水利工程

1第二部分(2)水利工程宋文晶[e-mail]重点1．水利枢纽分等和水工建筑物分级2．水工建筑物的分类3．重力坝、拱坝、土石坝的特点、适用条件4．水闸的分类和位置5．河堤的分类6．桥梁的种类、特点水利工程：对自然界的地表水和地下水进行控制和调配，以达到除害兴利目的而修建的工程。第一节概述1.1水利工程对环境的影响（了解）1.库区淹没：库区回水范围内淹没耕地、生活区、名胜古迹等等，移民。滑坡、坍岸：岸坡浸水后岩体抗剪强度降低，当库水位降低时有可能因失稳而坍滑。水库淤积：水流入库后流速降低，挟沙能力下降。水温变化：水温变幅随水深增加而减小。水质变化：库内生物分解。气象变化：大水域影响小气候，多雾、气温变幅减小、降雨形态变化。诱发地震：库区存在活动性地质构造。卫生条件：水位上升导致土地盐碱化，孳生蚊虫微生物。2.水库下游河道冲刷：泥沙淤积库内，下泄清水冲刷能力加大。河道水流变化：电站调配下泄水量。河道水温：溢洪道以外的下泄水流多来自水库底层，水温较低。水温变化不一定适合作物生长。2河道水质：库水的浑浊度随水深而异，深水的溶解氧低。库水化学成分改变，营养物质浓集，导致水的异怪或缺氧，对生物的生长带来了不利影响。3.其他阻断鱼类洄游通道和野生动物迁徙。1.2水工建筑物分类及等级划分（掌握）1.水利工程分等水利工程根据工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等。表1水利水电工程分等指标表（水利部2000年分布）工程等级工程规模水库总库容(亿m3)防洪排涝灌溉供水水力发电保护城镇及工矿企业的重要性保护农田面积（万亩）排涝面积（万亩）灌溉面积（万亩）供水对象重要性装机容量（万kw）I大(1)型≥10特别重要≥500≥200≥150特别重要≥120II大(2)型10~1.0重要500～100200~60150~50重要120~30III中型1.0~0.1中等100～3060~1550~5中等30~5IV小(1)型0.1~0.01一般30～515~35~0.5一般5~1V小(2)型0.01~0.001530.512.水工建筑物分级水利工程中的水工建筑物，根据所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级。表2水工建筑物的级别工程等别永久性建筑物级别临时性建筑物级别主要建筑物次要建筑物一134二234三345四455五55注：①永久建筑物――工程运行期间使用的建筑物，根据重要性分为：主要建筑物――系指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物，如坝、闸、电站厂房、泵站等。次要建筑物――系指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大，易于修复的建筑物，如挡土墙、导流墙、护岸等。3②临时性建筑物――系指工程施工期间使用的建筑物，如：导流建筑物、施工围堰等。(1)对于二至五等的工程及临时工程，下述情况经论证可提高或降低级别：（1）工程位置特别重要，失事后将造成重大灾害者，可提高一级。（2）工程地质条件特别复杂或者采用经验较少的新型结构时，可提高一级。（3）临时性水工建筑物一旦失事将造成严重灾害或对施工有严重影响时，可提高一级。（4）失事后影响不大的工程，经论证可适当降低级别。(2)对水工建筑物的要求：（1）设计基准期。一级挡水建筑物100年，其他永久建筑物50年。临时建筑物按预定的使用年限及可能滞后的时间确定。特大工程挡水建筑物的设计基准期经专门研究决定。（2）抗御灾害能力。如：防洪标准、抗震标准、坝顶超高等（3）安全性。如：建筑物的强度和稳定安全指标，限制变形要求等水工建筑物的结构安全级别，应根据建筑物的重要性及破坏可能产生后果的严重性而定，与水工建筑物的级别对应而分为三级。表3水工建筑物的结构安全级别水工建筑物的级别水工建筑物的结构安全级别1I2，3II4，5III对有特殊安全要求的水工建筑物，其结构的安全级别应专门研究决定。结构及其构件的安全级别，可依其在水工建筑物中的部位，本身破坏对水工建筑物安全影响的大小，取与水工建筑物的结构安全级别相同或降低一级。