水工建筑物复习总结+习题集

1第一章绪论水资源是重要的自然资源之一，是人类赖依生存和社会生产不可缺少而又无法替代的物质资源。地球上的水总量很大，约为15*108Km3，其中人类可以利用的淡水总量为0.38*108Km3,仅占全球总水量的2.5%。我国水资源总量丰富，人均占有量较少，人均占有量为2300M3，相当于世界人均占有量有1/4。水利工程是指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。水利工程的根本任务是：除水害兴水利。资源水利就是从水资源开发、利用、治理、配置、节约、保护等六个方面系统分析，综合考虑，实现水资源的可持续利用。水工建筑物：为了达到防洪、灌溉、发电、供水等目的，需要修建各种不同类型的水工建筑物，用来控制和支配水流。这些建筑物统称为水工建筑物。水利枢纽是指集中建造的几种水工建筑物配合使用，形成一个有机的综合体，称为水利枢纽。水利枢纽分为蓄水枢纽（水库）和取水枢纽。其中水库枢纽包括挡水、泄水、输水（或引水）三类建筑物，称为水库三大件。水工建筑物的分类按其在枢纽中的作用分为：挡水建筑物：用以拦截江河，形成水库或壅高水位。如拦河坝、拦河闸。泄水建筑物：用以宣泄多余水量，排放泥沙和冰凌，或为人防、检修而放空水库等，以保证坝和其他建筑物的安全。如溢流坝、溢洪道、隧洞。输水建筑物：为灌溉、发电和供水的需要，从上游向下游输水用的建筑物。如：引水隧洞、渠道、渡槽、倒虹吸等。取（进）水建筑物：是输水建筑物的首部建筑物，如引水隧洞的进口段、进水闸等。整治建筑物、专门建筑物。水工建筑物的特点：（1）工作条件的复杂性；（2）设计选型的独特性；（3）施工建造的艰巨性；（4）工程效益的显著性；（5）环境影响的多面性；（6）失事后果的严重性；水利枢纽按其规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等。水工建筑物按其所属枢纽工程的等别及其在工程中的作用和重要性分为五级。第二章重力坝重力坝的工作原理是在水压力及其他荷载的作用下，主要依靠坝体自身重量产生的抗滑力来满足稳定的要求；同是也依靠坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力，以满足强度的要求。其基本剖面为上游面近于垂直的三角形剖面。重力坝的类型按其结构形式为：实体重力坝、空腹重力坝、宽缝重力坝。扬压力是由上、下游水位差产生的渗透水压力和下游水深产生的浮托力两部分组成。泥沙压力根据坝前淤积高程——淤积计算年限可取50-100年。波浪要素：波浪高度、波浪长度、波浪中心线超出静水面的高度。基本烈度：是指该地区今后50年期限内，可能遭遇超越概率P50为0.10的地震烈度。重力坝抗滑稳定分析：目的是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性能。失稳形式有两种：一种是沿坝体抗剪能力不足的软弱结构薄弱层面产生滑动，这种软弱结构薄弱层包括坝体与坝基的接触面和坝基岩体内连续的断层破碎带。另一种是在各种荷载作用下，上游坝踵出现拉应力，使之裂缝，或下游坝趾压应力过大，超过坝基岩体或坝体砼的允许强度而压碎，从而产生破坏。提高坝体抗滑稳定性的工程措施1、利用水重。2、将坝基面开挖成倾向上游的斜面，借以增加抗滑力，提高稳定性。3、设置齿增。4、抽水措施。5、加固地基。6、横缝溉浆。7、预应力锚固措施。应力分析的目的是检验大坝在施工期间和运用期是否满足强度要求；根据应力分布情况进行坝体砼标号分区；为研究坝体某些部位应力集中和配筋等提供依据。分析方法：理论计算和模型试验两大类。材料力学法基本假定：坝体砼为均质、连续、各向同性的弹性材料。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影响，并认为各坝段之间独立工作，横缝不传力。假定坝体水平截面上的正应力按直线分布。重力坝剖面设计原则保证大坝安全运用，满足稳定和强度要求；尽可能节省工程，力求获得最小剖面尺寸，造价最低。坝体外形轮廓简单，便于施工。运行方便。