水利水電工程建筑物

1、水利水電工程建筑物 主講教師：梁文 聯(lián)系電話E-mail: 815461084第一章 本章的重點(diǎn)內(nèi)容：本章的重點(diǎn)內(nèi)容： 1、水利水電工程概述；、水利水電工程概述； 2、水利水電工程樞紐、水利水電工程樞紐 3、水利水電工程建筑物的類型、水利水電工程建筑物的類型一、水利水電工程概述1、水利水電工程定義： 指本著除害興利的目的興建的對(duì)自然界地表水和地下水進(jìn)行控制和調(diào)配的工程。 水利工程的根本任務(wù)是：除水害和興水利2、水利水電工程按所承擔(dān)的任務(wù)分類為： （1）、防洪工程；（2）、農(nóng)田水利工程； （3）、水利發(fā)電工程；（4）、供水和排水工程；（5）、航運(yùn)工程； 二、水利水電工程

2、樞紐1、水利水電工程樞紐定義： 為了綜合利用水資源，達(dá)到防洪、發(fā)電、灌溉、供水等目的，需要修建各種不同類型的建筑物，形成一個(gè)相互聯(lián)系的整體，共同控制和支配水流，由此構(gòu)成的綜合體成為水利水電工程樞紐。這樣的建筑物統(tǒng)稱為水工建筑物。2、水利樞紐分等及水工建筑物分級(jí)（1 1）、目的）、目的：為使工程的安全可靠性與其造價(jià)的經(jīng)濟(jì)合理性恰當(dāng)?shù)亟y(tǒng)一起來(lái),所以要對(duì)水利樞紐及其組成的建筑物進(jìn)行分等分級(jí)。（2 2）、分等分級(jí)的依據(jù)：分等分級(jí)的依據(jù)： 首先按水利樞紐工程的類型、規(guī)模、重要性、效益及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平所起到的作用進(jìn)行分等，然后再對(duì)各組成建筑物按其所屬樞紐的等別、建筑物在樞紐中所起的作用和重要性進(jìn)行分

3、級(jí)。 （3 3）、劃分原則：）、劃分原則： 當(dāng)該樞紐為綜合利用項(xiàng)目時(shí)，分等指標(biāo)確定不同時(shí)應(yīng)取最等別。三、三、水工建筑物分類、作用和特點(diǎn)水工建筑物分類、作用和特點(diǎn)1、水工建筑物按在樞紐中的作用分類：（1）、擋水建筑物 （2）、泄水建筑物 （3）、輸水建筑物（4）、取(進(jìn))水建筑物 （5）、整治建筑物 (6)、專門建筑物2、按建筑物使用時(shí)間分類： 永久性建筑物和臨時(shí)性建筑物。3、水工建筑物特點(diǎn)：（1）工作條件的復(fù)雜性 （2）設(shè)計(jì)選型的獨(dú)特性（3）施工建造的艱巨性 （4）工程效益的顯著性（5）環(huán)境影響的多面性 （6）失事后的嚴(yán)重性3、水電站的類型： 1、壩式水電站 主要依靠攔河筑壩抬高水位、集中落差

4、形成水頭的水電站稱為壩式水電站。包括：河床式、壩后式和河岸式水電站。 2、引水式水電站 引水式水電站是在河段上游筑閘或低壩取水，經(jīng)引水道引水至河段下游來(lái)集中落差形成水頭的水電站。 引水道可以是有壓的也可是無(wú)壓的。壩式水電站引水式水電站3、混合式水電站 通過(guò)攔河筑壩集中部分落差，再通過(guò)有壓引水道另一部分而形成總水頭的水電站叫做混合式水電站。4、水電站的組成建筑物 （1）、進(jìn)水、輸水建筑物。 （2）、平壓建筑物。 （3）、廠房建筑物。第二章、擋水建筑物第二章、擋水建筑物 重、難點(diǎn) 1、掌握重力壩的工作原理、細(xì)部構(gòu)造及地基處理特點(diǎn)。 2、重點(diǎn)掌握重力壩的作用類型及組合、安全分析的內(nèi)容和方法、 3、重