地基基础的安全级别与建筑物的结构安全级别相同。（4）运行可靠性。如：建筑物的供电、供水、通航保证率、闸门等设备的可用性等。（5）建筑材料。如：使用材料的品种、质量和耐久性等。3.水工建筑物的分类（按功能）挡水建筑物：用以拦截江河，相成水库或壅高水位。坝、闸、堤防、海塘泄水建筑物：用以宣泄多余水量，排放泥沙和冰凌等。溢流坝、泄水孔、溢洪道、泄水隧洞输水建筑物：为灌溉、发电和供水的需要而从上游向下游输水的建筑物。引水隧洞、引水涵管、渡槽、渠道取（进）水建筑物：输水建筑物的首部建筑。引水隧洞的进口段、灌溉渠首、进水闸、扬水站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以及为防护波浪和水流对岸坡的冲刷。丁坝、顺坝、导流坝、护底和护岸专门建筑物：发电用的压力前池、调压室、电站厂房；灌溉用的沉沙池、冲沙闸；过坝用的船闸、升船机、鱼道4.水坝的分类按材料分类：混凝土坝、土石坝、浆砌石坝等按结构特点分类：重力坝、拱坝、支墩坝、按是否溢流分类：溢流坝、非溢流坝。5第二节重力坝坝体基本剖面为三角形，筑坝材料为混凝土或浆砌石。坝轴线通常为直线，有时为了适用地形、地质条件，或为了枢纽布置上的要求也可布置成折线或曲率不大的拱向上游的拱形。为了适用地基变形，温度变化和混凝土的浇筑能力，坝体沿坝轴线用横缝分成若干个独立坝段。2.1工作原理工作原理：依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求，依靠坝体自重产生的压应力来抵消水压力引起的上游坝面拉应力来满足强度要求。2.2特点1.优点①安全可靠。重力坝剖面尺寸大，坝内应力较低，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫顶、渗漏、地震等破坏的能力比较强。②对地形、地质条件适应性强。任何形状的河谷都适合修建重力坝。甚至在土基上也可以修建高度不高的重力坝。③枢纽泄洪问题容易解决，枢纽布置紧凑。重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内不同高程设置泄水孔，一般不需另设溢洪道或泄水隧洞。④便于施工导流。施工期可利用坝体导流，一般不需另设导流隧洞。⑤施工方便。大体积混凝土，可采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇筑方面都比较简单，并且补强、修复、维护或扩建也比较方便。⑥结构作用明确。重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明确，稳定和应力计算都比较简单。2.缺点①坝体剖面尺寸大，材料用量多。②坝体应力较低，材料强度不能充分发挥。③坝体与地基接触面积大，相应坝底扬压力大，对稳定不利。6④坝体体积大，由于施工期混凝土的水化热和硬化收缩，将产生不利的温度应力和收缩应力，因此，在混凝土浇筑时需要较严格的温控措施。2.3适用条件任何形状的河谷都可以修建重力坝。地质条件要求也较低，一般修建在弱风化的岩基上。2.4设计内容（了解）1.剖面设计原则：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量小；③运用方便；④便于施工。基本剖面：指坝体在自重、库水压力和扬压力三项主要荷载作用下，满足强度和稳定要求的、最小的三角形断面。实用剖面：重力坝的基本剖面确定后，需考虑其他荷载和运用条件，修正基本断面。2.荷载分析重力坝的荷载：自重；静水压力；扬压力；泥沙压力；浪压力；冰压力；动水压力；土压力（试坝体外是否填有土石而定）；地震荷载。73.稳定分析目的：核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。重力坝稳定破坏的模式：深层滑动：当坝基内存在不利的缓倾角软弱结构面时，在水荷载作用下，坝体有可能连同部分基岩沿软弱结构面产生滑移。4.应力分析目的：检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时为研究解决设计和施工中的某些问题提供依据，如混凝土标号分区和某些部位的配筋。5.