖；9—上游翼墙；10—上游护岸；上游连接段的作用：•主要作用是引导水流从河道平稳地进入闸室，•兼有防冲、防渗作用。上游连接段的组成：•一般包括上游翼墙、铺盖、护底、上游防冲槽和上游两岸护坡等。（1）上游翼墙•引导水流，使之平顺地流入闸孔；•抵御两岸填土压力，保护闸前河岸不受冲刷；•并有侧向防渗的作用。（2）铺盖•主要起防渗作用，其表面应进行保护，以满足防冲要求。•当铺盖上游较长时，应在铺盖与上游防冲槽之间设置护底以保护上游河床不被冲刷。（3）上游防冲槽•铺盖或其防护的上游端有时设置上游防冲槽，以保护铺盖不致损坏。（4）上游两岸护坡•上游两岸要适当进行护坡，其目的是保护河床两岸不受冲刷。•三、下游连接段•11—护坦；12—海漫；13—下游防冲槽；14—下游翼墙；15—下游护岸下游连接段的作用：•消除下泄水流的动能，•顺利与下游河床水流连接，避免发生不利冲刷现象。下游连接段的组成： •一般包括护坦（包括消力池）、海漫、下游防冲槽（防淘墙）、下游翼墙、护底和两岸护坡等。（1）护坦（含消力池、辅助消能工）•消力池是消刹水能的主要区域；•护坦是消力池底板，保护河床底部，从而保护闸室的安全；（2）海漫海漫用于进一步消除水流余能，保护河床免受冲刷。（3）下游翼墙下游翼墙导引水流均匀扩散，并有挡土、防冲作用。（4）下游防冲槽下游防冲槽的作用是防止海漫末端冲刷，避免河床局部冲刷向上游发展。（5）下游护坡和护底下游护坡和护底的作用与上游相同。四、水闸的布置（1）闸轴线：拦河闸闸轴线一般选在河道较狭窄处，以节省工程量。（2）位置：拦河闸一般布置在主河床上，使水闸建成后的下泄水流尽量符合天然河道的水流特性。（3）闸室前缘宽度：泄水闸前缘总宽度由过闸洪水流量确定。（4）闸、坝结合：•在某些宽阔河道上，拦河闸的宽度远小于闸址处的河道宽度，此时可在闸轴线其余部分用拦河坝或水电站厂房挡水。（1）型式1）开敞式a)宽顶堰:结构简单，施工方便，地基应力均匀，泄流能力大且稳定，还利于冲砂、排污、泄冰、通航。适用于土基水闸。b)低堰实用堰型：在非淹没出流时，泄流能力大于宽顶堰，对缩短水闸宽度有利。泄流能力受尾水淹没影响明显，泄流能力不如宽顶堰稳定。适用于岩基、闸前水深很大、要求限制单宽流量或拦截泥沙进入下游渠道的情况。驼峰堰型：堰的上游不淤沙；流量系数大，壅水小，可减小上游淹没损失。适用于地基较好的情况。2）胸墙式上游水位变幅较大，过闸流量有限制，高水位时要求控制流量，则在孔口顶部设固定挡板以减小闸门高度。3）封闭式又称涵洞式水闸。当水头较高时较经济。常用于穿过堤防的水闸。有压：多用于排水和排沙闸；无压：多用于小型分水闸。过闸流量验算　 •第四节水闸的消能防冲一、水闸消能防冲的特点与高水头泄水建筑物相比较，水闸的消能防冲具有以下显著特点：•（1）上游水头小•（2）上、下游水位落差小，水流佛氏数低•（3）大流量泄流不一定是最危险工况•（4）地基条件较差二、水闸消能防冲布置•多数水闸采用底流消能方式。•底流消能的机理：底流消能是指借助于一定的工程措施(如修建消力池)，促使下泄水流形成水跃，并将水跃控制在一定的范围，通过水跃形成的水流旋滚、摩擦、撞击、掺气和强烈紊动来消除下泄水流的能量。•底流消能的优点：运行可靠，下游流态比较平稳，对通航、发电尾水等影响较小。•底流消能的缺点：土石方开挖量、混凝土浇筑量均较大，不经济。•底流消能的适用条件：适用于河床地质条件差、抗冲能力低、下游有足够水深的情况。底流消能的要素•消力池：要形成水跃，下游必须有足够的水深。当下游水深不足时，应设置消力池，以形成发生水跃的必要水深。•护坦：消力池内水流紊乱，必须设置专门保护措施，即护坦。•海漫：流出消力池（护坦）的水流，仍然存在一定的余能，有可能冲刷河床，因此应对消力池后的河床设置保护措施，即海漫。•防冲槽或防淘墙：为保护海漫，且缩短海漫长度，还可在海漫末端设置防冲槽或防淘墙。•因此，水闸消能防冲布置主要包含：消力池（护坦）、海漫、防冲槽或防淘墙。•消力池最好是采用矩形等宽断面，其宽度一般与闸室总宽一致。这种型式的池内单宽流量分布均匀，水流流态好，消能效果好。•为了适应下游河道地形，也可以做成扩散式，减少单宽流量。扩散段一般与急流斜坡段布置在一起，扩散角不超过7°。•此外，还有渐扩式消力池，突扩式消力池等形式。（五）护坦（1）护坦的作用•护坦位于消力池底部，是消力池的底板，保护消力池部位河床不受冲刷。•在消力池范围内，水流流态非常紊乱，底部流速大，压力脉动和流速脉动大，需要有相当坚固的结构保护河底。护坦就是保护河床不受水流冲刷，进而保证闸室安全的重要设施，即使是平底板消力池也需要用护坦护底。（2）护坦的材料•护坦一般为100#~150#混凝土。四、其他消能防冲设施（一）海漫（1）海漫的作用•海漫的作用就是要消除水流的余能，调整流速分布，均匀地扩散出池水流，使之与 天然河道的水流状态接近，以保护河床免受冲刷。（2）海漫的结构•海漫的结构应该具有一定的柔性的，能够适应地基的不均匀沉陷；•海漫应该是透水的，能够顺利地排出渗水，降低扬压力；•海漫表面应做成粗糙的，以加大与水流的摩擦，有利于消除余能和调整流速分布；•海漫一般做成等于或缓于1:10的斜坡，活做成水平段＋缓坡段；•海漫下面应设垫层，以利于适应河床地基变形。（4）海漫的构造•海漫的构造和抗冲（抗磨）能力应与其上通过的水流流速相适应。常用的构造形式有：（a）干砌石海漫（b）浆砌石海漫（二）防冲槽或防淘墙（1）防冲槽及防淘墙的作用•经过海漫后的水流，依然存在一定的能量，有可能冲刷河床，并冲毁海漫，甚至危及消力池安全；•如果要完全消除水流余能，需要很长的海漫，不经济。•因此，为了避免河床可能遭受的不利冲刷，保护海漫及消力池的安全，常常在海漫末端设置防冲槽或防淘墙。（2）防冲槽及防淘墙的型式•防冲槽内由一定粒径的块石填充而成，当海漫末端发生河床底部冲刷时，防冲槽内的块石会向下滚落，自动补充到被冲刷的河床上，防止冲刷进一步向上游发展，影响海漫的安全。•防冲槽的深度根据可能冲刷深度确定。防冲槽多采用宽浅式，顶宽10~17m，槽深1.5~2.0m。•防淘墙一般垂直插入基础土壤中，其底部高程应低于可能冲刷深度。•可能冲刷深度根据单宽流量、河床地质条件（河床土质允许不冲流速）、海漫末端河床水水深等因素确定。（三）辅助消能工辅助消能工的位置•一般设置在消力池内（消力池前端、中间或尾部）辅助消能工的作用•促成水跃•提高消能效果•减小消力池的长度和深度•降低尾坎高度。消能工的型式•最用的辅助消能工有：尾坎、趾墩、消力墩等。（1）尾坎（a）尾坎的位置•尾坎设置在消力池末端。（如图中的3）（b）尾坎的作用•①尾坎给予水流提供反力，缩短水跃长度。 •②加大消力池水位。•③改变池后水流流速分布。•④帮助水流扩散。（3）尾坎的型式•尾坎多采用连续坎，也有间断坎、齿坎。（4）尾坎的高度•尾坎高度为0.8~1.5m。（2）消力墩（a）消力墩的位置•消力墩一般布置在消力池的中部。（如图中的2）（b）消力墩的作用•给水流提供一个反力，从而消刹水流的能量，缩短水跃长度，降低共轭水深。•有利于水流扩散，消除消力池内的回流。（c）消力墩的布置•消力墩的高度：根据水流佛氏数和单宽流量经计算确定。•消力墩的间距：根据消能要求经计算确定，一般按间距等于消力墩宽度来布置。•消力墩的排数：一般布置一排；多排时一般交错布置。（d）消力墩的型式•消力墩的型式有矩形墩、棱柱形墩、梯形墩等。（3）趾墩（a）趾墩的位置•位于消力池始端，斜坡连接段的末端。（b）趾墩的作用•趾墩将闸下出流在一定高程处挑起，使得收缩断面的水深相对增加，减少共轭水流。•常用于下游水深过大的情况。（4）平台小坎（a）平台小坎的位置•小坎置于闸底板平台末端，斜坡连接段的上游处。（b）平台小坎的作用•出闸水流遭遇小坎时，水流向上挑起后，跌落入消力池潜入水中。当闸下水流佛氏数Fr<1.7时，小坎能够有效的完成水面衔接。因此，趾坎能够防止波状水跃的发生。•趾墩还有分散和扩散水流的作用，有利于避免出现折冲水流。（c）平台小坎的形状•小坎的断面形状一般为梯形。（四）翼墙和护坡（1）翼墙翼墙的作用•保护闸下两岸不受冲刷，并帮助水流均匀扩散。•（消力池段内的翼墙，一般称为边墙或导墙）翼墙的长度•一般不小于海漫的长度。（2）护坡护坡的作用 •保护翼墙以外的、下游一定长度的河岸边坡不受冲刷破坏。护坡的形式•主要有：浆砌石、干砌石、混凝土板。