5、點(diǎn)掌握拱壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力特點(diǎn)、荷載特點(diǎn)，掌握拱壩的布置原則。 4、掌握土石壩的特點(diǎn)、土石壩的組成及作用、重點(diǎn)掌握土壩滲流、穩(wěn)定分析方法。一、巖基上的重力壩一、巖基上的重力壩 重力壩的工作原理：在水壓力及其他荷載的作用下，主要依靠自重在滑動(dòng)面上產(chǎn)生的抗滑力來(lái)抵消壩前水壓力滿足穩(wěn)定的要求，同時(shí)依靠壩體自重在水平截面上產(chǎn)生的壓應(yīng)力來(lái)抵消由于水壓力所引起的拉應(yīng)力滿足強(qiáng)度的要求。 重力壩的類型 :按壩的高度分類為：高壩、中壩、低壩三類按照筑壩材料分類可分為：混凝土重力壩和漿砌石重力壩。按照壩體的結(jié)構(gòu)型式分類可分為：實(shí)體重力壩、寬縫重力壩、空腹重力壩。按照壩體是否過(guò)水可分為：溢流壩和非溢流壩。按照施工方

6、法分類可分為：澆筑式混凝土重力壩和碾壓式混凝土重力壩。 重力壩的設(shè)計(jì)內(nèi)容重力壩的設(shè)計(jì)內(nèi)容 1、總體布置 首先選擇壩址、壩軸線和壩的結(jié)構(gòu)型式。確定壩體與兩岸及交叉建筑物聯(lián)接方式。最終確定壩體在樞紐中的布置。 2、剖面設(shè)計(jì) 可參照已建的類似工程，初擬剖面尺寸。 3、穩(wěn)定分析 用單一安全系數(shù)法和可靠度理論法，核算壩體沿壩基面或沿地基深層軟弱結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定安全性能。 4、應(yīng)力分析 用材料力學(xué)法和可靠度理論法，對(duì)壩體材料進(jìn)行強(qiáng)度較核。 5、構(gòu)造設(shè)計(jì) 根據(jù)施工和運(yùn)行要求，確定壩體細(xì)部構(gòu)造。(廊道、排水、壩體分縫、止水等) 6、地基處理 地基的防滲(帷幕灌漿)、排水、斷層、破碎帶處理等。 7、溢流重力壩和泄

7、水孔的孔口設(shè)計(jì)。8、監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 包括壩體內(nèi)部和外部的觀測(cè)設(shè)計(jì)，制定大壩的運(yùn)行、維護(hù)和監(jiān)測(cè)條例。 重力壩的穩(wěn)定分析重力壩的穩(wěn)定分析 單一安全系數(shù)法:抗剪強(qiáng)度公式（摩擦公式）該方法是把滑動(dòng)面看成接觸面，而不是膠結(jié)面，只計(jì)滑動(dòng)面上的摩擦力，而不計(jì)凝聚力?？辜魯鄰?qiáng)度公式 2.分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)法該方法中反映了壩體上的作用(荷載)的不定性和變異性，荷載均為隨機(jī)變量。設(shè)計(jì)狀態(tài)按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算。 重力壩的應(yīng)力分析重力壩的應(yīng)力分析 目的是為了檢驗(yàn)大壩在施工期和運(yùn)用期是否滿足強(qiáng)度要求；并根據(jù)應(yīng)力分布情況進(jìn)行壩體混凝土標(biāo)號(hào)分區(qū)；也為研究壩體某些部位的應(yīng)力集中和配筋等提供依據(jù)。 方法: 1、模型試驗(yàn)法；2、材料力

8、學(xué)法；3、彈性理論的解析法；4、彈性理論的有限元法 材料力學(xué)方法的基本假定有三條：(1)壩體混凝土為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性材料。 (2)視壩段為固接于地基上的懸臂梁，不考慮地基變形對(duì)壩體應(yīng)力的影響，并認(rèn)為各壩段獨(dú)立工作，橫縫不傳力。 (3)假定壩體水平截面上的正應(yīng)力按直線分布，不考慮廊道等對(duì)壩體應(yīng)力的影響。當(dāng)采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)重力壩應(yīng)分別按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。重力壩的構(gòu)造重力壩的構(gòu)造 壩體混凝土分區(qū):混凝土重力壩壩體各部位的工作條件及受力條件不同，對(duì)上述混凝土材料性能指標(biāo)的要求也不同。為了滿足壩體各部位的不同要求，節(jié)省水泥用量及工程費(fèi)用，把安全與經(jīng)濟(jì)統(tǒng)一

