水工建筑物

绪论水工建筑物：为了满足防洪要求，获得灌溉、发电、供水等方面的效益，需要在河流的适宜地段修建不同类型的建筑物，用来控制和分配水流，这些建筑物统称为水工建筑物。水利枢纽：不同类型水工建筑物组成的综合体成为水利枢纽。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分为五级；水利枢纽根据工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等。永久性建筑物：指工程运行期间使用的建筑物。临时性建筑物：指工程施工期间使用的建筑物，如导流建筑物、施工围堰等。水工建筑物按作用分类：1挡水建筑物2泄水建筑物3输水建筑物4取（进）水建筑物5整治建筑物6专门建筑物挡水建筑物：指用以拦截江河，形成水库或壅高水位，以及为抗御洪水或挡潮沿江河海岸修建的堤防、海塘等。泄水建筑物：指用以宣泄多余水量，排放泥沙和冰凌，或为人防、检修而放空水库、渠道等，以保证坝和其他建筑物的安全。整治建筑物：指用以改善河流的水流条件，调整水流对河床及河岸的作用。专门建筑物：指为灌溉、发电、过坝需要等而兴建的建筑物。水利工程的特点：1工程量大，投资多，工期长2工作条件复杂3受自然条件制约，施工难度大4效益大，对环境影响也大5失事后果严重重力坝重力坝：用混凝土或石料等材料修筑，主要依靠坝体自重保持稳定的坝。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所引起的拉应力，以满足强度要求。重力坝得到广泛采用，优点：1结构作用明确，设计方法简便，安全可靠2对地形、地质条件适应性强3枢纽泄流问题容易解决4便于施工导流5施工方便缺点：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4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。重力坝的设计内容：1剖面设计2稳定分析3应力分析4构造设计5地基处理6溢流重力坝和泄水孔的孔口设计7监测设计重力坝受的荷载与作用：1自重（包括固定设备重）2静水压力3扬压力4动水压力5波浪压力6泥沙压力7冰压力8土压力9温度作用10风作用11地震作用荷载：1基本荷载2特殊荷载荷载组合：1基本组合2特殊组合基本组合属于设计情况和正常情况，由同时出现的基本荷载组成；特殊组合属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。作用效应：外界对水工建筑物的影响所产生的反应。渗透压力：由上下游水位差产生的渗流在坝内或坝基面上形成的向上的压力。浮托力：由下游水深淹没坝体计算截面而产生的向上的压力。扬压力：包括渗透力和浮托力。（然后再解释渗透力和浮托力）提高坝体的抗滑稳定性措施：1利用水重2采用有利的开挖轮廓线3设置齿墙4抽水措施5加固地基6横缝灌浆7预加应力措施重力坝应力分析方法：1模型试验法2材料力学法3弹性理论的解析法4弹性理论的差分法5弹性理论的有限元法材料力学的基本假定：1坝体混凝土为匀质、连续、各向同性的弹性材料2视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力3假定坝体水平截面上的正应力δy按线性分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。重力坝基本剖面：三角形重力坝的基本剖面：指在主要荷载下，满足强度和稳定要求的最小三角形剖面。实用剖面：坝顶宽度，取坝高的8%~10%，且不小于2m；坝顶高程，坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程，应高于波浪顶高程。消能工设计：底、挑、面、消力戽重力坝坝基处理措施：1坝基的开挖与清理2坝基的加固处理：固结灌浆3断层破碎带，软弱夹层处理：设置砼塞4坝基的防渗排水：帷幕灌浆、设排水孔。固结灌浆：当基础在较大范围内节理裂隙发育或破碎而挖掘不经济时，可对坝基进行低压浅层灌水泥浆，加固以提高坝基整体性，这种灌浆称为固结灌浆。帷幕灌浆：是用浆液灌入岩体或土层的裂隙、空隙形成阻水幕，以降低坝底渗流压力，防止坝基内产生机械或化学管涌，减少坝基渗流量。