（三）闸门开启方式问题消能防冲设计与闸门的开启运行方式有关：•一方面，运行中闸门开启方式，应符合消能防冲设计的要求，避免因闸门开启不当导致出现下游冲刷破坏；•另一方面，在消能防冲设计时，应尽量减少对水闸的运行方式的限制。闸门开启一般应遵循以下原则：•（1）尽量采用对称均匀开启。•（2）逐级开启闸门，使下游河道涨水过程与闸门开度相适应，避免水流激增对下游的冲刷。•（3）隔孔对称开启，避免折冲水流•（4）对多孔水闸，应避免单孔全开的开启方式第五节闸下的防渗排水水闸的渗流特点（渗流对水闸的危害）一、水闸的地下轮廓布置（一）水闸主要防渗设施•包括：上游铺盖、板桩、闸底板和不透水护坦板等。•上游铺盖一般是都设置的；•是否设置板桩，取决于地基条件；•护坦是否起防渗作用，取决于闸基下游排水出口的位置。（二）水闸主要排水设施•包括：闸下排水层和排水孔。（三）地下轮廓线•闸基渗流场的第一根流线，称为地下轮廓线，如图中的红线。•地下轮廓线的形状，取决于防渗、排水设施的布置；•防渗、排水设施的布置，取决于地基条件。•地下轮廓线一旦确定，闸基底板扬压力（闸室稳定问题）、闸下地基渗透压力（地基渗透破坏问题）均随之确定。•因此，水闸的防渗排水设计，实质上是确定水闸地下轮廓线。• •（四）地下轮廓线的布置原则•地下轮廓线的布置总原则：“上堵下排”。•“上堵”主要指：在闸基靠近上游侧，以防渗为主，采取水平或垂直降渗措施，阻截渗水，消耗水头。•“下排”主要指：在防渗体的下游侧，以排水为主，尽快排除渗水，降低渗压。（五）不同地基条件下地下轮廓线的布置基本原则•当需要减小闸底渗透压力（闸底板扬压力）、以提高闸室抗滑稳定性为主要目的时（如粘性土地基），将水头尽量消耗在渗径上游部分，即：（a）延长上游铺盖和/或（b）尽量将板桩位置靠向上游，或（c）将排水的前端（起点）尽量向上游延伸。•当需要减小闸基地基内渗流渗透坡降、以防止发生渗透破坏为主要目的时（如砂性土地基）：除（a）延长铺盖外，（b）上游板桩位置宜合适，应避免板桩位置过于靠前导致上游段地基内渗透坡降过大（一般宜将板桩设置在闸底板前端）；同时，宜（b）将排水出口向下游方向后移（一般将排水出口设置在护坦前端或海漫前端），以增大下游段地基内渗流渗径，降低渗流的渗透坡降。1）粘性土地基（1）粘性土地基特点•（a）粘性土地基自身的渗透系数小，地基的渗透破坏临界坡降[J]较大，发生渗透破坏的可能性相对较小；•（b）地基与闸室底板之间的摩擦系f较小，在进行地下轮廓布置时，应该以降低闸底渗压、提高闸室稳定性为主。（2）粘性土地基防渗排水措施•尽可能将排水向上游延伸，减小闸底板渗透压力。如：将闸下排水的上游端延伸到闸底板，甚至延伸到整个底板，如图所示。•上游铺盖以防冲、抗浮为主，大多采用混凝土铺盖。•尽量不设置板桩。粘性地基在固结后，土体结构致密。如果设置板桩，则可能破坏粘性土的天然结构，在板桩与地基间形成集中渗流通道，反而不利于防渗。•为了降低铺盖底部的扬压力，有时也会在铺盖上游端设施板桩。•1—铺盖；2—板桩；3—护坦；4—海漫；5—排水及反滤层2）砂性土地基（1）砂性土地基特点 •砂性土闸基的特点是摩擦系数较大，有利于闸室抗滑稳定。•砂性土抵抗渗透变形的能力较差，渗透系数也较大，因此防渗设计时应以防止渗透变形和减少渗漏为主。（2）砂性土地基的防渗排水措施（a）当砂土层很厚、且为粗砂或砾石时（这是最常见的情况）•一般采用铺盖与闸底板上游端板桩或垂直防渗墙相结合的方式来增加渗径、减小渗透坡降。•由于板桩达不到不透水层时，因此称为悬挂式板桩。•排水一般设在护坦底部即可，如图所示，不必再向上游延伸。•1—铺盖；2—板桩；3—护坦；4—海漫；5—排水及反滤层上游采用防渗铺盖和板桩，闸下排水向上游延伸到护坦板的前端。闸下渗透坡降不大，护坦底部没有渗透压力，闸底渗透压力较小。此种布置，兼顾了避免闸基渗透坡降过大（渗透破坏）和闸底扬压力过大（闸室稳定）两方面。（b）当砂土层很厚、且为细砂时•由于细砂的临界渗透坡降更小，因此，应进一步增大渗流的渗径，降低闸下地基内的渗透坡降。除采用上述措施外，还可以：•在铺盖的上游端加设短板桩，在上游端延长渗径；•或将排水出口设置在护坦末端（海漫前端），在下游端延长渗径。•1—铺盖；2—板桩；3—护坦；4—海漫；5—排水及反滤层上游采用防渗铺盖和板桩，闸底板及护坦底部无排水，排水出口设置在护坦的末端或海漫的前端，海漫底部设排水层。此种布置，闸底板扬压力加大，但闸地基渗透坡降减小。（c）当砂土层较薄、且不透水层埋深不大时•当砂层较薄、不透水层埋深不大于水头的（1~1.5）倍时，最好是采用齿墙或板桩切断砂层，彻底切断闸下渗流通道。•这样，渗压、渗透变形、漏水等问题都可以得到较好解决。 •（d）当地基为粉细砂时•粉砂地基容易在动荷载作用下发生液化，应尽量将闸基四周用板桩封闭起来。•这时，由于下游侧增设了板桩，底板下渗透压力有所增加，应在上游侧适当加强防渗，以提高闸室的稳定性。（e）当地基为双层或多层地基时•对于上层为弱透水层而下层为强透水层的双层或多层地基，除根据上层地基情况采取防渗措施外，还是考虑承压水作用，验算上部覆盖层的抗渗、抗浮稳定性。•必要时可在消力池设深入强透水层的排水减压井。•二、防渗、排水设施（一）水平防渗•水平防渗的主要措施为：铺盖（粘土铺盖、混凝土铺盖、钢筋混凝土铺盖、土工膜铺盖）。（1）粘土铺盖•粘土铺盖应不透水，一般要求粘土的渗透系数比地基土壤的渗透系数小100倍以上。•粘土铺盖在与水闸底板上游面接触处紧密贴紧，不透水。•粘土铺盖厚度应满足铺盖土体本身的允许坡降，可变厚度。•粘土或壤土铺盖的表面应该设保护层，防止水流冲刷或其它破坏。•1—粘土；2—垫层；3—砌石防冲；4—闸底板前端；5—沥青填料（止水）（2）混凝土板（或钢筋混凝土板）铺盖•混凝土或钢筋混凝土铺盖的最小厚度不小于0.4m；•顺水流方向每隔8~20m设一道永久缝，以适应温变化度和不均匀沉陷。缝宽一般2~3cm。•在混凝土板铺盖与闸室底板连接处应设置止水。止水片的材料为紫铜片、塑料片。• 1—闸底板；2—止水；3—混凝土铺盖的垫层；4—闸底板垫层；5—钢筋混凝土铺盖的垫层；6—钢筋混凝土铺盖；（3）铺盖的长度•铺盖的长度根据闸基防渗需要确定，一般采用上下游最大水位差的3~5倍。•过度向上游延伸铺盖长度对降低闸基渗透坡降、减少扬压力作用不大，工程量却增加不小。因此，当铺度长度不能满足防渗要求时，可采用垂直铺盖、改变排水布置等措施解决问题。（三）水闸主要排水设施•包括：闸下排水层和排水孔。（1）排水层•闸下排水层一般采用透水性很好的卵石、砾石、碎石等材料平铺在闸下设计位置，以便顺利地排除渗水。•排水石料的粒径一般为1~2cm，在下部与地基面之间应设置反滤层。（2）排水孔•在护坦底部设有排水层时，常在护坦的后半部设排水孔。排水孔呈矩形或梅花形，孔径5~8cm，孔距1.0~1.5m。三、闸基渗流计算的基本方法•水闸渗流计算的目的：计算闸下渗透场的各渗透要素，如渗透压力分布、渗流出逸处的渗透坡降等。•在水闸渗流计算中，渗流量往往不是主要计算内容。•闸基渗流计算的方法主要有：流体力学法、水力学法和试验法。四、改进阻力系数法•改进阻力系数法计算精度较高，是《水闸设计规范》推荐采用的计算方法。（一）基本原理•将地下渗流通道沿程分作若干典型渗流段，根据渗流的连续性条件，首先计算出总的水头损失，然后计算各段的渗透水头损失和其它渗透要素。（1）典型渗流段的划分•根据对闸下渗流特性的分析，闸下渗流可以划分为3种典型渗流段形式：进出口段，内部垂直段，内部水平段。（二）典型渗流段阻力系数（1）进出口段阻力系数（三）地基有效深度（1）地基有效深度的概念•当实际的透水地基深度T0很深时，渗流场的下部流线弯曲，间距增大，渗流强度大为降低。如果仍采用实际的地基深度作为计算深度，将导致计算结果严重偏离实际情况，产生较大误差。•在阻力系数法计算中，一般采用某一适当深度作为计算深度T，来取代实际深度T0。这个深度称为地基有效深度Te。••直线比例法包括：勃莱法和莱因法（改进的直线比例法）（1）勃莱法•直线比例法由勃莱于1910年提出，该方法基于以下假定：假定渗透水压力沿地下轮廊线的水头损失是均匀的。（2）莱茵法 •直线比例法没有考虑不同渗流段的渗透特性。莱因在1934年根据实际资料分析认为：单位长度渗径上，水平渗径上消耗的水头是垂直渗径的1/3。基于此，提出了改进的直线比例法。