水利水電工程導論第四章課件

1、水利水電工程導論第四章 擋水建筑物第四章 擋水建筑物所謂擋水建筑物是指為攔截水流、抬高水位、調蓄水量或為阻擋洪水泛濫和海水入侵而建的水工建筑物。如攔河閘、壩、堤防、海塘等。所謂泄水建筑物是指用于排放水、泥沙、冰凌等的水工建筑物。溢洪道、溢流壩、泄水孔、泄水隧洞等是泄水建筑物的主要形式。本章主要介紹的擋水建筑物包括重力壩、拱壩、土石壩和水閘，泄水建筑物主要介紹河岸溢洪道，常也起泄水作用的水工隧洞在下一章介紹。第四章 擋水建筑物第一節(jié) 重力壩4.1 重力壩重力壩是主要依靠自重維持穩(wěn)定壩型。19世紀以前，重力壩基本上都采用漿砌毛石修建，19世紀后期才逐漸采用混凝土筑壩。進入20世紀，由于混凝土工藝和

2、施工機械的迅速發(fā)展，重力壩的建設有了較大發(fā)展。重力壩在我國壩工建設中占有很重要的地位，目前已建成如長江三峽混凝土重力壩（高185m，附圖3）、烏江渡拱形重力壩（高165m）、劉家峽實體重力壩（高147m）、潘家口寬縫重力壩（高107.5m）以及牛路嶺空腹重力壩（高90.5m）等數十座高重力壩。4.1 重力壩重力壩是在水壓力及其他外荷載作用下，主要依靠壩體自重在壩基面產生的摩阻力來維持穩(wěn)定的壩。利用壩體自重在水平截面上產生的壓應力來抵消由于水壓力所引起的拉應力以滿足強度的要求。一、重力壩的工作原理及特點圖41 混凝土重力壩示意圖因此壩的剖面較大，般做成上游面近于垂直的三角形剖面，且垂直壩軸線方向

3、常設有永久伸縮縫，將壩體分成若干個獨立壩段，如圖41所示。4.1 重力壩重力壩之所以得到廣泛應用，是由于有以下優(yōu)點：（1）相對安全可靠，耐久性好，抵抗?jié)B漏、洪水漫溢、地震和戰(zhàn)爭破壞能力均較強；（2）設計、施工技術簡單，易于機械化施工；（3）對不同的地形和地質條件適應性強，任何形狀河谷都能修建重力壩，對地基條件要求相對來說不太高；（4）在壩體中可布置引水、泄水孔口，解決發(fā)電、泄洪和施工導流等問題。一、重力壩的工作原理及特點4.1 重力壩 與此同時，重力壩也存在以下一些缺點：（1）壩體應力較低，材料強度不能充分發(fā)揮；（2）壩體體積大，耗用水泥多；（3）壩體與地基接觸面積大，相應壩底揚壓力大，對穩(wěn)定

4、不利。（4）施工期混凝土溫度應力和收縮應力大，對溫度控制要求高。一、重力壩的工作原理及特點4.1 重力壩（a）實體重力壩：是最簡單的形式，其優(yōu)點是設計和施工均較方便，應力分布也較明確；缺點是揚壓力大和材料的強度不能充分發(fā)揮，工程量較大。（b）寬縫重力壩：與實體壩相比，具有降低揚壓力、較好利用材料強度、節(jié)省工程量和便于壩內檢查及維護等優(yōu)點；缺點是施工較為復雜，模板用量較多。（c）空腹重力壩：不但可以進一步降低揚壓力，而且可以利用壩內空腔布置水電站廠房，壩 二、重力壩的類型4.1 重力壩頂溢流宣泄洪水，以便解決在狹窄河谷中布置發(fā)電廠房和泄水建筑物的困難；缺點是腹孔附近可能存在一定的拉應力，局部需要