构造设计根据施工和运用要求确定坝体的细部构造，如廊道系统、排水系统、坝体分缝等。蓄水后，库水会通过坝体和坝基向下游渗透。为减小渗流对坝体稳定和应力的不利影响，在靠表层滑动浅层滑动深层滑动8坝体排水管交通、检查廊道灌浆廊道排水孔幕防渗帷幕重力坝防渗、排水系统近坝体上游面设排水管，坝踵附近地基设防渗帷幕，帷幕后设排水孔。6.地基处理重力坝对岩基的要求：有足够的强度；足够的整体性和较小较均匀的压缩性；透水性小以及耐水的侵蚀等。地基处理的主要任务：防渗；提高基岩的强度和整体性。7.溢流重力坝和泄水孔设计包括：堰顶高程、孔口尺寸、体形及消能、防护设计等。8.监测设计坝体内部、外部的观测设计，制定大坝的运行、维护和监测条例。2.5提高坝体抗滑稳定性的工程措施1.利用水重。当坝底面与基岩的抗剪强度参数较小时，常将坝的上游面做成倾向上游，利用坝面上的水重来提高坝的抗滑稳定性。注意上游坡度不宜过缓，否则在上游坝面容易产生拉应力，对强度不利。2.采取有利的开挖轮廓线。开挖坝基时，最好利用岩面的自然坡度，使坝基面倾向上游。当基岩比较坚固时，可开挖成锯9齿状，形成局部的倾向上游的斜面，但能否开挖成齿状，主要取决于基岩节理裂隙的产状。3.设置齿墙。当基岩内有倾向下游的软弱面时，可在坝踵部位设齿墙，切断较浅的软弱面。在坝趾部位设齿墙，将坝趾放在较好的岩层上，在一定程度上改善了坝踵应力，同时由于坝趾压应力较大，坝趾下齿墙的抗剪能力也相应增加。4.抽水措施。在坝基面设置排水系统，定时抽水以减少坝底浮托力。5.加固地基。（见后）6.横缝灌浆。将部分或整个坝体的横缝进行局部或全部灌浆，以增强坝的整体性和稳定性。7.预应力措施。靠近坝体上游面，采用深孔锚固高强度钢索，并施加预应力，可增强坝体的抗滑稳定，又可消除坝踵处的拉应力。2.6温度裂缝和防止措施1.裂缝的分类表面裂缝、深层裂缝、贯穿性裂缝三类。横向贯穿性裂缝会导致漏水和渗透侵蚀性破坏，纵向贯穿性裂缝会损坏坝的整体性，水平向贯穿性裂缝会降低大坝的抗剪强度。横向和纵向贯穿性裂缝多发生在降温过程因混凝土收缩受到基岩约束的情况下。为防止大坝裂缝，除适当分缝、分块和提高混凝土质量外，还应对混凝土进行温度控制。2.温度控制目的对大体积混凝土进行温度控制的目的，一是防止由于混凝土温升过高、内外温差过大及气温骤降产生各种温度裂缝；二是为做好接缝灌浆，满足结构受力要求，提高施工工效，简化施工程序提1－横向竖直贯穿裂缝；2－纵向竖直贯穿裂缝；3－水平深层裂缝；4坝表面裂缝10供依据。3.温度控制标准基础容许温差；上、下层容许温差；内外容许温差。4.温度控制措施①降低混凝土的初浇温度。预冷骨料、加冰屑拌和；采用合理的混凝土分区，埋设块石，掺用适宜的外加剂和塑性剂等尽量减少水泥用量；采用低热水泥；并在运输中注意隔热保温。②减少混凝土水化热温升。混凝土硬化初期发热量最大，温升最快，采用冷却水管进行初期冷却或减小浇筑层厚度，利用仓面天然散热，可以有效地减小水化热温升。③加强对混凝土表面的养护和保护。在混凝土浇筑后初期需要对坝块表面加覆盖、浇水养护。冬季要抵御寒潮袭击，夏季要防止热量回灌进入混凝土。综合考虑工程的具体条件和设计原则研究确定以上措施，并同时做好施工组织设计、安排好施工季节、施工进度、坝块浇筑顺序等。2.7地基处理主要任务：①防渗；②提高基岩的强度和整体性。1．坝基的开挖与清理：使坝体座落在稳定、坚固的地基上。开挖深度根据坝基应力、岩石强度及完整性，结合上部结构对地基的要求和地基加固处理的效果、工期和费用等研究确定。《混凝土重力坝设计规范》（SDJ21-78）要求：H70m的高坝需建在新鲜、微风化或弱风化下部基岩上；30mH70m的中坝可建在微风化至弱风化上部基岩上；同一工程中两岸较高部位的坝段，利用基岩的标准可比河床部位适当放宽。112．固结灌浆：提高基岩的整体性和强度，降低地基透水性。固结灌浆孔一般布置在应力较大的坝踵和坝趾附近，以及节理裂隙发育和破碎带范围内。灌浆孔呈梅花状或方格状布置，孔距、排距、和孔深取决于坝高和基岩的构造情况。孔距内差逐步加密，钻孔方向垂直于基岩面，或尽可能正交于主要裂隙面，但倾角不能太大。3．帷幕灌浆：降低坝底渗透压力，防止坝基发生管涌，减少坝基渗流量。灌浆材料常用为水泥，另外还有化学灌浆。防渗帷幕布置于