七、侧向绕渗及防渗连接•在上下游水位差的情况下，渗流也可能从河岸两侧绕过翼墙渗透。两岸绕渗增大两岸翼墙的荷载，对两岸岸坡和翼墙稳定不利。•水闸侧向绕渗是一个三维无压渗流问题。计算分析时假设侧向渗流为层流，符合达西定律。具体计算方法可参考土石坝的渗流计算。•防止两岸绕流破坏的基本方法是降低渗透坡降，其基本措施是延长两岸绕渗“地下轮廓线”的长度。如，向上游延伸翼墙或导墙、设置侧向阻渗设施等。第六节闸室的布置和结构闸室是水闸的主体部分。闸室主要包括：底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥和交通桥等。一、底板•底板的作用：承受上部荷载，防止水流冲刷，延长闸下渗径。•底板的结构形式：平底板（即宽顶堰）、低堰底板、箱式底板、斜底板、反拱底板、钻孔灌注桩底板等其他型式。•平底板是闸室底板结构形式中最常见的一种。按其与闸墩的联接方式，分为：整体式、分离式。（一）底板结构型式（1）整体式平底板（a）型式•闸室底板与闸墩一起浇筑，在结构上形成一个整体，称为整体式底板。（b）特点•整体式底板能够将上部桥梁、设备及闸墩的重量传递给地基，使地基应力趋于均匀，且构造简单，施工方便。（c）适用条件•整体式平底板多用于地基条件较差的情况。（d）分缝•分缝的目的：适应温度变化和地基不均匀沉降。•分缝的方法：一般在1~3个闸室之间设一道永久变形缝，形成数孔一联的型式。•分缝的缝距：在岩基上，缝距不宜大于20m；在土基上，缝基不大于35m。•分缝的型式：墩中分缝和跨中分缝。•墩中分缝：变形缝设在闸墩中间，此时，闸室整体性更好。在发生不均匀沉陷时，仍然能够正常工作。设有变形缝的闸墩称为缝墩，缝墩一般较中墩厚些。•跨中分缝：在较坚硬地基土层上，变形缝可以设在闸室中间的底板上，以减小闸墩厚度和泄流前缘总宽度，也称板中分缝。板中分缝的闸孔单孔净宽不宜大于8m。（e）底板尺寸•底板顺水流长度：与水头（闸室稳定）、地基条件（稳定及地基应力分布）、上部结构布置等因素有关。初拟底板长度时：碎石和砾（卵）石地基：可取为（1.5~2.5）H； 砂土和砂壤土地基：可取（2.0~3.5）H；粉质壤土和壤土：可取（2.0~4.0）H；粘土：可取（2.5~4.5）H。•底板的厚度：平底板通常是等厚度的。底板厚度与地基条件、作用荷载及闸孔净宽等因素有关。初拟时，对于大、中型水闸，闸室平底板厚度可取闸孔净宽的1/8~1/6，约为1.0~2.0m，最小厚度不宜小于0.7m。•齿墙：在土基上，底板的上下游端常设有短齿墙，以便增加底板刚度、增大闸室稳定抗滑安全系数和闸下地下轮廓线的长度。齿墙深度0.5~1.0m。•底板的构造：当地基承载力允许时，常采用实体底板。当地基承力较差时，可以采用刚度大、重量轻的空心底板。（2）分离式平底板（a）型式分离式平底板的两侧设置分缝，•底板与闸墩分离。（b）特点•底板与闸墩在结构上互不传力，闸墩和上部设备的重量通过闸墩传到地基，底板只起防渗、防冲的作用。（c）适用条件•分离式底板适用于闸孔大于8m且坚实的地基或岩基。（d）构造•分离式底板的厚度只需要满足其自身的稳定要求，厚度较整体式底板薄。（3）钻孔灌注桩底板（a）型式•先在地基上钻孔，再在现场浇筑钢筋混凝土桩，然后在桩顶构筑承重台，在承重台上布置底板。（b）适用条件•主要适用于软基。•当软土层下卧的硬土层距离表面较浅时，可以使桩直接支撑在硬土层上，水闸的荷载通过钢筋混凝土桩传递到硬土层，称为承重桩。•当硬土层埋深较深时，桩只能插入软土层一定深度，荷载通过桩与周围土体的摩擦力来支撑，称为摩擦桩。（4）反拱底板（a）型式•底板向地基的一面做成拱形。（b）特点•地基反力在底板拱的作用下，板内弯矩减少，受力条件明显比平底板合理。（反拱底板可减少厚度40%~50%；减少钢筋用量，降低工程造价；底板受力条件较好。但施工条件较复杂，技术要求高，闸室内单宽流量不均匀，水力条件较差，对消能防冲不利。）（c）适用条件•多用于地基条件较差的情况，有时也用于地基较好的土基。 （d）底板地基反力分析•作用在反拱底板上的荷载有：上部结构重量、拱圈自重、水重、扬压力和地基反力等，其中地基反力的确定比较复杂。（二）整体式底板的荷载与计算方法（1）底板上的荷载水闸底板上的作用荷载包括：•水荷载•自重•闸墩及上部设备重量•地基反力•水荷载、自重、闸墩及上部设备重量等荷载计算简单；•地基反力计算则采用近似计算方法。（2）地基反力•水闸的底板紧贴地基，地基反力作用在底板上为分布力，其大小与其在外力作用下底板的变形性能相关。因此，地基反力与底板上的外部荷载、底板的结构性能、以及地基的土料特性有关。•底板是一个双向受力结构。设计计算时，将其简化为两个方向的、独立的受力结构考虑。•在纵向（顺水流方向），假设地基反力呈直线分布，按偏心受压公式计算。•在横向（垂直水流方向），假设地基反力和内力沿底板呈曲线分布。（3）底板计算方法•计算单元：一般沿水闸底板横向，在闸门的上、下游各取一条1m宽的板条作为计算单元，计算出板条上的内力，然后进行配筋。•计算方法主要有：反力直线法倒置梁法弹性地基梁法。（三）反力直线法（1）反力直线法假定•底板在顺水流方向（纵向）的地基反力分布按偏心受压公式计算。•底板在垂直水流方向（横向）的地基反力按均匀分布。（2）适用条件•反力直线法计算简单、方便。•对于相对密度Dr≥0.5的砂性地基，其受荷后内部应力会自动调整并接近于均匀分布，因此反力直线法的计算结果与实际情况比较接近。•对于其他地基，反力直线分布基本上不能反映实际情况。（四）倒置梁法（1）原理•将底板视作支座在上的一个倒着放置的梁，闸墩作为梁的支座，单孔闸视为简支梁，多孔闸视为连续梁。 •将地基反力作为作用在梁上的分布荷载，外力。•底板在顺水流方向（纵向）的地基反力分布按偏心受压公式计算。•底板在垂直水流方向（横向）的地基反力按均匀分布。（2）作用在梁上的荷载梁上的均布荷载q包括：q=q3+q4-q1-q2•q1为底板自重；•q2为闸室水重；•q3为闸底板上的扬压力；•q4为作用在底板上地基反力；（3）适用条件•此倒置梁法将地基反力视作外力，计算简单。•倒置梁法没有考虑底板变形，使得地基反力与实际情况有较大出入，因此，底板计算切条不满足平衡条件；即使底板配筋多，也不一定能保险。•倒置梁法主要用于地基条件良好的小型水闸的计算中。（五）弹性地基梁法弹性地基梁法是《水闸设计规范》规定的水闸底板计算方法。计算原理•将底板切条视为平卧在地表的一条弹性地基梁，在上部外荷作用下，底板与地基面共同变形。板条计算时，利用静力平衡条件（进行剪力分配）和变形相容条件（底板变形与地基沉陷一致），计算地基反力和板条内力。计算步骤•（a）作用在底板上的荷载•（b）计算底板平均地基反力•（c）确定切条上的不平衡剪力•（d）不平衡剪力的分配•（e）计算地基反力及梁的内力•（f）考虑边荷载的影响•（1）作用在底板上的荷载作用在底板切条上的荷载主要有：•集中力：分配给闸墩的不平衡剪力；闸墩重量G（包括闸墩上的永久设备）。•分布力：底板自重q1；闸室水重q2；扬压力q3；地基平均反力q4分配给底板的不平衡剪力.（2）计算底板平均地基反力（a）闸室纵向地基反力计算•将闸室作为一个整体，并假设纵向地基反力为直线分布，按偏心受压公式计算底板底面应力，作为地基纵向反力。（b）计算板条位置平均地基反力•取计算板条所在位置的纵向应力，作为作用在计算单元板条底板上的平均地基反力。（3）确定切条上的不平衡剪力•闸室底板上的纵向地基反力是均匀变化的。但是，水重在闸门处是突变的。荷载的突然变化使得单宽板条截面上的上述外力是不平衡的。 •此不平衡力由板条截面两侧上的剪力之差DQ＝Q1-Q2提供，DQ称为不平衡剪力。（4）不平衡剪力的分配•由上求得的不平衡剪力DQ由闸墩和闸底板共同承担，分别为DQ墩和DQ板，各自承担的数值可根据剪应力分布图面积按比例确定。（5）计算地基反力及梁的内力•在计算单元上的各荷载中:已知集中力包括：墩重（G1/b2或G2/b2）、分配给墩的不平衡剪力（DQ墩）；已知分布力包括：底板自重q1、水重q2、扬压力q3以及分配给底板的不平衡剪力（DQ板/L）。只有实际地基反力是未知的。•（6）计算边荷载的影响总结：•水闸平底板设计的目的是确定底板的内力，进而确定配筋方案。•按弹性地基梁法进行水闸平底板设计，关键是荷载的确定。•在所有荷载中，最关键的是：地基反力和不平衡剪力。