5、配置較多的鋼筋，應力分析及施工方面也比較復雜。（d）預應力重力壩：是利用預加應力措施來增加壩體上游部分的壓應力，提高抗滑穩(wěn)定性，從而可以削減壩體剖面，但目前僅在小型工程和舊壩加固工程中使用。 三、重力壩的組成及布置4.1 重力壩重力壩通常由溢流壩段、非溢流壩段和兩者之間的連接邊墩、導墻以及壩頂建筑物（如閘墩、壩頂橋）等組成。此外，壩內常設有各種泄水或取水管道、檢查維修用的廊道，以三、重力壩的組成及布置圖43 重力壩布置（a）平面布置;（b）溢流壩剖面;（c）非溢流壩剖面（c）（b）（a）4.2 拱壩隔河巖二灘東江龍羊峽4.2 拱壩拱壩是一個空間整體結構，在平面上呈拱形并向上游凸出，在鉛直斷面上

6、，有時也是向上游凸出的彎曲形狀（圖44），可以看成由拱梁系統所組成。上游壩面承受的大部分或部分水壓力，通過拱的作用傳至兩岸巖體，只有小部分或部分水壓力通過懸臂梁的作用傳至壩基。這種傳力特點使拱壩斷面較重力壩單薄，與同樣客觀條件（如壩高、河谷形狀等）的重力壩相比，拱壩工程量可節(jié)省l/31/2；也使拱壩壩體的穩(wěn)定性主要依靠兩岸拱座的反力作用，而依靠壩體自重來維持穩(wěn)定的因素是次要的。一、拱壩的特點4.2 拱壩拱壩具有如下一些特點：（1）穩(wěn)定特點 壩體穩(wěn)定主要依靠兩岸拱端的反一、拱壩的特點圖44 拱壩示意圖力作用。因此拱壩對壩址的地形、地質條件要求較高，對地基處理的要求也較嚴格。（2）結構特點 拱壩屬

7、于高次超靜定結構，超載能力強，安全度高，當外荷載增大或壩的某一部位發(fā)生局部開裂時，壩體的拱和梁作用將會自行調整，使壩體應力重新分配。拱壩的超載能力可以達到設計荷載的511倍。4.2 拱壩（3）荷載特點 拱壩壩身不設永久伸縮縫，溫度變化和基巖變形對壩體應力的影響比較顯著，設計時，必須考慮基巖變形，并將溫度作用列為一項主要荷載。由于拱壩剖面較薄，壩體幾何形狀復雜，因此，對于施工質量、筑壩材料強度和防滲要求等都較重力壩嚴格。一、拱壩的特點4.2 拱壩2.地質條件地質條件也是拱壩建設中的一個重要問題。拱壩對壩址地質條件的要求比重力壩和土石壩高，河谷兩岸的基巖必須能承受由拱端傳來的推力，要在任何情況下都

8、能保持穩(wěn)定，不致危害壩體的安全。理想的地質條件是：基巖比較均勻、堅固完整，有足夠的強度、透水性小、能抵抗水的侵蝕、耐風化、岸坡穩(wěn)定、沒有大斷裂等。實際上很難找到沒有節(jié)理、裂隙、軟弱夾層或局部斷裂破碎帶的天然壩址，但必須查明工程地質條件，必要時，應采取妥善的地基處理措施。二、拱壩壩址對地形和地質條件的要求4.2 拱壩 隨著經驗積累和地基處理技術水平的不斷提高，即使在地質條件較差的地基上也建成了不少高拱壩，例如，我國的龍羊峽拱壩，高178m，基巖被眾多的斷層和裂隙所切割，巖體破碎，且位于9度強震區(qū)。但若地質條件復雜到難以處理，或處理工作量太大，費用過高時，則應另選其他壩型。二、拱壩壩址對地形和地質

