水工建筑物基础知识

一、水利枢纽1.什么是水利水电工程枢纽？为了满足防洪需求,获得发电,灌溉,供水,航行等方面的综合效益,需要在河流的适宜段修建不同类型的建筑物,用来控制和支配水流.这些建筑物通称为水工建筑物,而不同功能的水工建筑物组成的综合体称为水利水电工程枢纽.2.水工建筑物按其作用可分为几类？水工建筑物种类繁多，但按其作用可以分为挡水建筑物，泄水建筑物，输水建筑物，取(进)水建筑物，整治建筑物，专门为灌溉、发电、过坝需要而兴建的建筑物等六类。但是，应当指出的是，有些水工建筑物的功能并非单一，难以严格区分其类型。如各种溢流坝既是挡水建筑物，又是泄水建筑物；水闸既能挡水，又可泄水，有时还作为灌溉渠首或供水工程的取水建筑物，等等。3.什么是挡水建筑物？用于拦截江河水流，形成水库或空高上游水位的建筑物。如各种坝和水闸以及为抗御洪水或挡潮沿江河岸修建的堤防、海塘等。4.水库有哪些特征水位及相应库容？库容大小决定着水库调节径流的能力和它所能提供的效益。因此，确定水库特征水位及其相应库容是水利水电工程规划、设计的主要任务之一。(1)死水位和死库容水库正常运用情况下允许水库消落到最低的水位称为死水位，该水位以下的库容即死库容。除特殊情况外，死库容不参与径流调节，即不能动用这部分水库的水量。(2)正常蓄水位和兴利库容水库正常运用情况下，为满足设计的兴利要求，在设计枯水年(或枯水段)开始供水时应蓄到的水位，称为正常蓄水位，又称设计兴利水位。该水位与死水位间的库容即兴利库容。正常蓄水位到死水位间的水库深度称为消落深度或工作深度。(3)防洪限制水位水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位称为防洪限制水位。可根据洪水特性和防洪要求，对汛期不同时期分段拟定。(4)防洪高水位和防洪库容当退下游防护对象的设计洪水位时，水库为控制下泄流量而拦蓄洪水，这时在坝前达到的最高水位称为防洪高水位。该水位与防洪限制水位间的库容称为防洪库容。当防洪限制水位低于正常蓄水位时，防洪库容与兴利库容的部分库容是重叠的，可减小专用防洪库容，重叠部分称共用库容或重叠库容，在汛期是防洪库容的一部分，而在汛后则为兴利库容的一部分。(5)设计洪水位和拦洪库容水库遇设计洪水，在坝前达到的最高水位称为设计洪水位。该水位与防洪限制水位间的库容称为拦洪库容。(6)校核洪水位和调洪库容水库遇校核洪水，在坝前达到的最高水位称为校校洪水位。该水位与防洪限制水位间的库容称为调洪库容。(7)总库容和有效库容校核供水位以下的全部库容称总库容。校核洪水位与死水位之间的库容称有效库容。5.拦水坝按形式可分为几种？主要有土石坝、重力坝、拱坝、支墩坝和橡胶坝等。其中土石坝又可分为心墙坝、斜墙坝、堆石坝、均质坝等。6.土石坝的工作特点是什么？土石坝是土坝与堆石坝的总称。土石坝历史悠久，在国内外广泛采用。其优点是：①就地取材；②结构简单，便于维修和加高、扩建；③对地质条件要求较低，能适应地基变形；④施工技术较简单，工序少，便于组织机械化快速施工；⑤有较丰富的修建经验。其主要缺点在于：①坝身不能溢流，需另设溢洪道；②施工导流不如混凝土坝方便；③粘性土料的填筑受气候条件的影响大等。7.土石坝在设计、施工和运行中必须满足哪些要求？土石坝坝体主要由散粒材料构成。为使其安全有效地发挥作用，在设计、施工和运行中必须满足以下各项要求：(1)不允许水流漫顶由于规划设计时对洪水估计偏低，致使溢洪道行洪断面偏小；或因坝顶高程不足，或水库控制运用不当等原因，都可导致坝顶漫水直至溃坝的严重事故。(2)不发生危害性渗透变形水库蓄水后不仅在坝身和坝基内产生渗流，而且库水还会绕过坝端经两岸渗向下游，形成绕坝渗流。渗透水流不但损失水量，更重要的是在渗流逸出处可能将土料中的细颗粒带走或局部主体被冲动，导致坝身、坝基产生危害性的渗透变形，甚至引起溃坝。(3)坝身和坝基应稳定可靠由于设计不当或施工质量不良，在外力作用下，可能造成坝坡或连同坝基的坍滑破坏。国内外土石坝破坏事故中约有互／4是由滑坡造成的。(4)避免产生有害的裂缝由于受坝址地形、筑坝材料性质。坝基不均匀沉陷、施工质量以及地震荷载等因素的影响，坝身可能产生不均匀沉陷，一旦形成大的裂缝，就会危及坝身安全。