•地基反力的实际分布是曲线的，但在确定不平衡剪力时，先按平均反力计算；在确定了不平衡剪力后，在按弹性地基梁理论来确定其实际曲线分布。二、闸墩（一）闸墩结构•闸墩的作用：分隔闸墩、支撑上部设备。•闸墩的长度：一般与闸底板顺水流方向一致。•闸墩的厚度：根据闸孔宽度、受力情况、闸门型式、结构构造要求和施工方法等条件确定。闸墩的形状：水闸闸墩的上游墩头多采用半圆形。下游墩头多采用流线形，有利于水流扩散。（二）闸墩整体应力计算（1）计算方法受力特点：闸墩是一个双向受力结构。除了受到自重等垂直荷载外，同时还受到纵向（顺流向）和横向（垂直流向）两个方向的水荷载作用。控制截面：闸墩不同高程截面上的应力不同，从上向下，以墩底应力最大，因此，将闸墩底部作为计算应力的控制截面。计算方法：将闸墩结构看作固结在底板上的悬臂梁，近似地按偏心受压公式计算闸墩应力，然后并据此配筋。（2）计算工况闸墩结构计算分运行工况和检修工况两种工况计算。（a）运行工况•闸门关闭：闸门关闭时，闸墩的作用荷载为水压力、自重和上部结构、设备重量。地震力作为校核情况考虑。•一孔全开、邻孔关闭或局部开启：闸墩需要验算纵、横双向受力的墩底边缘应力。 （b）检修工况•闸墩的一侧闸孔关闭检修、另一侧开门过水时，闸墩双向受力。四、胸墙•胸墙的结构分为：板式和板梁式。•板式胸墙和板梁式胸墙下缘的迎水面均做成圆弧形或椭圆形，有利水流顺利通过。（1）板式胸墙•板的结构形式与胸墙的施工方式有关。与闸墩共同浇筑的，为固结；预制吊装在预留竖槽的，为简支。•结构计算时取单位高度的水平板条进行。板式胸墙适用于挡水高度和闸孔宽度较小的水闸。（2）板梁式胸墙•板梁式胸墙由面板、顶梁和底梁三部分组成。面板的上下缘支撑在梁上，两侧支撑在闸墩上。梁支撑在刚度较大的闸墩上。当胸墙高度较大时，可在中间增加一根中梁。五、分缝和止水•凡具有防渗要求的缝，都应设止水设备。（1）止水的分类•止水分铅直止水和水平止水两种。（2）止水的型式•止水一般采用一道塑料或橡胶止水；•重要的大型水闸，应设两道止水，其中第一道采用紫铜片。（3）止水的构造•详见教材P382～383六、工作桥和交通桥•工作桥是为安装启闭机和便于工作人员操作而设于闸墩上的桥。•交通桥的作用是连接两岸交通。交通桥通常布置在闸室下游，可以降低桥面高程。当闸门操作系统在下游时，也可以把交通桥布置在闸室上游。第七节闸室稳定分析、沉降分析和地基处理一、作用在闸室上的荷载有：自重水压力波浪压力土压力泥沙压力冰压力地震荷载等。（2）水压力水压力分为：水平水压力和垂直水压力。（a）上游铺盖为粘性土材料时，闸室的水平水压力为：铺盖以上闸室水平水压力为静水压力。铺盖底部的压力强度为该点的渗透压力强度。铺盖与底板接触面上，假定水头损失是均匀的，因此，底板前端水平水压力分布为“上大下小”的形状。（c）齿墙内侧水平水压力底板上下游齿墙内侧的水平水压力也为该处的扬压力强度。（d）垂直水压力 垂直水压力为闸室内水重。（3）扬压力参见水闸闸基渗透计算。（4）浪压力、冰压力、地震荷载按重力坝中介绍的方法计算。二、闸室抗滑稳定计算（1）计算公式水闸的失稳，主要表现为沿底板或沿齿墙间土层的浅层滑动。（a）沿底板与地基间滑动Kc为抗滑稳定安全系数。抗滑稳定安全系数要求满足：Kc≥[Kc][Kc]为闸室允许安全系数，（3）提高闸室抗滑稳定的工程措施（a）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。（增加åW）（b）改变闸室结构尺寸，增加自身重量。★增加底板厚度时，由于其位于水下，受到水的浮力，有效重量小，不经济。★增加闸墩厚度时，虽然增加了自重，但同时也增加了闸室前缘宽度和挡水面积，因而也同时增加了水平推力。★增加闸室顺水流长度，可以同时增加水重和结构总重（增加åW），也可增大了底板抗滑面积（增加A），是较有效的措施之一。（c）加深底板上、下游端的齿墙深度，既可以利用底板以下的地基土的重量（增加åW），也可增加水平抗力（减小åP）。但是，应注意齿墙的强度和刚度。所以，齿墙不宜过长过深。（d）变闸下防渗排水措施，降低闸底板的扬压力（减小向上的åU，实际上增大åW）。（e）设置钢筋混凝土拉锚铺盖作为阻滑板。利用铺盖的自重（增加åW）、铺盖上的水重（增加åW）、铺盖与地基之间的摩擦力（减小åP）等增加闸室稳定性。（f）增设钢筋混凝土抗滑桩（减小åP）或预应力锚固（增加åW）结构。三、地基基底应力计算 四、抗浮计算闸室在检修时，特别是上、下游同时设置检修闸门且下游水位较高时，应该对闸室进行抗浮稳定计算。闸室检修多选择在枯水期进行，其抗浮计算的上游水位为正常高水位。下游水位根据检修周期选择相应重现期的枯水期洪水流量确定。检修工况的荷载组合中，不应计算移动设备的重量。采用平板工作闸门的闸室，考虑闸门吊 出移走时的情况。五、沉降计算当地基承载力不够或计算最大沉降量超过允许值时，可以采用一定工程措施：★改变结构型式(采用轻型结构或静定结构)，加强结构刚度；★增大基础面积和埋置深度；★采用沉降缝；★进行必要的地基处理；★选择合适的施工程序，尽量减少相邻建筑物或填土的重量。•第八节两岸连接建筑物一、联接建筑物的型式•水闸闸室的两端与两侧河岸相连接。当河道较宽时，其余部分布置土坝等挡水建筑物。•水闸与河岸或土坝之间需要设置专门的连接建筑物，包括边墩、翼墙、导墙（堤）、岸墙等，以利于两岸边坡的稳定，使水流平顺地通过闸室。二、翼墙翼墙包括：上游翼墙和下游翼墙。（一）翼墙的作用（1）上游翼墙的作用•引导水流平顺地进入闸室•挡住两侧回填土；•防止水流从两侧绕渗形成渗流， •保护不受进闸水流冲刷。（2）下游翼墙的作用•保证下泄水流与上、下游平顺连接。（二）翼墙的型式（1）角墙式翼墙•角墙由两段相互正交的垂直墙体组成，转角处用半径不大的圆弧段连接。•上、下游顺水流段长度分别满足防渗和防冲要求，垂直水流段插入岸坡内。•角墙式翼墙防止侧向绕渗的效果好，但工程量大，进闸水流收缩条件不好。（3）圆弧式翼墙•从边墩分别向上、下游用铅直的圆弧形翼墙与两岸连接，适用于上下游水位差及单宽流量较大的大、中型水闸。•上游圆弧半径为15~30m，下游半径为30~40m。三、挡土墙•翼墙的墙后多为回填土。当翼墙墙后的回填土坡度较陡，陡至不能自身维持稳定时，翼墙同时要起挡土墙的作用。•挡土墙的结构型式有重力式、悬臂式、扶壁式、空箱式等。（1）重力式挡土墙•重力式挡土墙一般采用浆砌石或混凝土材料。•重力式挡墙形式简单，施工方便。一般用于边墩岸墙或翼墙高度小于4~6m。•重力式挡土墙在土压力等荷载下应该满足抗滑、抗倾和地基承载力要求。（2）悬臂式和扶壁式挡土墙•悬臂式挡土墙由钢筋混凝土直墙和底板组成，施工简单。悬臂式挡土墙依靠墙后的土重维持稳定，可降低基底应力，一般适用于高6~10m的情况。第十一章岸边溢洪道第一节概述一、功用泄放超过水库调蓄能力的洪水，满足防洪调节和放空水库等要求，确保大坝安全。二、泄水建筑物的基本型式•河床泄水建筑物：泄水建筑物与挡水建筑物相结合，位于河床中，如：☞溢流坝（表孔）☞中孔泄洪孔☞深式泄水孔☞坝下涵管，等•岸边泄水建筑物：泄水建筑物与挡水建筑物分开，一般位于坝外岸边，如：☞岸边溢洪道☞泄水隧洞，等岸边溢洪道，简称溢洪道，常布置在拦河坝两侧的河岸或拦河坝上游水库库岸的适宜地形处。（一）溢洪道的特点（1）一般为开敞式，超泄能力强；•与水头H的3/2次方成正比（超泄能力大，有利于防止洪水漫坝）。•也有加设胸墙的。（2）可采用闸门控制，便于调洪；•中、小型工程也可考虑不设闸门。 （3）溢洪道检查方便，运用安全可靠，可充分利用地形，减少开挖的土石方量，所以应用很广。（二）溢洪道的分类（1）按作用划分•按溢洪道的作用，可划分为：正常溢洪道、非常溢洪道。•正常溢洪道的作用是：宣泄设计标准或校核标准情况下的洪水；•非常溢洪道的作用是：在特殊情况下，为保坝而宣泄超过正常溢洪道泄洪能力的洪水。四、岸边溢洪道的适用条件岸边溢洪道广泛应用于以下几种情况：（1）不适宜坝身过水的坝型•如：土石坝枢纽、堆石坝枢纽、轻型支墩坝枢纽，等；（2）河谷狭窄且要求泄量很大的水利枢纽•此时，在坝身布置泄水建筑物在结构上很困难。（3）其他条件的影响•泄洪要求的前缘宽度大于坝轴线长度时；•为满足布置坝后式水电站厂房的需要；•坝外布置溢洪道技术经济条件更为有利时；•如果河岸一侧在地形上有天然垭口，高程恰当，地质上又有抗冲性能好的岩基，最适宜设坝外溢洪道。