9、條件的要求4.2 拱壩按不同的分類原則，拱壩可分為如下一些類型：（1）按建筑材料和施工方法，分為常規(guī)混凝土拱壩、碾壓混凝土拱壩和砌石拱壩。（2）按壩的高度和體形，可按厚高比、壩高、拱圈線形、壩面曲率分類。（a）按壩高，分為高壩（壩高70m）、中壩（壩高3070m）和低壩（壩高30m）。（b）按拱圈線形，分為單心圓、雙心圓、三心圓、拋物線、對數螺旋線、橢圓拱壩等。（c）按壩面曲率，分為單曲拱壩（只有水平向曲率）和雙曲拱壩（水平和豎直向都有曲率）。三、拱壩的類型第四章 擋水建筑物第三節(jié) 土石壩4.3 土石壩土石壩主要是利用當地土石料填筑而成的一種擋水壩，故又稱當地材料壩。土石壩也是歷史悠久而又應用

10、很廣的一種壩型。我國建造土石壩的歷史可追溯到公元前600年。新中國成立以來興建的8萬多座壩中，土石壩占總數的95%以上，如小浪底水庫（壩高154m，附圖4）、天生橋一級水電站（壩高178m）、水布埡水電站（壩高233m）等。4.3 土石壩由于土石壩是一種散粒體結構，因而具有與混凝土壩不同的工作特點，主要體現在以下幾方面：（1）穩(wěn)定方面 土石壩的橫斷面呈梯形，體積龐大，在水平水壓力作用下，一般不會發(fā)生沿壩基面的整體滑動，其主要失穩(wěn)形式是壩坡滑動或壩坡連同部分地基（土基）一起滑動。（2）滲流方面 由于散粒體結構的顆粒間存在著較大孔隙，壩體擋水后，在上下游水位差的作用下，庫水將經過壩體及壩基（包括兩

11、岸）向下游滲透。當滲透坡降或滲透流速超過界限時，會引起壩體或壩基土的變形破壞，甚至土壩失事。一、土石壩的工作特點4.3 土石壩（3）沖刷方面 土壩的抗沖能力很低，降落在壩面上的雨水部分滲入壩內，另一部分將沿壩坡流動而沖刷壩面。水庫的風浪對壩面也產生沖擊和淘刷作用，使壩面容易遭受破壞。因此，土石壩的上下游壩坡均需采取有效保護措施。（4）沉降方面 在壩體自重和水荷載的作用下，壩體和壩基（土基）都會由于壓縮變形而產生沉降。過大的沉降會使壩頂高程達不到設計要求而影響土石壩的正常工作；過大的不均勻沉降還會引起壩體開裂，甚至造成漏水通道而威脅大壩安全。一、土石壩的工作特點4.3 土石壩（5）其他方面 在嚴

12、寒地區(qū)，當氣溫很低時，庫水面結冰形成冰蓋層，與岸邊及壩坡凍結在一起，冰蓋層的膨脹，對壩坡產生的冰壓力可能導致護坡的破壞。在干旱的夏季，由于庫水位以上壩體的含水量損失，可能引起壩體干裂。一、土石壩的工作特點4.3 土石壩土石壩之所以被廣泛采用，是因為這種壩型具有以下的優(yōu)點：（1）就地取材，可以節(jié)省大量水泥、鋼材和木材；（2）適應地基變形能力較強，對地基要求比混凝土壩低；（3）施工技術簡單，工序少，便于組織機械化快速施工；（4）結構簡單，工作可靠，便于管理、維修、加高和擴建。二、土石壩的優(yōu)缺點4.3 土石壩（1）碾壓式土石壩 是將土石料分層填筑碾壓而成的壩。這種筑壩方法在土石壩中用得最多。近年來碾

13、壓堆石壩得到迅速發(fā)展。（2）沖填式土石壩 是借助水力完成土料的開采、運輸和填筑全部工序而建成的壩。典型的沖填壩是用高壓水槍在料場沖擊土料使之成為泥漿，然后用泥漿泵將泥漿經輸泥管輸送上壩，分層淤填，經排水固結成為密實的壩體。這種筑壩方法不需運輸機械和碾壓機械，工效高，成本低；缺點是土料的干容重較小，抗剪強度較低，需要平緩的壩坡，壩體土方量較大。三、土石壩的類型4.3 土石壩（3）水中填土壩 是用易于崩解的土料一層一層倒入，由許多小土堤分割圍成的、靜水中填筑而成的壩。這種施工方法無需機械壓實，而是依靠土的重力進行壓實和排水固結。該法施工受雨季影響小，工效較高，且不需要專門的重型碾壓設備，但由于壩體