横缝：垂直坝轴线用于将坝体分为若干个独立的坝段。其作用是减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求。横缝分类：永久性、临时性纵缝：平行坝轴线方向设置，将一个坝体分成几个坝块，待其温度接近稳定温度后再进行接缝灌浆。纵缝分类：铅直纵缝、斜缝、错缝空化：水流在曲面上行进，由于离心力的作用，或水流受不平整表面的影响，在贴近边界处产生负压，当水体压强小至饱和蒸汽压强时，便产生空化。空蚀：当空化水流运动到压力较高处，由于气泡溃灭，伴随着声响和巨大的冲击作用，当这种作用力超过结构表面材料颗粒的内聚力时，便产生剥离状的破坏，这种破坏现象称为空蚀。拱坝拱坝：固接于基岩的空间壳体结构，在平面上成凸向上游的拱形，其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲线形。双曲拱坝：平面上呈拱型，剖面也呈拱型的拱坝叫双曲拱坝。拱坝的薄厚程度用厚高比表示。拱坝按半径和中心角分：等半径和定角式。支墩坝的分类：大头坝、连拱坝、平板坝。拱坝特点：1稳定特点，坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力作用，不像重力坝那样依靠自重来维持稳定；2结构特点，拱坝属于高次超静定结构，超载能力强，安全度高当外荷载增大或者坝的某一部分发生局部开裂时，坝体的拱和梁会自行调整，使坝体应力重新分配。3由于拱是一种主要承受轴向压力的推力结构，拱内弯矩较小，应力分布较均匀，有利于发挥材料强度。不同河谷即使具有同一宽高比，其剖面形状也可能相差很大。左右对称的V形河谷最适合发挥拱的作用，拱跨短，底部薄；梯形次之；U形底部厚度较大。拱坝荷载：自重、静水压力、动水压力、扬压力、泥沙压力、冰压力、浪压力、温度作用、地震作用。温升：拱坝的轴线伸长，向上游变位，由此产生的剪力、弯矩的方向与水压力产生的剪力、弯矩的方向相反，轴力的方向与水压力产生的方向相同，对坝体稳定有利，对坝肩稳定不利。温降：拱坝的轴线缩短，向下游变位，由此产生的剪力、弯矩的方向与水压力产生的剪力、弯矩的方向相同，轴力的方向与水压力产生的方向相反，对坝体稳定不利，对坝肩稳定有利。封拱温度：拱坝系分块浇筑，经充分冷却，当坝体温度逐渐降至相对稳定值时，进行封拱灌浆，形成整体。在封拱时的坝体温度称为封拱温度。注：由于温降对坝体应力不利，因此封拱温度低，有利于降低坝体内的拉应力，故一般选在年平均气温较低时封拱。拱坝的应力分析方法：1纯拱法2拱梁分载法3有限元法4壳体理论计算方法5结构模型试验结构力学方法分析拱坝应力的基本假定：1坝体和基岩都是均匀、各向同性的弹性体2忽略岸库、岸底在库水压力作用下的变形影响3拱的法向截面在变形后仍保持平面5用伏格特公式计算地基变形拱坝坝身的泄水方式：自由跌流式、鼻坎挑流式、滑雪道式、坝身泄水孔式拱坝的消能方式：跌流消能、挑流消能、底流消能土石坝土石坝：由土、石料等当地材料填筑而成的坝，是历史最为悠久的一种坝型，是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。土石坝的基本剖面：梯形土石坝坝顶高程确定：坝顶高程=水库静水位+坝顶超高。其中坝顶超高d=R+e+A,R为波浪在坝坡上的设计爬高，e为风浪引起的坝前水位壅高，A为安全加高。浸润线：土石坝挡水后，在坝体内形成由上游向下游的渗流，渗流水面与坝剖面的交线称为浸润线。最优含水量：在一定的铺土厚度、压实功能下，粘性土只有在某一特定的含水量时才能达到最好的压实，这时的干容重即为最大干容重，而相应的含水量称为最优含水量。土石坝的组成及各部分作用：坝身、护坡、防渗体、排水设备；坝身是主体，起稳定作用；护坡的作用是防止雨水及风浪对坝坡的冲刷；防渗体的作用是防止渗漏，降低坝体的浸润线；排水设备的作用是防止渗透变形，降低坝体的浸润线，又有利于下游坝坡的稳定。土石坝得到广泛应用的优点和缺点：优点，1可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量。2能适应各种不同的地形、地质和气候条件3上下游坝坡平缓；缺点，1体积大2土石方工程量大3需要一定的防渗设施。