•第二节正槽式溢洪道•正槽溢洪道的基本特征：溢洪道的泄槽与溢流堰轴线正交，过堰水流与泄槽轴线方向一致。•正槽溢洪道的优点：结构和水流条件简单，施工和运用方便，因而得到广泛采用。•正槽溢洪道的缺点：开挖方量一般较大，所以确定泄槽轴线及底板线时应充分考虑地形的影响。一、引水渠（一）引水渠的作用•使水流平顺地由水库进入控制段，改善进流流态，提高泄洪能力。（二）引水渠的型式•（1）当溢流堰距水库较远时，需在溢流堰前开挖较长的引水渠，将库水平顺地引入溢流堰。•（2）当溢流堰紧靠水库时，只需要较短的引水渠。（三）引水渠的泄流能力•正槽式溢洪道的泄流能力，取决于溢流堰的形式、尺寸以以及堰顶水头。•为了提高溢洪道的泄流能力，引水渠中的水流应平顺、均匀，并在合理开挖方量下减小渠中水流流速，以减少水头损失。（四）引水渠的渠底•引水渠的渠底，视地形条件可做成平底或坡度不大的逆坡。•渠底是否衬砌，应根据水流流速、渠底地质条件等因素确定。二、控制段•控制段是控制溢洪道泄流能力的关键部位。 •按水力特征，可以将控制段分为两种型式：堰式控制段和渠式控制段。•堰式控制段：水流的控制建筑物为实用堰或其它形式的堰，是溢洪道中最常用的方式。•渠式控制段：不用溢流堰控制水流，直接采用明渠。其优点是：施工简单；其缺点是：不设闸门，水流不易控制，泄流能力难以得到保证。一般适用于明渠较长、且较为平缓的小型工程中。（一）溢流堰的型式溢洪道的型式：宽顶堰、实用堰、驼峰堰等。（1）宽顶堰•宽顶堰是一种顶部宽平、堰高很小的溢流堰，其结构简单，施工方便，但流量系数较低（约为0.32～0.385）。•由于宽顶堰荷载小，对承载力较差的土基适应能力强，因此在泄量不大或附近地形较平缓的中小型工程中应用较广。三、泄槽段•泄槽内水流处于急流状态，由急流产生的高速水流对边界条件特别敏感，因此，泄槽的设计，必须特别注意高速水流问题。☞当泄槽中水流的佛氏数大于2时，可能产生波动和掺气现象；☞当平均流速达到15m/s左右时，易产生空穴和空蚀现象；☞若高速水流的边墙发生转折（如转弯等），将影响水的流向，产生冲击波。（一）泄槽的平面布置及纵横剖面（1）平面布置•泄槽常见的平面布置形式为：溢流堰－收缩段－等宽泄槽－出口扩散段。•设收缩段的目的在于节省泄槽土石方开挖量和衬砌工程量；•设出口扩散段的目的在于减小出口单宽流量，有利于下游消能和减轻水流对下游河道的冲刷。•泄槽在平面上应尽可能采取直线、等宽、对称布置，从而使水流平顺、结构简单、施工方便。（四）泄槽的衬砌结构•泄槽衬砌的作用：防止冲刷，保护岩石免受风化，防止高速水流钻入基岩裂隙后导致岩石掀起，维持溢洪道泄水的稳定正常运行。•泄槽衬砌的要求：☞具有足够的强度和稳定性；☞表面应光滑平整，减免产生负压及空化的可能性；☞在高流速条件下衬砌材料应有抗冲和抗蚀性能；☞建于寒冷地区的泄槽，还应有必要的抗冻能力。•泄槽衬砌的荷载：作用于衬砌的荷载有自重、时均动水压力、脉动压力、水流拖曳力和扬压力等，动水压力是可能导致衬砌破坏的最重要因素。四、消能防冲段及尾水渠（1）消能•在较好的岩基上，一般多采用挑流消能。•当溢洪道在土基或破碎软弱岩基上，或水头不足以形成较远的安全挑距，或溢洪道靠近拦河坝（特别是土石坝），挑射冲刷坑发展将危及坝脚或溢洪道本身安全时，一般采用底流消能。•溢洪道出口消能的设计可参考溢流重力坝及水闸中的有关论述。（2）尾水渠 •当溢洪道下泄水流经消能后不能直接泄入河道而造成危害时，需要布置一段尾水渠。尾水渠要求短、直、平顺，底坡尽量顺应下游河势，以使出口水流能顺畅平稳地归入原河道。•第三节其他形式的溢洪道一、侧槽式溢洪道•溢洪道的布置应尽可能选择正槽式溢洪道。•当拦河坝难以本身溢流，且两岸陡峭，布置正槽式溢洪道开挖量过大时，可考虑布置侧槽式溢洪道。•侧槽溢洪道的适用范围：☞坝址山头较高，落差过大，且岸坡较陡时；☞岩石坚固，不易开挖。（一）侧槽溢洪道的特点•溢流堰大致沿河岸等高线布置，水流经过溢流堰，泄入与堰轴线大致平行的侧槽后，在槽内约转90°，然后经泄水陡槽或隧洞泄向下游。（2）侧槽（a）侧槽的主要水力特性•侧槽的主要水力特性是侧向进流、纵向泄流。二、井式溢洪道•在狭谷中筑坝，岸坡较陡，修建正槽溢洪道或侧槽溢洪道都有困难时，若地质条件良好，在坝上游附近又有适宜的地形可布置喇叭口溢流堰进口，可考虑采用井式溢洪道；•高水头水利枢纽有必要设置坝外溢洪道时，采用井式溢洪道也可能是有利的选择，但须建于坚固岩基中。井式溢洪道的优点：☞可根据地形条件和运用条件，减少开挖量。井式溢洪道的缺点：☞当水位上升时，喇叭口溢流堰顶淹没后，泄流方式由堰流转变为孔流，所以井式溢洪道的超泄能力较低。☞当流量小于设计流量时，原设计为孔流工况的直井和隧洞，其内水流连续性遭到破坏，水流变得不稳定，将出现负压，易发生振动和空蚀。合理设计：做到泄小流量时汇交点不致于降到弯段以下，泄大量流时汇交点不致于壅高到影响环形堰的自由出流。即进水为自由堰流，出水为有压管流。适用的水头范围：100~200ｍ。　改善井式溢洪道中水流条件的工程措施：一般设通过气孔于井周，总断面积占可采用井断面积的１０％～１５％。　井口设置消涡墙或导流墩等。虹吸式溢洪道的优点：☞不用闸门；☞能自动形成虹吸作用，管理简单；☞能比较灵敏地调节上游水位。 虹吸式溢洪道的缺点：☞构造比较复杂，进口易被堵塞；☞管内检修不便；☞水力学条件比较复杂，易发生空穴，引起混凝土空蚀；☞洪水位上升时，泄水量增加较少，因此运用受到限制。•第四节非常溢洪道一、非常溢洪道的作用•水库可能承受大于校核洪水的更大洪水。为保障大坝安全，如在设计中加大正常溢洪道的尺寸，将很不经济。因此，常常设置非常溢洪道。二、开敞式的非常溢洪道　开敞式的非常溢洪道应建在库岸有通往天然河道的垭口处，或平缓的岸坡上。•尽量将正常溢洪道和非常溢洪道分开布置，以降低总造价。•溢流堰顶高程要比正常溢洪道的高，一般不设闸门。•由于非常溢洪道的运用频率很低，因而结构可做简单些。•在宣泄特大洪水时，可允许有局部损坏。三、自溃式非常溢洪道•自溃式非常溢洪道由自溃堤（坝）以及堤（坝）下溢流堰（或底坎）和泄槽等组成。•一般水位时，自溃堤可以拦蓄洪水。•当库水位超过一定高程后，水流漫溢自动冲开自溃堤（土石坝）泄洪。•自溃式非常溢洪道结构简单，造价低廉，施工方便，但必须有比较灵活的措施，以便及时溃坝，渲泄洪水。•按土堤自溃方式的不同，常用的有漫顶自溃式和引冲自溃式两种。（1）漫顶自溃式非常溢洪道•漫顶自溃式非常溢洪道是指水位自动漫过自溃坝坝顶时，洪水自动冲毁自溃坝形成溢洪通道。•其坝坡和地基必须在防渗和稳定方面满足永久性建筑物的要求。•漫顶自溃式非常溢洪道的自溃土坝溃决很快，因此土坝的高度应受到一定的限制。•当溢流前缘较长时，可建隔墙把自溃堤分隔成几段，各段的坝顶高程略有差异，并将溃决泄洪的时间错开，可以减小突然下泄的洪水流量。•自溃式非常溢洪道可以位于天然垭口，利用天然沟谷作为渲泄洪水的出路；•也可以位于主坝的坝端，此时须安排必要的出路，并注意避免洪水冲毁坝脚和其他建筑物，必要时应做好防冲准备。•第五节溢洪道的布置和形式选择（1）地形条件•地形条件关乎溢洪道开挖量。•当坝址附近有马鞍形垭口，垭口高程接近于水库正常高水位；•垭口下游有山沟，能使下泄洪水很快回归河槽；•对两岸高陡山坡，可考虑采用侧槽溢洪道；•对过于陡峭的河岸，可考虑采用通过隧洞泄洪的侧槽溢洪道或井式溢洪道。（2）地质条件•地质条件关乎溢洪道的稳定性。•近岸坡应稳定，避免布置在大断层和滑坡体等条件很差的地方。•地基最好修建在稳定的基岩上； •在非岩基上，可修筑正槽溢洪道。（3）枢纽总体布置•溢洪道进口应位于水流顺畅处；•进口应远离土坝坝体，避免横向水流冲刷上游坝坡；•溢洪道下游出口应远离坝脚及其它建筑物；•泄洪水位波动应不影响水电站或通航建筑物等的正常运行；•应设置为开敞式溢洪道，以便增大超泄能力；•施工布置上应考虑出渣路线及堆渣场所以及渣料的合理利用，应相互协调，避免干扰。第十二章水工闸门一、闸门的作用和组成•闸门：封闭水工建筑物孔口的活动结构。•作用：挡水；通过开启或局部开启孔口调节下泄流量控制上游水位；放运船只；排沙等。•组成:(1)活动部件；(2)埋固构件；(3)启闭设备。•(1)活动部分称为门叶，用来封闭和开启孔口的挡水结构。由面板、构架、支承行走部件、吊具、止水部件等组成。•（2）埋固构件是预埋在孔口周围土建结构内的构件。