重力坝消能形式及适用条件挑流消能适用于基岩比较坚固的高坝或中坝。底流消能适用于中、低坝或基岩较软弱的河道。面流消能适用于水头较小的中、低坝，要求下游水位稳定，尾水较深，河道顺直，河床和河岸在一定范围内有较高抗冲能力，可排漂和排冰。消力戽适用于尾水较深，变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲能力的情况。联合消能适用于泄洪量大，河床相对狭窄、下游地质条件差的高、中坝或单一消能形式经济合理性差的情况。坝体分缝按其作用可把缝分为沉降缝、伸缩缝、工作缝；按其位置分为横缝、纵缝及水平缝。为了适应砼的浇筑能力和减少施工期的温度应力，常在平行坝轴线方向设纵缝，将一个坝段分为几个坝块，待坝体降到稳定温度后再进行接缝灌浆。纵绦是平行于坝轴线设置的温度缝和施工缝。2重力坝地基处理主要包含：防渗、提高基岩强度。坝基固结灌浆的目的是提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性。帷幕灌浆的目的是降低坝底渗透压力，防止坝基内产生机械或化学管涌，减少坝基和绕坝渗透流量。宽缝重力坝是将相邻坝段间的横缝部分地拓宽的重力坝。在实体重力坝坝底沿坝轴线方向设置大尺寸的空腔，即为空腹重力坝。支墩坝按其过水面板的形式分为：平板坝、连拱坝和大头坝。碾压砼重力坝是用水泥含量比较低的超干硬性砼经碾压而成的砼坝。第三章拱坝拱坝是平面上向上游三向固定的空间壳体挡水建筑物，是由一根根悬臂梁和一层层水平拱构成的，它能把上游坝面水压力等荷载的大部分通过拱的作用传给两岸岩体，而将小部分水压力通过悬臂梁的作用传至坝底基岩。它不像重力坝那样利用自重维持稳定，而是利用筑坝材料的抗压强度和两岸拱端岩体来支承拱端推力。拱坝的工作原理与重力坝的不同：1、拱坝是一种推力结构，在外荷载作用下，只要设计得当，拱圈截面上主要承受轴向压应力，弯矩较小，有利于充分发挥坝体砼或浆砌石材料抗压强度。拱作用发挥得愈大，材料的抗压强度愈充分利用，坝体的厚度也愈可减薄。而重力坝受弯曲为主，无法充分发挥材料的抗压强度。2、与重力坝利用自重维持稳定的特点不同，拱坝将外荷载大部分通过拱作用传至两岸岩体，主要依靠两岸岩体维持稳定，坝体自重对拱坝的稳定性影响不大。3、自重与扬压力等荷载降为次要荷载，而温度和地基变形将对拱应力产生较大影响。拱坝中心角对应力、稳定的影响：中心角愈大，拱圈厚度愈小，材料强度可得到充分利用，对应力有利。但对拱坝坝肩稳定不利。拱坝的类型：薄拱坝、一般拱坝、厚拱坝（重力拱坝）、单曲拱坝、双曲拱坝。拱坝的布置原则：根据坝趾处地形、地质等自然条件以及枢纽综合利用要求统筹布置。在满足稳定和建筑物运用要求条件下，通过调整拱坝的外形尺寸，使坝体材料的强度得到充分发挥，将拉应力控制在允许范围内，使坝体的总工程量最省。温度荷载是指拱坝在运行过程中，坝体温度相对于封拱温度的变化值。封拱温度的高低对温度荷载的影响很大。封拱温度越低，建成后愈有利于降低坝体拉应力。一般情况下，温降对坝体应力不利，温升对坝肩稳定不利。温度荷载包括：均匀温度变化tm、沿坝厚温度梯度变化td、非线性温度变化tn；拱坝应力分析方法有：圆筒法、纯拱法、拱梁分载法（包括拱梁法和拱冠梁法）、有限单元法和模型试验法等。圆筒法是将拱坝当作铅直圆筒的一部分。纯拱法假定拱坝由一系列各自独立互不影响的水平拱圈叠全而成，每层拱圈简化为两端固结的平面拱，用结构力学方法求解拱的应力。拱冠梁法基本原理拱冠梁法是拱梁分载法最基本的一种，（1）它按照拱冠部位的中央悬臂梁和若干水平拱在交点处径向变位一致的原则进行拱梁荷载分配。（2）求得各层拱圈的拱冠梁各自承担的荷载后，拱圈各截面的应力，拱冠梁按悬臂梁结构计算应力。拱坝坝身泄水方式：自由跌落式、鼻坎挑流式、滑雪道式、坝身泄水孔式。（1）适用于基岩良好，泄量不大，坝体较薄的双曲拱坝或小型拱坝。（2）适用于基岩良好，泄量大，坝体较薄的双曲拱坝或大中型拱坝。（3）适用于泄量大，坝体较薄拱坝。第四章土石坝土石坝的工作特点：稳定方面：由于坝体断面形状为梯形，断面比较大,在水平水压力的作用下，不可能产生沿坝基面的整体滑动。其失稳主要形式是坝坡滑动或坝坡连同部分坝基一起滑动。