14、填土的干容重較低，孔隙水壓力較高，抗剪強度較小，故要求壩坡平緩，使得壩體工程量增大。三、土石壩的類型4.3 土石壩（4）定向爆破堆石壩 利用定向爆破兩岸山體巖石拋向預定地點而形成的堆石壩。當壩址兩岸陡峻高聳、河谷狹窄及巖石新鮮致密時，用定向爆破法修筑斜墻堆石壩是可取的。這種筑壩方法是通過專門的設計，在兩岸或一岸山體內開挖洞室、埋放巨量炸藥，一次或數次爆破即可截斷河流，形成堆石壩體，然后再進行加工填補，并修筑上游防滲斜墻。三、土石壩的類型4.3 土石壩3.按壩體材料和防滲體布置分類 可分為以下幾種壩型：（a）均質土壩 壩體基本上由一種透水性較弱的土料（如壤土、砂壤土等）填筑而成。壩體的整個剖面用

15、以防滲并保持穩(wěn)定，如圖47a所示。（b）心墻土壩 以透水性小的防滲體布置在三、土石壩的類型圖47 碾壓式土石壩類型4.3 土石壩壩身中央，稱為心墻；而兩側以透水性較大的砂或沙礫料做壩殼，用以支撐心墻保持壩體穩(wěn)定。心墻常用粘性土構成，稱為塑性心墻，如圖47b所示。也可用瀝青混凝土或鋼筋混凝土構成，后者稱為剛性心墻，見圖47c。（c）斜墻土壩 防滲體位于壩的上游面，稱為斜墻；砂礫等透水性大的土料位于斜墻下游作支承體。斜墻常用粘性土料構成，稱為塑性斜墻，如圖47d所示。也有用瀝青混凝土或鋼筋混凝土構成的斜墻。（d）多種土質壩 壩體是由透水性不同的多三、土石壩的類型4.3 土石壩種土料分區(qū)組成的壩。一

16、般有兩種布置方式，一種是土料透水性由中間向兩側逐漸加大，如圖47e；另一種是透水性自上游向下游逐漸增大，見圖47f。（e）土石混合壩 當壩體中土料和石料各占相當的比例時，便構成土石混合壩。主要有兩種形式，一是上游部分用土料，下游部分為堆石，如圖47g；另一種是中央部分用粘性土料作防滲體，上下游部分為堆石體。當壩址附近有合宜的土石料時，選用土石混合壩是經濟的。為改善壩三、土石壩的類型4.3 土石壩體應力狀態(tài)，避免粘性土防滲體裂縫，近代修建的高土石壩常建成如圖47h的斜心墻土石混合壩。（f）心墻、斜墻堆石壩 以堆石料作為壩殼，以透水性小的土料或瀝青混凝土、鋼筋混凝土作為防滲體。防滲體位于壩體中央的

17、稱為心墻堆石壩；防滲體設在上游面的稱為斜墻堆石壩。近些年來上游壩面以鋼筋混凝土防滲的也稱為鋼筋混凝土面板堆石壩（圖47l），這是發(fā)展很快的一種壩型。三、土石壩的類型4.3 土石壩上述幾種壩型，除均質壩外，都是將弱透水材料布置在壩體的上游或中央，以達到防滲目的。而將透水性較強且抗剪強度較高的材料布置在下游或兩側，以維持穩(wěn)定，也利于排水。雖然土石壩的形式在不斷發(fā)展和變化，但其材料布置總是離不開這個原則。三、土石壩的類型第四章 擋水建筑物第四節(jié) 水閘4.4 水閘水閘是低水頭水工建筑物，既能擋水、抬高水位，又能泄水、用以調節(jié)水位、控制泄水流量，同時也可作為取水建筑物。水閘多修建于河道、渠系及水庫、湖泊

