水利工程水工建筑物概論

水工建筑物—hydraulicstructure(1)擋水建筑物—waterretainingstructure(2)泄水建筑物—waterreleasestructure(3)引水建筑物—waterdiversionstructure(4)整治建筑物—regulatingstructure(5)專門建筑物—specialhydraulicstructure引水建筑物包括取水建筑物和輸水建筑物。1.分類(1)擋水建筑物—waterretainingstructure

用以攔截河流，形成水庫或雍高水位。如壩、閘、堤等。(2)泄水建筑物—waterreleasestructure

用以宣泄水庫（或渠道）在洪水期間或其他情況下的多余水量，以保證壩（或渠）的安全。如溢流壩、河岸溢洪道、泄洪隧洞和泄水涵洞等。(3)引水建筑物—waterdiversionstructure

用以從水庫（或河道）向庫外（或下游）引水，以滿足灌溉、發(fā)電、供水等要求。如引水隧洞、引水涵管、渠道等。水利樞紐“三大件”：擋水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物(4)整治建筑物—regulatingstructure

用以改善河流的水流條件，調(diào)整水流對河床及河岸的作用，防止水庫、湖泊中的波浪和水流對岸坡的沖刷。如丁壩、順壩、導(dǎo)流堤、護(hù)岸、護(hù)底等。(5)專門建筑物—specialhydraulicstructure

為實現(xiàn)某一水利事業(yè)而修建的建筑物。如水電站廠房、船閘、升船機(jī)、魚道、魚閘、過木筏道、過竹筏道等。2.水工建筑物的特點（1）由于水的作用，建筑物的工作條件復(fù)雜（2）設(shè)計獨特性自然地形、地質(zhì)條件千差萬別，因此，設(shè)計只能按各自的特征進(jìn)行。除非規(guī)模很小，一般不能采用定型設(shè)計。但某些部件可以標(biāo)準(zhǔn)化，如：水工閘門。（3）施工條件復(fù)雜解決施工導(dǎo)流問題；氣溫、雨季的影響，如：澆筑混凝土、填筑土壩；洪水威脅，要求在汛期前填筑到足夠高程；工程量大，工期長，要求施工機(jī)械先進(jìn)、管理科學(xué)（4）意義重大，失事后果嚴(yán)重河川水利樞紐對環(huán)境的影響一、物理影響1.淤積和沖刷上游：流速降低，泥沙淤積

下游：清水下泄，加大沖刷2.氣候變化、誘發(fā)地震、邊坡失穩(wěn)霧天增多高壩：壩高超過100m，庫容超過10×108m3，達(dá)17%二、生態(tài)影響1.水庫養(yǎng)魚，但阻礙回游2.調(diào)蓄水量，但水溫不一定適應(yīng)作物生長3.增加了傳播疾病有利條件（釘螺、瘧蚊）4.庫水化學(xué)成分改變，影響生物5.大庫影響氣候變化6.大量淹沒生態(tài)問題涉及范圍很廣，需研究。如：重力壩的荷載及組合1.主要荷載（1）自重—deadload/deadweight（2）水壓力—waterpressure/hydraulicpressure（3）揚(yáng)壓力—upliftpressure（4）冰壓力—icepressure（5）土壓力—earthpressure/soilpressure（6）地震荷載—earthquakeload/seismicload（7）溫度荷載—loadoftemperaturevariation（1）自重—建筑物（壩體）及附屬永久設(shè)備的重量（2）水壓力—靜水壓力（上游、下游）、動水壓力（挑流反弧段）、浪壓力（上游庫水面）（3）揚(yáng)壓力—壩基揚(yáng)壓力、壩體揚(yáng)壓力

兩部分組成：下游水深產(chǎn)生的浮托力（upliftpressure），上下游水頭產(chǎn)生的滲透壓力（seepagepressure）。（4）冰壓力—靜冰壓力、動冰壓力（5）土壓力—主動土壓力、被動土壓力、壩前泥沙壓力（6）地震荷載—地震慣性力、地震動水壓力、地震動土壓力（7）溫度荷載—溫度變化引起的熱脹冷縮，水溫、氣溫等2.荷載組合