(5)能抵抗其他自然现象的破坏作用库区风浪在水位变化范围内可能淘刷上游坝被；雨水沿坡面流动可能冲毁坝坡；冰冻可能破坏坝坡；坝身粘性土料，冬季由干冻胀可能产生裂缝，夏季由于日晒又会龟裂，等等。8.土石坝有几种类型？土石坝既可依筑坝施工方法分类，也可按土料在坝身内的配置划分类型。(1)根据筑坝施工方法可分为碾压式上石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝。水力冲填坝等。其中应用最广的是碾压式上石坝。(2)按照土料在坝身内的配置和防渗体的材料，可分为以下几种主要类型：1)均质坝。坝身的绝大部分由一种主料筑成，整个剖面起防渗和稳定作用。2)粘土心墙和斜墙坝。用透水性较好的砂石料作坝壳，以防渗性较好的土质做防渗体，设在坝中央或稍向上游倾斜的防渗墙坝称为心墙坝或斜心墙坝；设在靠近上游面的防渗墙坝称为斜墙坝。3)人工材料心墙或斜墙坝。防渗体由沥青混凝土、钢筋混凝土或其他人工材料制成，其余部分用土石料构成的坝称为人工材料心墙或斜墙坝。4)多种土质坝。坝身主要部分由几种不同的土料所构成的坝称为多种土质坝。5)土石混合坝。将多种土质坝的某些部位以石料代替，即成为土石混合坝。为改善坝身应力状态，避免裂缝，近代修建的高土石坝常将心墙略向上游倾斜做成斜心墙土石混合坝。9.土石坝主要由哪几动分组成？它们各自的作用是什么?土石坝四部分组成,即坝壳、防渗体、排水设备和护坡。坝壳是土石坝的主体，坝的稳定主要靠它来维持；防渗体的作用是降低浸润线，防止渗透破坏坝体和减少渗流量；排水设备的主要作用是要全地排除渗漏水，增加坝体和下游坝坡的稳定性，降低扬压力；而护坡的作用则是防止波浪、冰层、温度变化、雨水和水流等对坝坡的破坏。10.土坝的渗透变形有几种主要形式？土壤在渗透水流作用下可能产生渗透变形。破坏性的渗透变形可以导致水工建筑物失事。渗透变形主要有以下几种形式：管涌、流土、接触冲刷及接触流土和接触管涌。11.什么叫管涌？坝身或坝基内的土壤颗粒被渗流带走的现象称为管涌。12.什么叫流土？在渗流作用下，主体从坝身或坝基表面被掀起浮动的现象称为流土。流立现象主要发生在粘性土及较均匀的非粘性主体的渗流出口处。13.什么叫接触冲刷？当渗流沿着两种颗粒不同的土层交界面流动时，在交界面处的土壤颗粒被冲动而使两种颗粒不同的土层混合起来的现象称为接触冲刷。14.什么叫接融流土和接触管涌？当渗流垂直于两相邻土层的交界面，如粘土心墙(或斜墙)与坝体砂砾料之间、坝体或坝基与排水设备之间以及坝体内大小粒径土层之间，有可能出现由于粘性上的凝聚力降低，形成剥蚀区或一层的细颗粒被渗流带进粗颗粒层，前者称为接触流上，后者称为接触管涌。15.重力坝的工作特点是什么？重力坝在水利水电工程中得到广泛应用，主要是因为它具有以下几方面的特点：(1)安全可靠重力坝剖面尺寸大，应力较小，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震和战争破坏的能力都比较强。(2)对地形、地质条件适应性强任何形状的河谷都可以修建重力坝，因为坝体作用于地面上的压应力不高，所以对地质条件的要求也较低。(3)枢纽泄洪问题容易解决重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内设置泄水孔，一般不需要另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。(4)便于施工导流在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另开设导流隧洞。(5)施工方便大体积混凝土，可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇捣方面都比较简便。(6)结构作用明确重力坝沿坝轴线用横缝分成若干段，各坝段独立工作，结构作用明确，应力分析和稳定计算都比较简单。但是，重力坝也有下面一些缺点：(1)坝体剖面尺寸大，水泥用量多。(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，因而坝底的扬压力较大，对稳定不利。