9、起來(lái)，通常將壩體混凝土按不同工作條件進(jìn)行分區(qū)，選用不同的強(qiáng)度等級(jí)和性能指標(biāo)。 壩體分縫 :由于地基不均勻沉降和溫度變化、施工時(shí)期的溫度應(yīng)力以及施工澆筑能力等原因，一般要對(duì)壩體進(jìn)行分縫。 1、橫縫:作用是減小溫度應(yīng)力、適應(yīng)地基不均勻變形滿足施工要求。 2、縱縫:為了適應(yīng)混凝土的澆筑能力和減少施工期的溫度應(yīng)力，常在平行壩軸線方向設(shè)縱縫，將一個(gè)壩段分成幾個(gè)壩塊，待壩體降到穩(wěn)定溫度后再進(jìn)行接縫灌漿。 3、水平工作縫 :是分層施工的新老混凝土之間的接縫，是臨時(shí)性的。 重力壩的地基處理 地基處理主要包含兩個(gè)方面的工作：一是防滲；二是提高基巖強(qiáng)度。 固結(jié)灌漿：在重力壩工程中采用淺孔低壓灌注水泥漿的方法對(duì)地基

10、進(jìn)行加固處理。目的是：提高基巖的整體性和強(qiáng)度，降低地基的透水性。 帷幕灌漿：目的是：降低壩底滲透壓力；防止壩基內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械或化學(xué)管涌；減少壩基和繞壩滲透流量。 拱壩 重點(diǎn)內(nèi)容：重點(diǎn)內(nèi)容： 1 1、拱壩的工作原理，、拱壩的工作原理， 2 2、拱壩的類型，、拱壩的類型， 3 3、溫度荷載對(duì)壩體應(yīng)力和壩肩巖體穩(wěn)定、溫度荷載對(duì)壩體應(yīng)力和壩肩巖體穩(wěn)定的影響，的影響， 4 4、拱梁分載法和拱冠梁法的基本原理。、拱梁分載法和拱冠梁法的基本原理。 拱壩的工作原理及其特點(diǎn)拱壩的工作原理及其特點(diǎn) 原理：拱壩是固接于基巖的空間殼體結(jié)構(gòu)，在平面上呈凸向上游的拱形，其拱冠剖面呈豎直的或向上游凸出的曲線形，壩體結(jié)構(gòu)既有拱作

11、用又有梁作用，其所承受的水平荷載大部分通過(guò)拱的作用傳給兩岸巖體，小部分通過(guò)梁的作用傳至壩底基巖，壩體的穩(wěn)定主要依靠?jī)砂豆岸藥r體來(lái)支承，并不是靠壩體自重來(lái)維持。 特點(diǎn)：1、用拱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分利用材料強(qiáng)度。2、利用兩岸巖體維持穩(wěn)定 3、超載能力強(qiáng)（511倍），安全度高。4、抗震性能好。 5、荷載特點(diǎn) 6、壩身泄流布置復(fù)雜。 拱壩的布置原則拱壩的布置原則 壩身的布置原則是：在滿足穩(wěn)定和運(yùn)用要求的條件下，壩體輪廓力求簡(jiǎn)單，基巖面、壩面變化平順，避免有任何突變，使壩體材料得到充分發(fā)揮，總工程量最省。 壩端的布置原則：拱端應(yīng)嵌入開(kāi)挖后的堅(jiān)實(shí)基巖內(nèi)，拱端與基巖的接觸面原則上應(yīng)做成半徑向的，以使拱端推力接近垂