它将门叶所受的水压力等荷载传给土建结构。•组成有：支承行走埋设件、止水埋设件、护砌埋设件。•（3）启闭设备是控制门叶在孔口中位置的操纵机构。•组成：动力装置、制动装置、连续装置等。二、闸门的分类1、按工作性质分：（1）工作闸门；（2）事故闸门；（3）检修闸门。（1）工作闸门为承担主要工作任务且能在动水中启闭的闸门。（2）事故闸门是在闸门的下游（或上游）发生事故时，能在动水中关闭的闸门。当需快速关闭，又称快速闸门。（3）检修闸门为在相应的水工建筑物和机械设备等检修时用于挡水的闸门，它只能在静水中启闭。2、按闸门的构造分：（1)叠梁门：单个梁逐根门槽内挡水。（2）平面闸门：挡水面为平面，通过在孔口上下移动挡水或开启孔口。（3）转动式门：通过门叶转动实现挡水和开启孔口的闸门。（4）浮箱闸门：门体为空箱，可在浮动。冲水下沉挡水，充气浮起。（5）弧形闸门：启门时闸门绕支绞转动。（6）扇形闸门：形似弧形闸门，但有封闭的顶板，半绞支于底坎上。利用向门下空腔充水使闸门上升挡水，水排出空腔后即落门泄水。（7）屋顶闸门：是一种借助水力自动启闭的浮体闸门。（8）圆筒闸门：为一直圆筒，位于竖井内封堵环列孔口。3、根据布置特点分（1）露顶式闸门（表孔式）；（2）潜孔闸门，工作水头较大者为深孔闸门。 三、闸门布置的一般原则布置原则：布置在水流平顺的部位，尽量避免门前出现横向水流、门后淹没出流和回流等。以免闸门振动门槽气蚀等。闸门选型考虑：（1）水利枢纽对闸门运行的要求；（2）闸门在水工建筑物中的位置、孔口尺寸、上下游水位和操作水头；（3）泥沙和漂浮物情况；（4）启闭机型式、启闭力和挂脱钩方式；（5）制造、运输、安装、维修和材料供应等条件；（6）技术经济指标等。二、平面钢闸门门叶结构及布置门叶结构：面板、梁格、横向和纵向连接系、行走机构以及止水等部件组成。面板：闸门挡水部分。梁格：用来支承面板，将面板传来的水压力传给行走支承。行走支承：保证门叶结构移动时的灵活性，将闸门所承受的水压力传到埋设在门槽的行走埋设件上。止水部件：堵塞闸门门叶与止水埋件之间间隙，防止或减少闸门漏水。闸门尺寸：由孔口尺寸确定，门顶高程比最高挡水位高0.3m以上。2、启闭设备常用设备螺杆式、卷扬式和液压式。（1）螺杆式利用螺母旋转驱使螺杆升降启闭闸门。用于小型闸门。（2）卷扬式利用电力设备驱动缠绕钢丝绳的卷筒转动，从而放起或回收钢丝绳使闸门升降。可用于较大闸门。（3）液压式用液压启闭机启闭。启闭力大，能集中操作并便于自动化操作。广泛应用。第三节弧形闸门一、弧形钢闸门门叶结构及布置由面板、梁格、横向和纵向连接系、支臂以及止水等组成的具有弧形表面的结构，可以绕以固定点转动。与平面闸门不同的是行走支承，它采用支臂而不是滑块或滑轮。布置闸门的旋转中心与弧形挡水面板的圆心相重合，作用在圆弧面板上的水压力的合力总是通过旋转中心。因此启闭力较小。1、主梁布置有主横梁式和主纵梁式结构两种。（1）主横梁式：用于宽高比较大的弧形闸门；（2）主纵梁式：用于宽高比较小的弧形闸门。第十二章水工隧洞一、水工隧洞的功能和类型 （1）定义为满足水利水电枢纽综合利用水资源的要求，在地层中开凿的一种水流通道，称为水工隧洞。（2）按功能分类☞泄水隧洞：作为主要泄洪建筑物宣泄洪水,或配合溢洪道宣泄洪水。☞引水隧洞（输水隧洞）：发电、灌溉、供水等的引水和输水。☞通航隧洞：通航。☞排沙隧洞：排泄水库泥沙。☞放空隧洞：放空水库。☞导流隧洞：水利水电枢纽施工期导流。二、水工隧洞的工作特点（1）结构方面•水工隧洞是一种地下建筑物，其结构性状与围岩密切相关。•支护与衬砌。开挖隧洞将改变围岩原来的应力平衡状态，引起孔洞附近围岩应力重新分布，并产生变形。特别是在软弱的岩层部位和进出口附近，还可能发生塌方。因此，常设置临时性支护和永久性衬砌以承受因围岩变形而出现的山岩压力等荷载。（2）泄洪方面•超载能力小：隧洞的进口常处于水下，与开敝式溢洪道的表孔相比，水头增加时泄量相对增加较小，超泄能力较小；•可提前泄水。•高速水流问题。在高速水流作用下，有可能形成局部负压、产生空蚀、引起洞身振动和破坏的可能性。•消能问题。泄水隧洞出口水流的流速高、单宽流量大，应有专门的消能防冲设施。（3）施工方面•施工干扰大：隧洞的断面较小，洞线较长，施工工序较多，施工场地狭窄，作业干扰较大；•改扩建困难：地下施工，发生事故的可能性较大，改建和加固比较困难。•特殊要求：高水头泄水隧洞对施工质量要求较高；导流隧洞的施工速度要求往往较快。•第二节水工隧洞的布置及线路选择一、总体布置及其程序•基本步骤：进口位置及型式——出口位置及型式——隧洞洞身线路布置——多方案比较。（1）进口布置：☞根据枢纽任务，确定隧洞的功用；☞确定是专洞专用?还是一洞多用?☞结合地形、地质、水流、运用等条件，拟定隧洞进口位置、高程及相应的布置；☞根据地形、地质等条件选择进口段的结构型式，确定闸门在隧洞中的布置；（2）出口布置：☞根据地形、地质、尾水位和施工条件等确定出口位置和底板高程；☞选用适宜的消能方式；（3）洞身布置： ☞进行洞身线路选择和布置；☞确定洞身的纵向底坡和横断面的形状、尺寸；☞分段拟定隧洞衬砌和临时支护结构型式；（4）多方案比较：☞对隧洞工程多个布置方案的水流条件、技术经济性、安全运行与施工条件等进行综合分析、比较，选定最优总体布置。二、进口及纵剖面布置（1）隧洞进口剖面体型纵剖面体型可分为：•①平/斜直线型；②陡槽型；③龙抬头型；④龙落尾型；•⑤竖井型。☞对仅用于泄洪的隧洞，进口不必太低（以减轻进口建筑物和闸门及启闭机的压力），因而可采用平/斜直线型或陡槽型；☞对泄水隧洞与导流隧洞相结合的隧洞，导流洞进口要求较低，因而可采用龙抬头型；☞对水库有排沙要求的隧洞，可与导流隧洞结合，共用一个进口，采用进口较低的平/斜直线型。三、闸门在隧洞中的布置•在泄水隧洞中一般需要设置两道闸门：工作闸门（用来调节流量或封闭孔口），检修闸门（当工作闸门或隧洞发生事故与老化、局部破坏时用来挡水检修）。•检修闸门一般设在进口。•工作闸门可以布置在进口、出口或隧洞中的某一适宜位置。（1）闸门布置在进口•工作闸门布置在进口的隧洞，一般为无压洞。•优点：工作闸门和检修闸门都在首部，运用管理方便；洞内不受压力水流作用；易于检查维修。•缺点：如体形设计不当或施工质量不良，在高速水流作用下容易产生空蚀破坏。（3）闸门布置在洞身遇下述情况，可将工作闸门布置在洞内某一适宜位置。•（1）由于地形、地质、施工和枢纽布置上的原因，隧洞线路需要转弯，为了满足水流条件的要求，应将工作闸门布置在转弯后的直线段上；•（2）洞内较出口处的地质条件好，工作闸门布置在洞内可以利用岩体承受闸门传来的水推力。•工作闸门布置在洞身时，闸门前为有压段，闸门后为无压段。四、泄水隧洞的线路选择•（1）在平面布置上：力求短而直。不能保持直线时，应以大半径的曲线相连接。•（2）洞身地质条件要求：洞线宜选在沿线地质构造简单、岩体坚硬完整、具有足够的上覆岩层厚度、地下水微弱和围岩稳定的地段，以减小作用于衬砌上的山岩压力和外水压力。•（3）进出口地质条件要求：进出口应选在覆盖层或风化层浅、岩石比较坚固完整的陡坡地段，避开有严重的顺坡卸荷裂隙、危岩和滑坡地带。•（4）出口地形条件要求：泄水隧洞的出口方向要与下游河道顺畅衔接，以减轻对岸边的冲刷。一、进口建筑物的型式（一）竖井式 •定义：竖井式是在隧洞进口部位的山体中开挖竖井，井的底部装置闸门，顶部设置操纵室和启闭机的一种进水口布置型式。•优点：☞结构简单，全部埋在山体中，抗震及稳定性较好，比较安全可靠；☞进口明挖少，对边坡要求不高；☞在地形、地质条件合适时，工程量小，造价也较低。•缺点：☞竖井之前的隧洞不便检修；☞有时竖井开挖也较困难。（二）塔式•定义：塔式是在山坡前的水库中建造封闭式塔或框架式塔，塔顶设置操纵室和启闭机的一种进水口布置型式。•适用条件：塔式进水口适用于岸坡较平缓，边坡破碎，覆盖层厚，不宜于大量开挖，即不宜采用在岸坡或岩体内布置建筑物的情况。•优点：☞闸门关闭时，可对整个隧洞进行检修；☞可在不同高程设置进水口，进行分层取水。•缺点：☞远离岸边，工作桥长；☞塔身段较高，抗震性和稳定性差。（三）岸塔式•定义：岸塔式是在隧洞进口紧贴岸坡修建封闭式或框架式塔，其下部紧靠岸坡的一种进水口布置型式。•适用条件：适用于岸坡较陡、岩石比较坚固稳定的地区。