土石坝的分类：1按坝高分，高坝（超过70m）、中坝、低坝；2按施工方法分，碾压式土石坝（应用最广）、冲填式土石坝、水中填土坝、定向爆破土石坝；3按土料在坝体内的配置和防渗体所用材料的种类，碾压式土石坝可以分为：匀质坝、土质心墙坝、土质斜墙坝、多种土质坝、人工材料心墙坝、人工材料面板坝。土石坝坝坡坡率的选择遵循以下规律：1上游坝坡坡率应比下游缓，但堆石料上、下游坝坡坡率的差别可比砂土料小2斜墙坝的上游坝坡一般较心墙坝缓，下游坝坡一般较心墙坝陡，而厚心墙坝的下游坝坡一般较斜墙坝缓3黏性土料的稳定坝坡为一曲面，上部坡陡，下部坡缓，砂土和堆石的稳定坡面为一平面，可以采用均一坡率4匀质坝一般要求适当放缓下游坝坡5当坝基或坝体土料沿坝轴线分布不一致时，应分段采用不同坡率，在各段间设过渡区，使坝坡缓慢变化土石坝的渗流变形：管涌、流土、接触冲刷、接触流土管涌：指在渗流作用下，土中的细颗粒由骨架空隙通道中被带走而流失的现象，主要出现在较疏松的无黏性土中。流土：指在向上渗流作用下，表层局部土体被顶起或是粗细颗粒群发生浮动而流失的现象。接触冲刷：指渗流沿着渗流系数不同的两种土层接触面上或是建筑物与地基接触面上流动时，将细颗粒沿接触面带走的现象。接触流土：指在渗流系数相差悬殊的两种土层交界面上，由于渗流垂直于层面流动，将渗流系数较小土层中的细颗粒带入渗流系数较大土层中的现象。防止渗流变形的措施：1全面截阻渗流2延长渗径3设置排水设施、反滤层或排渗减压井。防渗体：是指该部位土体比坝壳其他部位更不透水，它的作用是控制坝体内浸润线的位置，并保持渗流稳定。防渗体的主要型式：黏土心墙、黏土斜墙、非土料防渗体土石坝坝体排水型式：棱体排水（应用最广泛）、贴坡排水、坝内排水。棱体排水的优缺点：优点：它可以降低浸润线，防止坝坡冻涨，保护尾水范围内的下游坝脚不受波浪淘刷，还可与坝基排水相连接。当坝基强度足够时，可发挥支撑坝体，增加稳定的作用。缺点：所费石料用量大，费用较高，与坝体施工有干扰，检修较困难。贴坡排水优缺点：优点，构造简单，施工方便，节省材料和便于检修；缺点：不能降低浸润线，防冻性差。反滤层的作用：滤土排水，防止土木建筑物的渗透变形。分类：I型反滤，反滤层位于被保护土的下部，渗流方向主要由上向下；II型反滤，反滤层位于被保护土的上部，渗流方向主要由下向上。I型反滤要承受被保护土层的自重和渗流压力的双重作用，其防止渗流变形的条件更为不利。反滤层的结构：各层次的粒径按渗流方向逐层增加。土石坝的坝基处理的主要要求：1控制渗流，减小渗流比降，避免管涌等有害的渗流变形，控制渗流量2保持坝体和坝基的静力和动力稳定，不产生过大的有害变形，不发生明显的不均匀沉降3在保证坝安全运行的条件下节省投资土石坝的坝坡滑裂面的形状：曲线滑裂面、直线或折线滑裂面、复合滑裂面。水闸水闸：是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工建筑物，多建于河道、渠系及水库、湖泊岸边。一般由闸室、上游连接段、下游连接段组成。闸室：是水闸的主体，包括闸门、闸墩、边墩、底板、胸墙、工作桥、检修便桥、交通桥、启闭机等。闸门用来挡水可控制流量。闸墩用以分隔闸孔和支撑闸门、胸墙、工作桥、交通桥、检修便桥。底板是闸室的基础用以将闸室上部结构的重量及荷载传至地基，并兼有防渗和防冲的作用。工作桥、交通桥和检修便桥用来安装启闭设备、操作闸门和联系两岸交通。上游连接段：包括两岸的翼墙和护坡以及河床部分的铺盖，有时为保护河床免收冲刷，还加做防冲槽和护底。用以引导水流平顺地流入闸室，保护两岸及河床免遭冲刷，并与闸室等共同构成防渗地下轮廓，确保在渗透水流作用下两岸和闸基的抗渗稳定性。下游连接段：包括护坦、海漫、防冲槽以及两岸的翼墙和护坡等。用以消除过闸水流的剩余能量，引导出闸水流均匀扩散，调整流速分布和减缓流速，防止水流出闸后对下游的冲刷。水闸按其所承担的任务分类：节制闸（位于河道上的节制闸也称为拦河闸）、进水闸（进水闸又称为取水闸或渠首闸）、分洪闸、排水闸（具有双向挡水功能）、挡潮闸（具有双向挡水功能）、冲沙闸节制闸（名词解释）：枯水期用于拦截河道，抬高水位，以利上游取水或航运要求，洪水期则开闸泄洪，控制下