水工建筑物教学笔记

绪论1、水利枢纽–––由几种不同类型与功能的水工建筑物聚合一起组成的建筑物群，以控制水流并便于协调运行与管理2、水工建筑物–––凡实现某一水利、水电功能为防洪、发电、灌溉、的建筑物，如控制水位，调节水流，兴利除害。二、水工建筑物分类：(按功能分)(一)挡水建筑物：如拦河坝、堤防、施工围堰等；功能：拦截或约束水流。(二)泄水建筑物：如溢流坝、泄水闸(孔)、河岸溢洪道、泄水隧洞；功能：宣泄多余洪水降低水位放空。(三)输水建筑物：引水隧洞、涵管、渠道、渡槽、倒虹吸管、输水涵洞等；功能：将水源从一处输送到另一处。(四)取水建筑物：取水口、进水闸、扬水泵站等；功能：从水源取水以达应用之目的。(五)整治建筑物：丁坝、顺坝、潜坝、导流坝、防波堤、护岸等；功能：改善河道水流条件，调整河势，稳定河床(槽)，保护河岸。(六)专门性不工建筑物三、水工建筑物的特点1、工作条件的复杂性：表现在作用因素的复杂性；2、设计选型的独特性：表现在地质条件，自然条件千差万别，不可能标准化；3、施工建造的艰巨性：施工条件复杂，工程量巨大；4、失事后果的严重性。四河川水利枢纽对环境的影响一、物理影响1、上游水位抬高：淹没、浸没→移民问题；2、下游水位降低，地下水位下降→可能引起干旱；3、水库淤积；4、库区小气候变化。二、生态影响1、渔业；2、水温；3、库水化学成份五水利枢纽及水工建筑物等级划分一、分等分级的必要性：一项水利枢纽工程的成败对国际民生有着直接影响，但不同规模的工程其影响程度也不同。(1)安全可靠性(2)经济合理性(1)(2)失事后的影响程度,二者统一起来二、如何对水利枢纽及水工建筑物分等分级1、按现行规范进行分等分级：主要依据：①工程规模；②效益；③重要性。分等：共五等；分级：共五级。若指标分属几个不同等级，以最高等别为准。第二章重力坝一重力坝的工作原理：①依靠坝体自重在坝基面上产生摩阻力来抵抗水平水压力以达到稳定要求②利用坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力引起的拉应力以满足强度要求。二重力坝与其他坝型相比具有的显著特点表现在：①重力坝筑坝材料抗冲能力强–––坝顶溢流，利用较低的坝块，底孔导流；②重力坝结构简单，一般可不设河岸溢洪道或泄水隧洞，便于施工；③对地形地质条件适应性较好,但对地基要求高于土石坝，要求地基有较高的承载能力；④由于坝与坝基接触面积大，受扬压力作用亦较大，故需采取有效的防渗排水措施,降低扬压力，增强坝体稳定，改善应力状况；⑤大坝坝体大，材料强度不能充分发挥，坝体应力一般不大，材料强度不能充分发挥，不同部位采用不同标号砼，以降低造价；⑥坝体体积大，水泥用量多，水化热高，易引起开裂，温度控制问题突出；二、重力坝的类型1、实体重力坝2、宽缝重力坝3、空腹重力坝4、预应力重力坝第二节重力坝的荷载主要荷载：①自重；②上、下游坝面水压力；③扬压力；④浪压力；⑤泥沙压力；⑥地震荷载；⑦冰压力等。一、荷载计算(一)坝体自重–––维持大坝稳定的主要荷载(二)坡面上的水压力1、静水压力：p=ν0yy––水深上游倾斜时，分解水平水压力＋垂直水压力2、动水压力溢流坝段溢流，反弧段动水压力(三)扬压力(取决于地基地质条件，防渗排水措施，坝体结构形式)1、坝基面的扬压力①无防渗排水措施②有防渗帷幕和排水α––扬压力折减系数2、坝体内部扬压力分下游水位以上、以下两种情况：1）下游水位以上2)下游水位以下第三节重力坝的稳定分析稳定分析的主要目的：验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。基岩上重力坝失稳的可能情况：①坝体沿抗剪能力不足的薄弱面产生滑动a)沿坝与基岩接触面的滑动；b)沿坝基岩体内连续软弱结构而产生的深层滑动②水平荷载作用下图a)上游坝踵以下岩体受拉产生倾斜裂缝;b)下游坝踵以下岩体受压发生压碎引起倾斜滑移破坏。四、提高抗滑稳定性的工程措施––(自学)(图2–17)①上游面倾斜或折坝形；1∶0.1～1∶0.2②基坑开挖斜向上游；稳定分析可推知。