18、岸邊，在水利工程中應用很廣。水閘按其所承擔的任務不同，可分為以下六類：（1）節(jié)制閘 攔河或在渠道上建造，用于攔洪、調節(jié)水位以滿足上游引水或航運的需要，控制下泄流量，保證下游河道安全或根據下游用水需要調節(jié)放水流量。位于河道上的節(jié)制閘也稱為攔河閘。附圖7中的淮河臨淮崗洪水控制工程深孔閘即為節(jié)制閘。一、水閘的作用和類型4.4 水閘（2）進水閘 建在河道、水庫或湖泊的岸邊，用來控制引水流量，以滿足灌溉、發(fā)電或供水的需要。進水閘又稱為取水閘或渠首閘。（3）分洪閘 常建于河道的一側，用來將超過下游河道安全泄量的洪水泄入分洪區(qū)（蓄洪區(qū)或滯洪區(qū)）或分洪道。（4）排水閘 常建于江河沿岸，用來排除內河或低洼地區(qū)對

19、農作物有害的漬水。當外河水位上漲時，可以關閘，防止外水倒灌。當洼地有蓄水、灌溉要求時，可以關門蓄水或從江河引水，具有雙向擋水，有時還有雙向過流的特點。一、水閘的作用和類型4.4 水閘（5）擋潮閘 建在入海河口附近，漲潮時關閘，防止海水倒灌；退潮時開閘泄水具有雙向擋水的特點。（6）沖沙閘（排沙閘） 建在多泥沙河流上，用于排除進水閘、節(jié)制閘前或渠系中沉積的泥沙，減少引水水流的含沙量，防止渠道和閘前河道淤積。沖沙閘常建在進水閘一側的河道上，與節(jié)制閘并排布置或設在引水渠內的進水閘旁。一、水閘的作用和類型4.4 水閘按閘室結構分類，水閘可分為開敞式和涵洞式兩種： （1）開敞式水閘 閘室是露天的，可以大量

20、引水，迅速泄水，又能通暢地排走冰塊或其它漂浮物。（2）涵洞式水閘 與開敞式水閘的主要區(qū)別在于閘室后面有洞身段，洞頂有填土覆蓋，以利于洞身的穩(wěn)定，也便于交通。這類水閘常修建在挖方較深的渠道中及填土較高的河堤下。一、水閘的作用和類型4.4 水閘水閘由上游連接段、閘室、下游連接段三個部分組成，如圖49所示，現分述如下。二、水閘的組成圖49 開敞式水閘4.4 水閘（l）上游連接段 上游連接段包括上游翼墻、鋪蓋、護底、上游防沖槽及上游護坡等五個部分。上游翼墻能使水流平順地進入閘孔，保護閘前河岸不受沖刷，還有側向防滲作用。鋪蓋主要起防滲作用，但其表面應滿足防沖要求。護底設在鋪蓋上游，起著保護河床的作用。上

21、游防沖槽可防止河床沖刷，保護上游連接段起點處不致遭受損壞。二、水閘的組成4.4 水閘（2）閘室 閘室是水閘的主體部分，起著擋水和調節(jié)水流的作用，包括底板、閘墩、邊墩（或岸墻）、閘門、工作橋及交通橋等。底板是閘室的基礎，承受閘室全部荷載并較均勻地傳給地基，還可利用底板與地基之間的摩阻力來維持水閘穩(wěn)定；同時底板又具有防沖和防滲等作用。閘墩主要是分隔閘孔，支承閘門、工作橋及交通橋。邊孔靠岸一側的閘墩，稱為邊墩。在一般情況下，邊墩除具有閘墩作用外，還具有擋土及側向防滲作用。二、水閘的組成4.4 水閘（3）下游連接段 下游連接段通常包括下游翼墻、消力池、海漫、下游防沖槽及下游護坡等五個部分。下游翼墻能使