渗流方面：大坝建成挡水后，水库里的水将通过坝身、坝基及两岸向下游渗透，在坝身和坝基的结合面及坝和其他建筑的结合面更是渗流易于通过而产生集中渗流的地方。为了消除减轻渗流的上述不利影响，土坝必须采用可靠的防渗排水设施，以减少渗漏损失并保证坝体和坝基土的渗透稳定性。渗流在坝体内的自由水面称为浸润面。_____浸润线冲刷方面：由于土体颗粒间的粘结力很小，抗冲能力低。水库内风浪对坝面将产生强烈的冲击淘刷作用，和雨水的冲刷坝面。为此，上下游坝坡均需采取有效的防冲保护及坝面排水措施，以免受风浪、雨水甚至动物作空等有害影响。沉降方面：由于土粒间存在空隙，且很容易产生相对移动，因此在坝体自重和水压力的作用下，坝体和坝基都会由于压缩而产生沉降。沉降过大会造成坝顶高程不足而影响土坝的正常工作，不均匀沉降会引起坝体开裂，造成大坝漏水。土石坝的类型：按其施工方法分碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水力冲填坝和水中填土坝。其中碾压式土石坝分为均质坝、分区坝（心墙坝、斜墙坝和斜心墙坝）、人工防渗材料坝。由于上游坝坡长期浸泡于水中，土的抗剪强度下降，会降低坝体的稳定性。所以，当材料相同时，上游坡常比下游坡缓，对在同一水位侧坝坡，水下部分也常比水上部分缓。防渗体的作用是防渗，降低坝体浸润线、降低渗透坡降和控制渗流量。排水体的作用是（1）降低坝体浸润线及孔隙压力、改变渗流方向，增加坝体稳定（2）防止渗流逸出处的渗透变形、保护坝坡和坝基；（3）防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏，起到保护下游坝坡的作用。排水体类型：棱体排水、贴坡排水、褥垫排水和组合式排水。3渗流计算的目的1）确定坝体浸润线及下游出逸点的位置。为坝体稳定计算提供依据。2）计算坝体和坝基渗流量，以便估算水库的渗漏损失。3）求出坝体和坝基局部地区的渗透坡降，验算该处是否会发生渗透破坏。分析方法有流体力学法、水力学法、流网法、试验法和数值解法。水力学法基本假定：坝体为均质，坝内各点在各方向的渗透系数相同；渗透水流为二元稳定层流状态，符合达西定律；渗透水流是渐变的，任一铅直过水断面内各点的渗透坡降和流速相等。渗透变形的类型：管涌、流土、接触冲刷、接触流土等类型。防渗透变形的工程措施：（1）采取水平或垂直防渗措施，以便尽可能地延长渗径，以达到降低渗透坡降的目的。（2）采取排水减压措施，以降低坝体浸润线和下游渗流出口处的渗透压力。对可能发生管涌的部位，设置反滤层；可能发生流土，可设置盖重以增加土体抵抗渗透变形的能力。反滤层的作用：排水滤土。反滤层面的设置大体与渗流方向正交，且顺渗流方向粒径应由小到大。土坝稳定分析土坝坝坡较缓，在外荷载作用下，不会产生整体水平滑动。如果剖面尺寸不当或坝体、坝基材料的抗剪强度不足，在一些不利荷载组合下，有可能发生坝体或坝体连同部分坝基一起局部滑动失稳；另外，当坝基内有软弱来层时，也可能发生塑性流动，影响坝的稳定。稳定计算目的：保证坝体在自重、各种情况下的孔隙压力和外荷载作用下，具有足够的稳定性，不致发生通过坝体或坝体连同地基的剪切破坏。滑动破坏形式：圆弧滑动面、折线滑动面和复合滑动面。砂卵石地基的处理主要是解决防渗问题，通过采取“上堵”、“下排”相结合的措施，达到控制地基渗流的目的。基本方式有垂直防渗、水平防渗和排水减压等。前者有粘土截水墙、砼截水墙、砼防渗墙、水泥粘土灌浆帷幕。水平有防渗铺盖。第五章水闸水闸是一种低水头建筑物，既能挡水、又能泄水，用以调节水位，控制泄流量。水闸按其承担的任务分为进水闸、节制闸、排水闸、分洪闸、挡潮闸、冲沙闸。按其结构型式分为：开敞式和封闭式水闸。水闸的组成由闸室、上游连接段、下游连接段三部分组成。闸室的主要作用是调节水位，控制流量。其包括闸门、闸墩、底板、胸墙、工作桥、交通桥等几部分。闸孔设计的影响因素有闸孔型式、闸底板高程；防渗设计任务在于经济合理地拟定闸的地下轮廓线的形式和尺寸，以消除和减少渗流对水闸所产生的不利影响，保证闸基及两岸不产生渗透变形破坏。地下轮廓线：不透水的铺盖、板桩及底板与地基的接触线，即是闸基的渗流的第一条流线