③选择有利地形，设坝路踵、坝址齿墙；④加强防渗排水；⑤预应力锚固。第四节重力坝的应力分析一、应力分析的目的和方法：1、目的：1)检验坝体、坝基强度是否满足要求；2)根据应力分析结果，进行坝体砼标号分区；3)根据应力分析结果，研究局部应力集中，为采取局部的措施加强提供依据；2、分析方法：①材料力学法；②弹性理论法。一、基本剖面定义：重力坝的基本剖面，是指在主要荷载作用下满足坝基面稳定和应力控制条件的最小三角形剖面。由坝高坝确定底宽B！！二、实用剖面第六节重力坝的材料和构造(二)坝体砼分区：(二)坝体分缝坝体分缝的作用：度控制施工：砼浇筑能力，温开裂地基不均匀沉陷伸缩温度变化.32..1斜缝––不需灌浆(斜缝沿主应力方向)水平施工缝－临时性浆纵缝－临时性－最终灌横缝－永久性(三)坝体排水––降低坝体渗透压力(四)坝内廊道第七节重力坝的地基处理重力坝对地基的要求：①具有足够的强度承受压力；②整体性均匀性抗滑稳定，不均匀沉降小；③抗渗性坝基渗透稳定，渗漏量Q小；④耐久性适应长期浸泡；若不满足，需对基岩进行处理。二、坝基的固结灌浆固结灌浆––采用浅孔低压灌注水泥泉。三、坝基帷幕灌浆四、地基排水设施坝基排水系统1、主排水孔幕：2、辅助排水孔幕：纵横向排水廊道相互沟通，在坝基上选择最低处布置集水井，用水泵抽排至下游。五、坝基软弱破碎带的处理1、陡倾角软弱破碎带处理砼塞，砼拱–––开挖回填2、缓倾角软弱破碎带①开挖若干平硐或斜井，然后回填，形成由砼斜塞和水平塞组成的刚性支架，增强地基整体性。②抗滑砼塞③预应力锚索或抗滑桩第三章拱坝（拱坝的坝座破坏是坝体矢稳的主要形式）一拱坝是平面上呈凸向上游的拱形建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传递给河谷两岸的基岩。二对比压强度主，可充分发挥材料抗拱圈截面上以轴压力为拱端基岩为支承；拱坝－强度不能充分发挥；坝体应力不很高，材料稳定；依靠重力坝的自重维持重力坝－(2)(1)(2)(1)三拱坝的特点：1、工作原理：a)依靠拱作用，将上游面的水压力传给拱座；(主要部分)b)靠悬臂梁的作用，将力传给基岩。(该作用相对较弱)。根据拱坝的和特点，主要是承受压力，因此，常用抗压性能高的材料(如石料、砼)建造。2、适用场合：狭谷形河段。3、主要特点：1°受力条件好––在荷载作用下，拱坝同时起到拱的作用和悬臂梁的作用。拱与悬臂梁作用的大小，取决于河谷形状。河谷深而窄，拱作用大，梁作用小；反之，梁作用大，拱作用小。依靠坝肩和坝基岩体维持稳定。2°坝的体积小。拱坝是一种受压结构，拱的作用越显著，越能减小坝的厚度，从而节省工程量。3°超载能力强，安全度高。拱坝通常属于周边嵌固的高次超静定结构，当外荷载增大或坝的某一部位因拉应力过大而发生局部开裂时，能调整拱作用和梁作用及其荷载分配，进行坝内应力重新分配，而不致使坝全部失承能力。4°抗震性能好。拱坝是整体的空间结构，坝体较坚韧，富有弹性，又能自行调整其结构性能，因此，可提高坝体的抗震能力。5°施工技术要求高。––断面薄，几何形状复杂。二、拱坝的类型(一)按厚高比分：博拱坝,中厚拱坝,厚拱坝(重力拱坝)(二)按坝体形态分1、单曲拱坝–––仅在水平截面上呈拱形，铅直悬臂梁不弯曲或曲率很小。2、双曲拱坝(图3–5)–––铅直面水平面都呈拱形悬臂梁上下游面均向上游凸出的拱坝(一)地形条件河谷形状分为v形u形和梯形，优良的河谷断面应该是v形，b/h值小，两岸对称并无突变。河谷形状在平面上也有一定要求，拱座要有足够大的完整岩体。拱坝宜建在向下游收缩的喇叭口处或等高线几乎平行的河谷中。(二)地质条件较理想的地质条件：a)岩石坚硬致密，质地均匀，有足够的强度，不透水性和耐久性；(五)温度荷载(较详介绍)温度荷载是拱坝设计中的主要荷载之一。温度应力的产生：封拱后，坝体温度就随外界温度作周期性变化，拱坝的体积也作相应的改变。由于基础的约束，将在坝内产生温度应力。