12、直于拱座面。即拱端下游面與可利用巖面線的夾角30。 溫度荷載對(duì)拱壩溫度荷載對(duì)拱壩應(yīng)力穩(wěn)定的影響 溫度荷載溫度荷載是拱壩設(shè)計(jì)中的主要荷載之一。溫度荷載的大小與封拱溫度有關(guān)，封拱溫度的高低對(duì)溫度荷載的影響很大。溫度升高，拱圈伸長(zhǎng)并向上游位移，由此產(chǎn)生的彎矩、剪力的方向與庫(kù)水位產(chǎn)生的相反，但軸力方向相同。溫度降低，拱圈收縮并向下游位移，由此產(chǎn)生的彎矩、剪力的方向與庫(kù)水位產(chǎn)生的相同，但軸力方向相反。一般情況下，溫降對(duì)壩體應(yīng)力不利，對(duì)壩肩穩(wěn)定有利。溫升對(duì)壩體應(yīng)力有利，對(duì)壩肩穩(wěn)定不利。 拱壩應(yīng)力分析拱壩應(yīng)力分析 常用方法有圓筒法、純拱法、拱梁分載法（包括拱梁法和拱冠梁法）、有限單元法和模型試驗(yàn)法等。 圓筒

13、法：圓筒法：只適用于承受均勻外水壓力的等截面圓弧拱圈，只能粗略地求出徑向截面上的均勻應(yīng)力 純拱法：純拱法：假定拱壩由一系列各自獨(dú)立互不影響的水平拱圈疊合而成，每層拱圈簡(jiǎn)化為兩端固結(jié)的平面拱，用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求解拱的應(yīng)力拱梁分載法：拱梁分載法：是當(dāng)前用于拱壩應(yīng)力分析的基本方法，它把拱壩看成由一系列水平拱圈和鉛直梁所組成，荷載由拱和梁共同承擔(dān)，各承擔(dān)多少荷載由拱梁交點(diǎn)處變位一致條件決定。荷載分配后，梁按靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)力，拱按純拱法計(jì)算應(yīng)力。 拱梁分載法包括多拱梁法和拱冠梁法 有限單元法有限單元法是將拱壩連同地基的整體結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元構(gòu)件，以結(jié)點(diǎn)互相連接，通過(guò)建立結(jié)點(diǎn)位移和結(jié)點(diǎn)力之間的平衡方程，求

14、得結(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)而求出單元應(yīng)力。 結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)法結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)法就是用石膏加硅藻土組成脆性材料，制作成拱壩整體模型，用應(yīng)變儀量測(cè)加荷后模型各點(diǎn)應(yīng)變值的變化從而求得壩體的應(yīng)力 壩肩穩(wěn)定分析壩肩穩(wěn)定分析 穩(wěn)定分析方法一類是數(shù)值計(jì)算法，它包括剛體極限平衡法（如剛性塊法、分塊法、赤平投影法等）和有限元法；另一類是模型試驗(yàn)法，它包括線彈性結(jié)構(gòu)應(yīng)力模型試驗(yàn)和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)。 改善拱座穩(wěn)定的措施 ：1、加強(qiáng)地基處理，對(duì)不利的節(jié)理等進(jìn)行有效的沖洗并進(jìn)行固結(jié)灌漿，必要時(shí)可采用預(yù)應(yīng)力錨固措施，以提高其抗剪強(qiáng)度。2、加強(qiáng)壩肩巖體的灌漿和排水措施，減少巖體的滲透壓力。3、將拱端向岸壁深挖嵌進(jìn)，以擴(kuò)大下游的抗滑巖體，也可

15、避開(kāi)不利的滑裂面。這種做法對(duì)增加拱座的穩(wěn)定性較有效。4、改進(jìn)拱圈設(shè)計(jì)，如采用三心圓拱、拋物線拱等形式，使拱端推力盡可能趨向正交于岸坡。5、如拱端基巖承載能力較差，可局部擴(kuò)大拱端或設(shè)置推力墩等。 土石壩 重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容 1、掌握土石壩的類型及其構(gòu)造特點(diǎn)、 2、土石壩的滲流的目的，滲透變形的形式、壩坡抗滑穩(wěn)定分析的方法 3、壩基處理的措施，要注意砂礫石地基的處理措施。土石壩的特點(diǎn)土石壩的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 筑壩材料來(lái)源直接、方便，能就地取材，能節(jié)省大量的鋼材、水泥和木材等建筑材料。適應(yīng)地基變形的能力強(qiáng)。土石壩為土料或石料填筑的散粒結(jié)構(gòu)，能較好地適應(yīng)地基的變形，對(duì)地基的要求在各種壩型中是最低的。構(gòu)造簡(jiǎn)單，