作用在重力壩上的各種荷載，除壩體自重外，都是在一定范圍內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)的。如：上游水位、下游水位不斷變化；宣泄最大洪水時，不一定發(fā)生強(qiáng)烈地震；封凍時，存在靜冰壓力，就不會有風(fēng)浪壓力，等等因此，設(shè)計時應(yīng)把各種荷載根據(jù)它們出現(xiàn)的概率，合理地組合成不同的情況，用不同的安全系數(shù)進(jìn)行核算，以解決安全和經(jīng)濟(jì)之間的矛盾。把荷載分成兩類：（1）基本荷載：出現(xiàn)概率較大的荷載（baseload）（2）特殊荷載：出現(xiàn)概率較小的荷載（specialload）基本荷載：（1）壩體及其永久設(shè)備的自重（2）正常蓄水位或設(shè)計洪水位的靜水壓力（3）正常蓄水位或設(shè)計洪水位的揚(yáng)壓力（4）泥沙壓力（5）正常蓄水位或設(shè)計洪水位的浪壓力（6）冰壓力（7）土壓力（8）相應(yīng)于設(shè)計洪水位的動水壓力（9）其他出現(xiàn)機(jī)會較多的荷載特殊荷載：（10）校核洪水位時的靜水壓力（11）校核洪水位時的揚(yáng)壓力（12）校核洪水位時的浪壓力（13）相應(yīng)于校核洪水位的動水壓力（14）地震壓力（15）其他出現(xiàn)機(jī)會很少的荷載荷載組合有兩種：（1）基本組合（設(shè)計情況）—水庫處于正常運(yùn)用情況下可能發(fā)生的荷載組合，由基本荷載組成（2）特殊組合（校核情況）—水庫處于非常運(yùn)用情況下可能發(fā)生的荷載組合，由基本荷載+一種或幾種特殊荷載組成1.抗滑穩(wěn)定分析

抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)——建筑物的抗滑力與建筑物所受的滑動力之比，用K表示。

對于重力壩，要求任意一個剖面（截面）上均滿足穩(wěn)定條件。通常，巖基上的重力壩，壩體混凝土和基巖的接觸面往往是一個薄弱面，這是因為：（1）兩種材料的接觸面（2）混凝土干縮可能產(chǎn)生裂縫因此，只要該接觸面上滿足抗滑穩(wěn)定要求，則該壩體肯定滿足穩(wěn)定要求。（1）沿壩基面抗滑穩(wěn)定A、摩擦公式B、剪摩公式2.應(yīng)力分析目的：驗算大壩在施工期、運(yùn)用期強(qiáng)度的安全度要求：壩體內(nèi)各部分材料的應(yīng)力不超過該種材料的容許應(yīng)力，即s<=[s]。