温度荷载，是指拱坝封拱形成整体后，在上、下游水温和气温周期性变化的影响下，坝内产生相对于上述相对稳定温度的温度改变值。若封拱温度较低，此后坝体温度升高，拱轴线伸长，变位方向与水压力引起的相反，则有利于部分抵消拱端上游面由水压力引起的拉应力。但是，如果追求过低的封拱温度，就要有很强的降温措施，从而增加工程投资。相反，如果封拱温度过高，则以后温降时拱轴线收缩，对应力不利。工程中，一般选在年平均气温或略低时进行封拱。拱圈中心角中心角越大，半径越小。加大值，拱厚T将随之减小，反之开然。并且，较大的中心角对改善坝体应力有利。拱坝布置的原则和要求应力分布合理，拱座稳定性好，同时满足施工，泄洪，发电等运用要求，最后使总投资最小。四、拱梁分载法(重点)1、拱梁分载法的概念：把荷载分为二部分，一部分由互相独立的水平拱圈系统承担，另一部分则由拱坝沿径向切成的独立悬臂梁系统承担，利用拱和梁(悬臂梁)的交点变位一致的原理，确定拱梁承担荷载的比例。这种方法在一定程度上反映了拱坝的整体作用。2、拱梁分载的二种实施方法①拱冠梁法：沿坝高基本等距切取若干拱圈(每层拱圈高度为1m)。若只取拱冠(拱顶)处的一根悬臂梁，并根据这些拱圈和拱梁的各交点(共轭点)径向变位一致的条件来求得拱、梁的荷载分配，且各层拱圈分配到的径向荷载从拱冠到拱端为均匀分布，以拱冠梁所分配到的荷载代表全部梁系的受力情况②多拱梁法：若取多层拱，多根梁，并根据各个拱梁交点的变位一致的条件来分配水压荷载，此时，每层拱圈上作用的水压力是不均匀的。(一)拱冠梁法(重点)拱冠梁法的计算步骤①选定若干拱圈，分别计算各拱圈拱顶以及拱冠梁与各拱圈交点在单位荷载作用下的，这些变位称为“单位变位”法(即对应于结构力学中的单位移位法)。②根据各共轭点拱、梁径向变位协调的关系以及各点荷载之和应等于总荷载强度的要求建立变位协调方程组；③求解上述建立的联立方程组，得出各点的荷载分配；④根据求出的荷载分配值，分别计算拱冠梁和各找的内力和应力。1、基本算式2、梁的径向变位系数计算3、拱冠的径向变位计算第三章土石坝(一)主要优点：1、就地取材。节省水泥、钢材、木材，并已积累相当丰富筑坝经验。2、适应地基的变形能力强。对地形、地质条件的要求在所有坝型中是最低的。3、施工方法灵活性大。由于构造简单，既适应于简单人工堆筑又适宜于高度机械化施工，不仅大大提高了施工速度，施工质量也容易保证。4、运用管理方便，工作可靠，便于维修扩建。并具有一定的抗震性。(二)主要缺点：1、坝顶不能溢流，常需在河岸另开溢洪道或其他泄水建筑物，(如隧洞、坝下涵管)。2、施工导流不便。3、坝体断面大，土料填筑质量易受气候影响。(三)根据坝身材料，土石坝分为：1、土坝；2、堆石坝；3、土石混合坝。由于土粒间联结力较低，在渗流、冲刷、沉降、冰冻、地震等因素的作用和影响下，表现出其相应的工作特点，所以，土坝设计时主要解决以下问题：(1)稳定：形剖面。典型断面：缓坡度的梯施工质量控制等；坝坡，做好地基处理，合理设计因展开，如合理选材，主要措施：针对失稳原事；作，严重者导致工程失失稳后果：影响正常工度小，坝坡过陡；失稳原因：土体抗剪强分地基；坝坡滑动，坝坡连同部；断面大面的失稳不可能发生整体沿坝基失稳方式：b)(a(2)渗流：差；后，上、下游形成水头产生的原因：土坝挡水；易形成集中渗流两岸，有关结合面坝基主要途径：坝身)(,,主要措施：围绕上述控制因素展开。如可靠的防渗排水(上防下排)(3)冲刷水作用下形成冲刷粘结力小，易在风浪雨产生原因：土体颗粒间措施顶；坝顶超高，不使风浪漫(1)，草皮等浆砌，干砌护坡：如块石护坡)((2)坝面排水：如排水沟。(4)沉降予留沉降；解决措施：(1)(5)抗冰冻：(5)抗冰冻：(6)地震三、土坝类型按施工方法分类：(1)碾压式土坝(均质坝：分区坝(心墙坝：斜墙坝)人工防渗材料坝)(2)水中填筑土坝(3)水力冲填坝，(2)(3)坝型存在的缺点：坝坡过缓，工程量大，固结慢，强度低，若施工速度过快，易滑坡。三、排水设施作用防止渗透破坏。定；增强下游坝坡及坝基稳降低坝身浸润线；排坝