16、施工技術(shù)容易掌握，適應(yīng)于大型機(jī)械化施工。運(yùn)用管理方便，工作可靠，壽命長(zhǎng)，維修加固和擴(kuò)建均較容易。 缺點(diǎn) 壩頂不能溢流。受散土石料強(qiáng)度的限制，土石壩壩身通常不允許過(guò)流，需單獨(dú)設(shè)置泄水建筑物。施工導(dǎo)流不如混凝土壩方便。壩體填筑工程量大，而而且土料施工受氣候條件的影響較大。 土石壩的類型土石壩的類型 按壩體高度可分為：高壩、中壩、低壩。其中，低壩的高度為30m以下，中壩的高度為3070m，高壩的高度為70m以上。 按施工方法可分為：碾壓式土石壩，拋填式土石壩，水力沖填壩和定向爆破堆石壩等。 其中應(yīng)用最為廣泛的是碾壓式土石壩。 按土料在壩體中的配置和防滲體所用的材料又可分為：均質(zhì)壩、分區(qū)壩、人工防滲材

17、料壩。 土石壩的組成及作用土石壩的組成及作用 壩身：是土石壩的主體，壩坡的穩(wěn)定主要靠壩身來(lái)維持，并對(duì)防滲體起到保護(hù)作用。 防滲體是土石壩的重要組成部分，其作用是防滲，必須滿足降低壩體浸潤(rùn)線、降低滲透坡降和控制滲流量的要求，另外還需滿足結(jié)構(gòu)和施工上的要求。常見(jiàn)的防滲體型式有心墻、斜墻等。 排水設(shè)備：目的：降低壩體浸潤(rùn)線及孔隙壓力，改變滲流方向，增加壩體穩(wěn)定；防止?jié)B流逸出處的滲透變形，保護(hù)壩坡和壩基；防止下游波浪對(duì)壩坡的沖刷及凍脹破壞，起到保護(hù)下游壩坡的作用。常見(jiàn)的排水型式有：棱體排水、貼坡排水、褥墊排水和綜合式排水等。 護(hù)坡：為保護(hù)土石壩壩坡免受波浪淘刷、冰層和漂浮物的損害、降雨沖刷，防止壩體土

18、料發(fā)生凍結(jié)、膨脹和收縮以及人畜破壞等，需設(shè)置護(hù)坡結(jié)構(gòu)。上游護(hù)坡常采用堆石、干砌石或漿砌石、混凝土或鋼筋混凝土、瀝青混凝土等型式。下游護(hù)坡要求略低，可采用草皮、干砌石、堆石等型式。土石壩滲流分析土石壩滲流分析 目的是：確定壩體浸潤(rùn)線和下游逸出點(diǎn)位置，繪制壩體及地基內(nèi)的等勢(shì)線分布圖或流網(wǎng)圖，為壩體穩(wěn)定核算、應(yīng)力應(yīng)變分析和排水設(shè)備的選擇提供依據(jù)；計(jì)算壩體和壩基滲流量，以便估算水庫(kù)的滲漏損失和確定壩體排水設(shè)備的尺寸；確定壩坡出逸段和下游地基表面的出逸比降，以及不同土層之間的滲透比降，以判斷該處的滲透穩(wěn)定性；確定庫(kù)水位降落時(shí)上游壩殼內(nèi)自由水面的位置，估算由此產(chǎn)生的孔隙壓力，供上游壩坡穩(wěn)定分析之用。 分析方法：流體力學(xué)法、水力學(xué)法、流網(wǎng)法、試驗(yàn)法和數(shù)值解法。 土石壩滲透穩(wěn)定分析土石壩滲透穩(wěn)定分析 滲透變形：在滲透水流的物理或化學(xué)作用下，導(dǎo)致土石壩壩身及地基中的土體顆粒流失，土壤發(fā)生局部破壞。 類型有管涌、流土、接觸沖刷和接觸流失等。工程中以管涌和流土最為常見(jiàn)。 與土料性質(zhì)、土粒級(jí)配、水流條件以及防滲、排水措施等因素有關(guān) 防止?jié)B透