(4)坝体体积大，施工期混凝土的温度应力和收缩应力较大，在施工期对混凝土温度控制的要求较高。16.重力坝主要有几种型式？重力坝主要分为混凝土重力坝、浆砌石重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、碾压混凝土重力坝等型式。17.作用于重力坝上的荷载主要有哪些？作用于重力坝上的荷载主要有自重、静水压力和扬压力、动水压力、冰压力、泥沙压力、浪压力、地震力、温度和其他荷载等。二、泄水建筑物1.什么叫泄水建筑物？它有几种型式.在水利工程枢纽中，用来泄放水的水工建筑物称为泄水建筑物。其型式有岸边溢洪道、溢流坝、泄洪隧洞及坝下涵洞四种型式。2.岸边溢洪道主要有几种型式？岸边溢洪道主要有以下三种型式：(1)正槽溢洪道：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。(2)侧槽溢洪道：溢流堰设在泄槽一侧，溢流堰轴线与泄槽大致平行。(3)井式溢洪道：进水口在平面上为一环形的溢流堰，水流过堰后，经竖井和隧洞流向下游。3.溢洪道由哪几部分组成？溢洪道从上游水库到下游河道通常由引水段、控制段、泄水槽、消能设施和尾水渠五个部分组成。4.溢流堰有哪几种型式？它们的特点是什么？溢流堰纵断面一般有实用堰和宽顶堰两种基本型式。实用堰的流量系数较大，但结构比宽顶堰复杂，当堰口狭窄、地面高程较低，或地面高程虽较高，但开挖容易且方量不大时可以采用。宽顶堰的流量系数较实用堰小，但施工简单，当地面较高，开挖方量大且开挖比较困难时，采用这种堰型可以减小一些开挖量。5.为什么溢洪道进口要设计成喇叭形状？溢洪道进口设计成喇叭形状的主要目的是使水流平稳均匀地流向溢洪堰，防止发生漩涡或横向水流，降低局部水头损失，提高溢洪道的泄洪能力。6.溢洪道陡槽段底板破坏的主要原因是什么？溢洪道陡槽段底板破坏的主要原因有以下几方面：(l)衬砌表面不平整，特别是横向接缝处下游块有升坎。(2)接缝止水不良，施工质量差。(3)地基处理不好，衬砌与地基接触不良。(4)衬砌底板下排水不畅。以上因素都将导致底板下产生很大的扬压力和动水压力，以致使底板被掀起破坏。7.为什么溢洪道下游容易引起冲刷破坏？从溢洪道下泄的水流，流速很高，单宽流量大，在泄水槽末端集中了很大的能量。因此，末端必须设置消能设施。在实际中，很多工程因消能设施考虑不当，高速水流与下游河道的正常水流不能妥善衔接，能量没有完全消除，致使下游河床和岸坡遭受冲刷破坏，危及大坝和溢洪道自身的安全。8.为什么要在溢洪道陡槽段底板设置排水设施？为了排除地基渗水，减小衬砌所受的扬压力，须在衬砌层下面设置排水系统，排水系统必须确保畅通。排水系统由若干道横向排水沟和几道纵向排水沟所组成。9.泄水建筑物的消能措施有几种类型.泄水建筑物的消能措施，大至可分为三种类型：(l)底流式消能。(2)挑流式消能。(3)面流式消能。此外，还可以将上述基本的消能结合起来应用。10.底流消能的原理是什么？从加强水流的紊动出发，在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面漩滚和强烈的紊动以达到消能的目的。11.挑流消能的原理是什么？利用下泄水流所挟带的巨大动能，因势利导将水流挑射远离建筑物的下游。在挑射过程中，水流受到空气的阻力而扩散，掺入大量空气，降落到下游水面后，又受到下游水体的阻力，形成激烈的漩滚而消能。12.面流消能的原理是什么？当下游水深较大而且比较稳定时，可采取一定的工程措施，将急流导向下游水面，主流与河床之间由巨大的底部漩滚隔开，可避免高速生流对河床的冲刷。13.挑流鼻坎型式有几种？各有何优缺点？挑流鼻坎型式有连续式和差动式两种。连续式鼻坎设施简单，不易气蚀，在相同水力条件下，挑距比差动式稍远，但水舌较集中，空中扩散较差，对河床冲刷较深。14.挑流、底流、面流消能的优缺点是什么？工程实际中，消能方式的选择是一个十分复杂的问题，必须结合具体工程，兼顾水力、地形、地质及应用条件进行综合分析选定。上述三种消能型式的优缺点如下：(1)底流消能的优点：水跃稳定，安全可靠，消能效果好，下游水面波动小。缺点：消力地的工程量大，增加工程造价。(2)挑流消能的优点：节约护坦工程，可降低造价，消能效果好。