•优点：稳定性好，还可以对岩坡起一定的支撑作用；施工、安装方便，工作桥短（有时甚至不需要工作桥）。二、进口建筑物的组成及构造（一）渐变段•渐变段的作用：使水流平顺，减少水头损失。•渐变段的型式：闸门前的渐变段一般做成喇叭口段。•闸门前的渐变段：喇叭口自进口最前端矩形断面处开始，在顶上和两侧沿水流方向以圆弧曲线或椭圆曲线逐渐收缩，直至与闸门井的矩形断面相接，底边仍采用平底。•闸门后的渐变段：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。（二）通气孔•通气孔是向闸门后通气的一种孔道。（1）通气孔的作用•在闸门开启过程中，特别是当闸门局部启闭时，高速水流会带走门后的空气而产生负压，可能引起门槽或门后的洞壁和洞顶发生空蚀，以及气流引起闸门振动。设置通气孔后，既可避免这种现象，又可减弱水流的波动。 •下放检修闸门进行洞内检修时，也可以用它来对洞内进行补气。检修完毕后，检修闸门提升前，常在检修门与工作闸门之间充水平压，以减少检修闸门的启门力，这时通气孔也可起到排气作用。（三）平压管•平压管的位置：平压管是设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。•平压管的作用：当隧洞检修完毕后，放下工作部门，通过平压管向两个闸门之间充水，使检修闸门前后的水压力相等，检修闸门在静水中提升，可以有效地减少检修闸门的启门力。•平压管的大小：平压管的大小需根据灌满两闸门间的空间所需要的时间来确定，一般常不超过8小时。一、洞身断面的型式（1）对有压隧洞：应尽量采用圆形断面，也可采用马蹄形断面。（2）对无压隧洞：宜采用圆拱直墙断面，也称门洞形断面。（3）对长隧洞：可采用多种断面形状和衬砌型式，但种类不宜过多。二、洞身断面的尺寸•隧洞的断面尺寸，通过水力计算及水工模型试验确定。•有压隧洞水力计算的主要内容是核算泄流能力及沿程压坡线。为了保证洞内水流处于有压流态，一般要求洞顶应有2m以上的水压力余幅。•无压隧洞主要是计算泄流能力和洞内水面线。为了保证洞内为稳定的明流状态，水面线以上应有一定的净空（掺气水面以上的净空约为洞身断面面积的15~25%）。•对流速较高的泄水隧洞，还要研究由于高速水流引起的掺气、空蚀及冲击波等问题。•在确定隧洞断面尺寸时，还应考虑到洞内施工和检查维修方面的需要，一般非圆形断面不宜小于1.5×1.8m，圆形断面的内径不小于1.8m。三、洞身衬砌（一）衬砌的作用•洞身衬砌的作用是多方面的，包括：☞承受围岩压力及其它荷载，或加固围岩共同承担荷载，保持隧洞安全和围岩稳定；☞平整围岩表面，减少糙率，提高输水能力；☞防止渗漏；☞防止水流、空气、温度和干湿变化等对围岩的冲刷和破坏作用。（二）衬砌的类型•衬砌的类型主要有：护面衬砌（也称平整衬砌或抹平衬砌）、单层衬砌、组合式衬砌、预应力衬砌等。（1）护面衬砌•也称平整衬砌或抹平衬砌，用混凝土、喷浆、砌石等做成。•它不承受荷载，只起防止渗漏和减小糙率的作用。•适用于岩体较好，水头较低的情况。（3）组合式衬砌•内层为钢板、钢筋网喷砂浆，外层为混凝土或钢筋混凝土（图g）；•顶拱为混凝土，边墙为浆砌石（图h）； •顶拱为锚喷，边墙和底板为混凝土或钢筋混凝土（图i，j）；•在稳定性较差的岩体中开挖隧洞，先采用锚喷支护，再作混凝土或钢筋混凝土衬砌是一种很好的组合型式。（三）衬砌型式的选择（1）对有压圆形隧洞•一般以采用混凝土、钢筋混凝土单层衬砌最为普遍。（2）对无压泄洪隧洞•常采用城门洞形断面、整体式单层钢筋混凝土衬砌。（3）不衬砌的隧洞•如地质条件较好，开挖时无需支撑，且岩石不易风化和渗漏时，有些导流隧洞可以不做衬砌。•在水流及其它因素长期作用下，岩石不致遭受破坏的引水隧洞，也可以考虑不衬砌。•发电引水隧洞如不加衬砌，由于水头损失加大和漏水等原因，将长期损失电能。因此，一般需要进行衬砌。•对于高流速的泄水隧洞，一般都要进行衬砌。（四）衬砌分缝•施工缝：由于混凝土水化热的作用、施工能力的限制等因素的影响，衬砌中应设置横向及纵向施工缝。•伸缩缝：为防止混凝土干缩和温度应力而产生裂缝，沿洞轴线应设置横向伸缩缝。•沉降缝：隧洞通过断层破碎带或软弱带，衬砌需要加厚。当破碎带较宽，为防止因不均匀沉陷而开裂，在衬砌厚度突变处，应设沉陷缝。此外，在洞身和进口、渐变段等接头处可能产生较大位移的地段也需设置横向沉陷缝。（五）灌浆•隧洞灌浆分为回填灌浆和固结灌浆两种。（1）回填灌浆•回填灌浆的目的：充填衬砌与围岩间的空隙，使之紧密结合，共同工作，改善传力条件和减少渗漏。•回填灌浆的方法：当衬砌施工时，在顶拱部预留灌浆管，待衬砌完成后，通过预埋管进行灌浆。•回填灌浆的范围：一般在顶拱中心角90~120°以内，孔距和排距一般为2~6m，灌浆压力0.2~0.3MPa，灌浆孔深入围岩5cm以上。（2）固结灌浆（六）防渗和排水•沿洞线应合理布置防渗和排水，以改善衬砌和围岩的受力条件（1）对有压隧洞•对有压隧洞，除加强围岩的固结灌浆外，还可在隧洞底部的衬砌下面设置纵向排水管，以减小外水压力对衬砌的影响。•对①有压隧洞的进出口、②地质条件较差的洞段、③洞预以上岩层覆盖厚度小于1.0倍以及④傍山隧洞岸边一侧的围岩厚度小于1.5倍内水压力水头处，应采取必要的防渗措施（如加强衬砌、固结灌浆等）。（2）对无压隧洞•对无压隧洞，可在洞内水面线上通过衬砌设置排水孔。•排水孔的间距和排距一般为2~4m，深入岩层2~4m，将地下水直接引入洞内。第五节出口段及消能设施 一、出口段型式（1）有压隧洞出口•有压隧洞的出口，常设有工作闸门及启闭室，闸门前还设有渐变段，出口之后为消能设施。二、出口消能•泄水隧洞出口消能常采用挑流消能或底流消能。•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。（1）底流消能•当隧洞出口高程略高于或接近于下游尾水位时，一般常采用带扩散平台的底流消能。这种消能方式对有压及无压隧洞都适用，它由水平扩散段、衔接段、消力池等部分组成。第六节高流速泄水隧洞的减蚀措施一、空化空蚀机理•空化：空化是指水流中局部区域的压强降低到接近饱和蒸汽压力时，水流中产生内含蒸汽的空泡，这就是空化；•空蚀：当含空泡的水流流经附近压强高的区域时，空泡溃灭，产生冲击和微射流，对附近固壁反复冲击而使材料发生破坏•泄水隧洞的低压区（如曲率突变水流转弯处）和不平整度较大的区域附近的局部低压区均可能导致空化空蚀。二、体型设计（1）一般性原则•做好高流速泄水隧洞的体型设计，是防止空蚀的基本条件和最重要的措施。☞泄水隧洞衬砌结构表面应平直光滑连接；☞任何曲率变化处，都应避免曲率突变；☞在平面上拐弯或反弧段，采用大半径圆弧进行过渡连接；☞在由高到低的连接段，应采用抛物线。（2）特殊措施（a）收缩泄水隧洞出口断面面积或减小出口工作闸门的开度•这也是提高洞内水压力减少空蚀的一种有效措施。•但泄水能力会因此降低。出口断面的收缩比一般可取0.7～0.85，体型设计合理时可取大值。（b）孔板洞消能•水流流经孔板时，先急剧收缩，然后急剧扩散，造成水流的强旋滚、剪切、紊动而大量消能。•孔板消能的主要问题是孔板的空化空蚀和泥沙磨损。三、掺气减蚀（一）掺气减蚀的原理•设置掺气设施的目的是：增加近壁水流的掺气浓度，以达到对固壁表面的保护，减免空蚀破坏。•水流掺气以后，即使过流面出现负压，但因水流中携带空气泡，将使负压绝对值相对减小，因而将延缓或阻止空化的发生。•若局部负压足以形成空化水流，由于水中掺气后空穴内的压强因有空气充填而提高。假如空穴“溃灭”，填充在空穴内的空气分子将起到“缓冲”作用，同时空穴外层 水体亦因携带空气泡而使其声速大大降低，因而也就大大降低了空泡“溃灭”时形成的瞬时压力，从而减免空蚀。含气型空化常称为“伪空化”。（二）掺气设施（1）坎槽型掺气设施•使用得最多的、适用于坡度较大的泄水隧洞的掺气设施，其体型有挑坎式、跌坎式、挑跌坎式以及它们与掺气槽组成的多种体型，可统称为坎槽型。第七节洞室开挖时的围岩稳定性一、岩体初始应力•定义：岩体在天然状态下所具有的内应力称为岩体初始应力，在地质学中，通常叫地应力。•形成岩体初始应力的因素：上覆岩体重力、地壳构造运动、温度应力、渗水压力、地震力等，但主要因素是上覆岩体重力和地壳构造运动。•地应力的判断与分析方法：经验法、有限元仿真分析法、实测地应力法和水力劈裂试验法等。