22、閘室水流均勻擴散，還有防沖和防滲作用。消力池是消除過閘水流動能的主要設施，并具有防沖等作用。海漫能繼續(xù)消除剩余能量，并保護河床不受沖刷。下游防沖槽則是設在海漫末端的防沖措施。二、水閘的組成4.4 水閘水閘在抗滑穩(wěn)定、防滲、消能防沖及沉陷等方面都有其自身的工作特點：（1）土基的抗滑穩(wěn)定性差 當水閘擋水時，上、下游水位差造成較大的水平水壓力，使水閘有可能產生向下游一側滑動。同時，在上下游水位差的作用下，閘基及兩岸均產生滲流。滲流將對水閘底部施加向上的滲透壓力，減小了水閘的有效重量，從而降低了水閘的抗滑穩(wěn)定性。因此，水閘必須具有足夠的重量以維持自身的穩(wěn)定。三、水閘的工作特點4.4 水閘（2）滲流易使

23、閘下產生滲透變形 土基滲流除產生滲透壓力不利閘室穩(wěn)定外，還可能將地基及兩岸土壤的細顆粒帶走形成管涌或流土等滲透變形，嚴重時閘基和兩岸的土壤會被淘空，危及水閘安全。因此，應妥善設計防滲設施并在滲流逸出處設反濾層等設施以保證不發(fā)生滲透變形。三、水閘的工作特點4.4 水閘（3）過閘水流具有較大動能，易于沖刷破壞下游河床及兩岸 開閘泄水時，在上、下游水位差作用下，過閘水流往往具有很大流速，而河床和兩岸土壤的抗沖能力通常較低，可能引起沖刷，嚴重時會擴大到閘室地基，致使水閘失事。因此，設計水閘時必須采取有效的消能防沖措施。三、水閘的工作特點4.4 水閘（4）土基的沉陷問題 軟土地基上建閘，由于地基的抗剪強

24、度低，壓縮性比較大，在水閘的重力和外荷載作用下，可能產生較大沉陷，尤其是不均勻沉陷會導致水閘傾斜，甚至斷裂，影響水閘正常使用。因此，設計時必須合理選擇閘型和構造，排好施工程序及采取必要的地基處理措施等，以減小地基沉陷。三、水閘的工作特點第四章 擋水建筑物第五節(jié) 河岸溢洪道4.5 河岸溢洪道在水利樞紐中，必須設置泄水建筑物。溢洪道是一種最常見的泄水建筑物，用于宣泄規(guī)劃庫容所不能容納的洪水，防止洪水漫溢壩頂，保證大壩安全。溢洪道可以與壩體結合在一起，也可以設在壩體以外?；炷翂我话氵m于經壩體溢洪或泄洪。此時，壩體既是擋水建筑物又是泄水建筑物，樞紐布置緊湊、管理集中。但對于土石壩、堆石壩以及某些輕型

25、壩，一般不容許從壩身溢流或大量泄流；或當河谷狹窄而泄洪量大時，需要在壩體以外的岸邊或天然埡口處建造溢洪道（通常稱為岸邊溢洪道）或開挖泄水隧洞。4.5 河岸溢洪道河岸溢洪道是布置在攔河壩壩肩河岸或距壩稍遠的水庫庫岸的一條泄洪通道，水庫的多余洪水經此泄往下游河床。一般以堰流方式泄水，泄流量與堰頂溢流凈寬以及堰頂水頭的3/2次方成正比，有較大的超泄能力。堰上常設有表孔閘門控制，閉門時水庫蓄水位可達門頂高程，啟門時，水庫水位可泄降至堰頂高程，便于調洪。由于某種原因（例如受下游泄量限制或為了降低閘門高度），也有在堰頂閘孔上加設胸墻的，水庫水位 一、河岸溢洪道的一般工作方式4.5 河岸溢洪道超過胸墻底緣一定高度時，泄流方式將由堰流轉變?yōu)榇罂卓诔隽?。中小型工程也可考慮