水工.docx

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水工

第一章绪论

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。

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。

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。

重力坝地基处理主要包含：

防渗、提高基岩强度。

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。

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。

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。

6．什么是渗流压力，浮托力及扬压力有什么特点？

渗流压力是由上游作用水头或上下游水位差产生的作用于计算截面底部的静水压力，入渗点压力水头值最大，等于作用水头或上下游水位差，逸出点压力水头值最小，等于零；

浮托力是由下游水深产生的作用于计算截面底部的静水压力，其压力水头值等于计算点的下游水深；

扬压力等于渗流压力与浮托力的代数和。

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。

7.提高重力坝抗滑稳定性有哪些措施？

　　①利用水重，将坝体上游面做成倾斜，利用水重增加向下的垂直力。

　　②坝基面向上游倾斜，对抗滑稳定有利。

　　③在坝基面设置防渗排水设施，减少扬压力。

　　④坝踵深齿墙，当软弱夹层埋藏较浅时，将坝踵附近出露的软弱夹层开挖齿槽切断，并回填混凝土处理，施工简单，工程量不大，有利于坝基防渗。

　　⑤混凝土洞塞，当软弱夹层埋藏较深时，厚度大且倾角较平缓，全部挖出工程量大，可在软弱夹层中放置数排混凝土洞塞，增加软弱夹层的抗剪能力。

　　⑥坝趾深齿墙，在坝趾下游修建深齿墙，增加尾岩抗力体高度，增加尾岩抗力，适用于在坝基开挖过程中出，发现了原来没有预见到的夹层时采用。

　　⑦钢筋混凝土抗滑桩，在坝基软弱夹层的下游坝趾、抗力体部位，布置钢筋混凝土抗滑桩，深入到滑动面以下完整岩体中，利用桩体承受推力或剪力增加尾岩抗力。

　　⑧预应力锚索。

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。

重力坝应力分析的材料力学有哪几条基本假定？

　　①坝体材料为均质、连续、各向同性的弹性材料。

　　②地基的变形对坝体的应力没有影响。

　　③任意水平截面上的正应力呈直线分布（平面假定）

坝基固结灌浆的目的：

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：

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。

回填灌浆：

对混凝土浇筑未能浇实留有空隙的部位的灌浆。

作用：

可使一二次混凝土结合为整体，还可加固土体，回填空隙共同抵御外力防止渗漏。

16.重力坝固结灌浆的目的

固结灌浆：

在坝基受力较大范围内，钻孔进行浅层低压灌浆，用坝整体加固地基，

其目的：

　　①改善地基的强度、整体性、提高基岩的不透水性；

　　②坝实在溶洞、断层中充当的砼与基岩间的裂隙；

　　③有利于提高帷幕灌浆的压力。

17.重力坝防渗帷幕灌浆的目的

帷幕灌浆：

在坝踵附近钻孔，进行深层高压灌浆，充填地基中的裂隙和渗水通道，形成一道连续的砼地下墙。

　　帷幕灌浆作用：

减少坝底渗透压力；降低坝底渗流坡降，防止发生机械或化学管涌；减少渗流量。

18.重力坝回填灌浆的目的：

回填灌浆：

对混凝土浇筑未能浇实留有空隙的部位的灌浆

作用：

可使一二次混凝土结合为整体，还可加固土体，回填空隙共同抵御外力防止渗漏。

重力坝的工作原理和特点

工作原理：

重力坝在水压力及其他荷载作用下，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。

工作特点：

优点：

①结构作用明确，设计方便简单，安全可靠；②对地形、地质条件适应性强；③枢纽泄洪问题容易解决；④便于施工导流；⑤施工方便。

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，在浇筑混凝土时，需要有较严格的温度控制措施。

重力坝材料分区

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。

2、设计拱坝时，选择拱圈中心角应考虑哪些因素？

对于一定高度的河谷，拱中心角越大，拱圈厚度越小，材料强度就越能得到充分利用，因而适当加大中心角是有利的，经过演算，可以得出使拱圈体积最小的中心角2A=133.57°。

但从稳定条件考虑，过大的中心角将使拱轴线与河岸基岩等高线间的交角过小，以致拱端推力过于趋向岸边，不利于坝肩岩体的稳定。

对于向下游缩窄的河谷，可采用110-120°；当坝址下游岩基内有软弱带或坝肩支撑在比较薄的山嘴时，则应适当减小拱的中心角，使拱推力转向岩体内侧，以加强坝基稳定。

拱坝的最大应力发生在坝高1/3—1/2处，所以在中下部采用较大中心角，由此向上向下中心角都减小。

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。

温度荷载对拱坝的应力和坎肩稳定有何影响？

当坝体温度低于封拱温度称温降，拱圈将缩短并向下游变位，由此产生弯矩、剪力及位移的方向都与水库水压力作用下所产生的弯矩、剪力及位移方向相同对坝体不利。

当坝体温度高于封拱温度时称温升，将使坝端推力加大，对坎肩稳定不利。

一般情况下，温降对坝体应力不利，温升对坝肩稳定不利。

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

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。

按防渗体材料分：

均质坝、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

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