二、洞周围岩的应力集中现象•在岩体中开挖洞室，破坏了洞室周围岩体的应力平衡状态，使岩体初始应力释放，引起围岩应力重分布（产生应力重分布的这一部分岩体称作围岩），形成新的应力状态，在洞室周边的某些部位出现应力集中，对围岩稳定带来不利影响。•例如，门洞形隧洞常在洞顶、直墙与顶拱相交处，以及洞底角等处产生明显的应力集中现象。•因开挖洞室而引起的应力重分布：在洞室周边最为显著；远离洞壁，影响即逐渐减小。三、洞周围岩的变形•由于隧洞开挖引起围岩的应力变化与相应的变形，可采用理论分析、数值仿真计算分析和现场观测进行研究分析。☞理论分析：弹性力学法、弹塑性力学法等；☞数值仿真：有限元法、边界元法、离散单元法等；☞安全监测：表面变形和内部变形观测，例如多点位移计、收敛计、净空变位测定计、水平仪观测等手段。•隧洞围岩的变形，与围岩特性、施工方法、岩体部位等有关。•一般在洞室周边的变形显著，远离洞壁逐渐减小；在开挖后的早期变形较大，随着时间增长产生的蠕变变形较小。四、围岩稳定性分析（一）围岩稳定性分析方法•围岩稳定性分析方法主要有：近似理论计算、数值分析、模型试验三类。（1）近似理论计算•主要有：弹塑性力学法，关键块理论。（2）数值分析•主要有：等效连续介质力学方法，包括弹塑性有限单元法、边界单元法、差分法等。其中，目前较多采用的是弹塑性有限单元法。（3）模型试验法•对于重要的工程，应进行一定的模型试验。（二）围岩稳定分析内容围岩稳定分析大致包括以下内容： （1）采用弹性理论公式或有限单元法计算围岩应力。（2）如存在塑性区，则确定塑性区的范围。（3）对洞室周边可能出露的“危石”（有可能塌落的岩体），按块体平衡法进行分析。（4）进行现场量测，确定支护时间、修正支护参数。第八节隧洞的衬砌计算一、目的核算在设计规定的荷载组合条件下衬砌的强度，使之满足规范规定和运行要求。二、荷载衬砌自重、山岩压力、内水压力、外水压力、灌浆压力、温度荷载和地震力等。①松散介质理论将岩体视为具有一定凝聚力的松散介质，在洞室开挖后，由于部分岩块失去平衡形成一个塌落拱（也称压力拱），拱外的围岩仍保持平衡，拱内的岩块重力就是作用于衬砌上的荷载—山岩压力。•三荷载组合基本荷载：山岩压力、衬砌自重、正常水位或宣泄设计洪水时的内水压力和外水压力等；特殊荷载：校核洪水位时的内水压力和外水压力、灌浆压力、温度荷载、地震力、施工荷载等。衬砌计算时常采用下列荷载组合：（1）正常运用情况：山岩压力+衬砌自重+宣泄设计洪水时的内水压力+外水压力；（2）施工、检修情况：山岩压力+衬砌自重+可能出现最大外水压力；（3）非常运用情况：山岩压力+衬砌自重+校核洪水位时的内水压力+外水压力。对于正常运用情况和非常运用情况均可能有几种不同的组合，在设计计算中可根据具体情况分析确定。正常运用情况属基本组合，用以设计衬砌的尺寸和配筋量，其它情况用作校核。第十三章水利水电工程岩石边坡一、岩石边坡定义岩石边坡是指地壳表面具有侧向临空面的地质体，包括坡面、坡顶、坡肩、坡脚及下部一定深度的坡体。二、边坡稳定问题岩石边坡变形破坏型式有：松弛张裂、滑动、崩塌、坍塌、倾倒、蠕动、剥落和流动等。第三节影响边坡稳定的因素内部因素：原始地应力状态；地下水状态；岩石的构成及特征；边坡形状；岩石特征；岩体中软弱带的分布特征等。外部因素：施工开挖引起的卸荷和应力调整；施工爆破引起的岩体损伤和动力荷载；由于库水位变化、降水、泄洪雾化而引起的地下水位变化等。（一）地层和岩性地层影响边坡变形破坏型式。岩性影响边坡破坏的难易。（二）地质构造地质构造影响边坡破坏型式和规模。（三）岩体结构边坡岩体的破坏主要受岩体中不连续面（结构面）控制： （1）结构面的倾向和倾角：反向较同向稳；陡倾比缓倾稳。（2）结构面走向：决定可能失稳边坡岩体运动的自由度。（3）结构面的组数和数量：影响被切割岩块的大小、稳定性和破坏型式。（4）结构面的连续性：结构面连续不连续直接影响稳定性。（5）结构面的起伏差和表面性质：影响结构面得力学参数。（四）水的作用•（1）水的力学作用水在滑动面上以水压力形式作用；在可能滑动体上存在浮力作用。•（2）水的软化作用使可能滑动体中可溶物质溶解，使其泥化、软化，并降低滑动面上力学指标。•（3）水的冲刷作用：岩体边坡在水流冲刷下会下切坡脚而易产生滑动、崩塌等。•（4）水位骤降（五）振动作用：每次振动可能引起边坡应力瞬时变化从而影响稳定；经常性的振动使岩体产生疲劳效应。（六）边坡形态低坡比高坡稳，平面上呈凹形的边坡比凸坡稳。（七）地应力：控制边坡岩体裂隙发育及边坡变形特征的重要因素。还可以直接引起边坡岩体变形。（八）工程作用：由相应水工建筑物传递过来的力的作用。（九）其它起作用：气候、风化、植物生长等影响。第五节边坡治理•一、边坡治理原则•以防为主，治理为辅。（一）主要思路（1）减少下滑力：主要采取治水和边坡上削坡减载。（2）增加阻滑力：主要为坡脚压坡和进行各类支挡。（二）主要工程措施（1）开挖清除：小规模滑坡体挖除以消后患。（2）排水：通过排水洞、井等措施降低地下水位，对地表进行防护并拦截、排除地表水以防入渗和冲刷。（3）削坡减载和压脚：削坡和压脚最好结合进行，要做到有效减载。（4）抗滑挡墙：在坡脚处设挡墙。（5）抗滑桩：适用于有明显滑动面且滑床基岩较完整的边坡，沿滑动面设桩。•（6）阻滑键：沿滑动面凿洞回填混凝土阻滑。•（7）锚固支护：采用锚杆、锚索支护。•（8）改善滑动面岩土性质：灌浆。第六节边坡监测•一、变形•（一）边坡表面变形：大地测量方法。•（二）边坡深层变形：钻孔仪器监测。•二、地下水位•地下水位观测孔。 •三、结构应力应变•锚杆、锚索应力；•抗滑桩应力。第十六章其它水工建筑物•其他水工建筑物按其功能分主要可分为通航建筑物、过木建筑物、过鱼建筑物和排漂建筑物等第一节通航建筑物一、通航建筑物的采用和分类•水运特点•（1）运输成本低。•（2）水道货运能力高。•（3）水道对货物运输的净空限制小。•（4）运输速度一般相对航空、铁路和公路运输较慢。分类•船闸：用水位的升降浮运船只过坝,通航能力大,但要耗费一定的水量，它一般广泛用于低水头水利枢纽，在高水头水利枢纽中运用时则须采用多级船闸；•升船机：利用机械力提升船只过坝,耗水少,一次提升高度大,但通过能力受到机械能力的限制,一般不宜过大，多在高水头水利枢纽中应用。二、船闸（一）船闸的组成•船闸主要有闸室、上下游闸首和闸门、输水系统及上下游引航道组成。（1）闸室•闸室由两侧闸墙和闸底板组成，其上、下游分别与上、下闸首相接，成为船闸的主体。•（2）上、下游闸首和闸门•闸首是一挡水建筑物，它可将闸室与上、下游引航道隔开，以便闸室内可维持与上游或下游相同的水位，使船只可以通向上游或下游。•（3）输水系统•输水系统包括输水廊道（或管道）及控制闸阀，它的作用是向闸室充水和自闸室放水。•（4）上、下游引航道•上、下游引航道是连接闸首和上、下游主航道的一段过渡性人工航道。在船只单向交替过闸时，它在上、下游提供了船只等候及交错场所，引导船只安全地出入船闸而不致碰撞。（二）船闸的类型•（1）按闸室级数分可分为单级船闸和多级船闸两类。•（2）按航线数目分可分为单线船闸和多线船闸。•（3）按结构型式分•①单级船闸。②多级船闸。③竖井式船闸。④具有中间闸首的船闸。•三、升船机•升船机是一种运送船只过坝的机械设备。 •工作原理：将船只开进有水或无水的船厢内，利用水力或机械力沿铅直或斜面升降，使船只过坝。•(一)垂直升船机•利用水力或机械力沿铅直方向运送船只过坝的机械设备称为垂直升船机。•（1）提升式垂直升船机四、通航建筑物的选择•通航建筑物型式的选择，主要根据水头的大小，并考虑经济技术、地形地质、运行管理、运输量等条件来确定。•从运行情况看:船闸一般比较安全可靠、运输量大、运转费用低、建造和运行管理经验都比升船机成熟。其缺点是耗水量大,造价则随水头的加高而显著加大。升船机的投资主要取决于提升重量，而提升高度影响较小，耗水量很少，水头高时建升船机比建多级船闸有利，但其机械设备复杂，技术要求高，过船吨位受到限制。斜面升船机一般比垂直升船机经济,施工、管理、维修也方便，但它需要有适宜的地形条件，水头高时运行路线长，运转周期长，运输能力较小。•一般说来，水头在10m以下选用船闸较为合理；水头在10~40m时可考虑单级船闸或升船机；水头在40m以上时可考虑多级船闸或升船机。•在中小河道上，如船只少，吨位小，采用斜面升船机可能较为经济，当运输量大、保证要求高时，可考虑双线甚至多线船闸或升船机。'