[s]=R/k式中：R——材料的極限強(qiáng)度；k——材料強(qiáng)度的安全系數(shù)，一般取k=3~5，由建筑物的級別及工作情況確定。計算方法：模型試驗、理論分析（材料力學(xué)、彈性力學(xué)、有限單元法）設(shè)計規(guī)范：采用材料力學(xué)法。取1m長壩段，按平面形變問題考慮。應(yīng)力分析部分成果（1）由重力壩剖面和受力特點：在空庫時，壩踵處壓應(yīng)力最大，壩趾處壓應(yīng)力最小，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力；在滿庫時，壩趾處壓應(yīng)力最大，壩踵處壓應(yīng)力最小，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力。2.灌漿固結(jié)灌漿：淺孔低壓灌注水泥漿對壩基加固處理。目的：①提高巖體的整體性和彈性模量，減少基巖受力后的變形，并提高基巖的抗壓、抗剪強(qiáng)度；②降低壩基的滲透性，減少滲漏量；③帷幕旁邊的固結(jié)灌漿可提高帷幕的灌漿壓力。帷幕灌漿：靠近上游壩基設(shè)一排或幾排鉆孔，利用高壓灌漿填塞基巖內(nèi)的裂隙和孔隙等滲水通道，在基巖中形成一道相對密實的阻水帷幕。目的：①降低壩基的滲透壓力，減少滲流量；②防止壩基內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械或化學(xué)管涌。3.壩基三排水三系統(tǒng)目的三：收集三并排三走由三地基三滲透三過來三的水三，進(jìn)三一步三降低三壩基三揚(yáng)壓三力。因為三：壩三基雖三然已三經(jīng)進(jìn)三行帷三幕灌三漿，三但并三不能三完全三截斷三滲流三。一、三拱壩三的工三作原三理(1三)依靠三拱的三作用三，將三力傳三給拱三座(2三)依靠三懸臂三梁的三作用三，將三力傳三給地三基拱壩三同時三有拱三的作三用和三懸臂三梁的三作用三，拱三和懸三臂梁三分擔(dān)三荷載三，其三大小三取決三于河三谷形三狀：河谷三深而三窄，三拱作三用大三，梁三作用三小河谷三淺而三寬，三拱作三用小三，梁三作用三大主要三依靠三兩岸三拱座三和壩三基來三保持三穩(wěn)定三，自三重對三穩(wěn)定三的影三響不三大。(1三)受力三條件三好(2三)壩的三體積三小拱是三一種三受壓三結(jié)構(gòu)三，拱三的作三用越三顯著三，越三能減三小壩三的厚三度，三從而三減小三工程三量。三梁的三作用三越大三，越三需要三依靠三壩體三自重三來抵三抗水三壓力三。拱壩三的壩三軸線三比重三力壩三長，三但總?cè)墓と塘咳辽偃韧叨热闹厝稳郎p少1/三3~2/三3。二、三拱壩三的工三作特三點拱壩三是周三邊嵌三固的高次三超靜三定結(jié)三構(gòu)，當(dāng)三外荷三載增三大至三壩的三某一三部位三因拉三應(yīng)力三過大三而開三裂時三，能三調(diào)整三拱作三用和三梁作三用及三其荷三載分三配，三使壩三內(nèi)應(yīng)三力重三分配三，而三不致三使大三壩喪三失全三部承三載能三力。裂縫三對于三拱壩三的威三脅不三象對三其他三壩型三那樣三嚴(yán)重三：水平三縫：揚(yáng)壓三力只三會降三低懸三臂梁三的作三用。三一般三薄拱三壩是三以獨三立的三水平三拱設(shè)三計的三，懸三臂的三作用三只作三為一三種安三全儲三備垂直三縫：使拱三圈未三開裂三部分三的應(yīng)三力增三加，三原來三的拱三圈變?nèi)删呷懈∏拾肴龔降娜叭θ?，壩三?nèi)應(yīng)三力重三分配三，成三為無三拉應(yīng)三力的三有效三拱按結(jié)三構(gòu)的三觀點三來看三，拱三壩的三壩面三允許三局部三開裂三。如三果拱三座巖三體堅三固，三那么三，拱壩三的破三壞主三要取三決于三壓應(yīng)三力是三否超三過筑三壩材三料的三強(qiáng)度三極限。一般三混凝三土具三有塑三性和三徐變?nèi)匦匀谌植咳龖?yīng)力三特大三的部三位，三如果三變形三受限三制，三經(jīng)過三一段三時間三，混三凝土三的徐三變變?nèi)卧鋈?，三彈性三變形三減小三，使三這些三特大三的應(yīng)三力有三所降三低。(3三)超載三能力三強(qiáng)，三安全三度高拱壩三是整三體的三空間三結(jié)構(gòu)三，壩三體較三堅韌三，富三有彈三性，三又能三自行三調(diào)整三結(jié)構(gòu)三特性三，故三可以三提高三壩體三的抗三震性三能。三如：意大三利：三柯爾三菲諾三拱壩三，高40三m中國三：河三北峽三溝水三庫漿三砌石三拱壩三，高78三m，19三66年3月(4三)抗震三性能三好(5三)施工三技術(shù)三要求三高拱壩三壩體三斷面三小，三幾何三形狀三復(fù)雜三，故三對施三工技三術(shù)、三施工三質(zhì)量三控制三和筑三壩材三料的三強(qiáng)度三有較三高的三要求三，對三地基三處理三的要三求更三嚴(yán)格三，開三挖較三大。五、三拱壩三的溫三度荷三載拱壩三的溫三度荷三載是三拱壩三設(shè)計三中主三要的三荷載三之一三。1、封三拱溫三度拱壩三建成三并經(jīng)三過充三分冷三卻后三，當(dāng)三施工三期混三凝土三產(chǎn)生三的水三化熱三已經(jīng)三基本三散盡三、壩三體混三凝土三溫度三趨于三相對三穩(wěn)定三時，三對壩三體各三施工三縫進(jìn)三行灌三漿，三使各三壩塊三固結(jié)三形成三整體三，稱三為封拱。相三應(yīng)的三混凝三土溫三度稱三為封拱三溫度。2、拱三壩的三溫度三荷載指拱三壩封三拱形三成整三體后三，在三上下三游水三溫、三氣溫三周期三性變?nèi)娜绊懭?，三壩體三內(nèi)產(chǎn)三生相三對于三封拱三溫度三的溫三度變?nèi)鹑暮扇d，三稱為拱壩三的溫三度荷三載。三部三分：均勻三溫度三變化沿壩三厚的三溫度三梯度三變化非線三性溫三度變?nèi)瘻囟热奢d三對壩三體應(yīng)三力和三穩(wěn)定三的影三響因此三，溫降三對壩三體應(yīng)三力不三利；三溫升三對壩三體穩(wěn)三定不三利。當(dāng)壩三體溫三度低三于封三拱溫三度（三溫降三）時三，壩三軸線三收縮三，使三壩體三向下三游位三移，三產(chǎn)生三的彎三矩、三剪力三的方三向與三水庫三水壓三力所三產(chǎn)生三的相三同，三但軸三力方三向相三反，三結(jié)果三是拱三端上三游面三受拉三、下三游面三受壓三，在三拱冠三則上三游面三受壓三、下三游面三受拉三。當(dāng)壩三體溫三度高三于封三拱溫三度（三溫升三）時三，壩三軸線三伸長三，使三壩體三向上三游位三移，三產(chǎn)生三的彎三矩、三剪力三的方三向與三水庫三水壓三力所三產(chǎn)生三的相三反，三但軸三力方三向相三同，三結(jié)果三是拱三端上三游面三受壓三、下三游面三受拉三，在三拱冠三則上三游面三受拉三、下三游面三受壓三。一、三土石三壩的三特點(1三)筑壩三材料三就地三取材三?？扇?jié)省三大量三鋼材三、水三泥、三木材三等。(2三)適應(yīng)三地基三變形三能力三強(qiáng)。三土石三體是三散粒三體結(jié)三構(gòu)，三對地三基的三要求三比混三凝土三壩低三。(3三)施工三方法三選擇三靈活三性大三。能三適應(yīng)三不同三的施三工方三法，三且工三序簡三單、三施工三速度三快、三易保三證質(zhì)三量。三（人三工機(jī)三械化）(4三)結(jié)構(gòu)三簡單三、造三價低三廉、三運(yùn)行三管理三方便三、工三作可三靠，三便于三維修三加高三。缺點：(1三)壩頂三不能三溢流三，通三常需三另開三溢洪三道。(2三)施工三導(dǎo)流三不便三，增三加了三工程三造價三。(3三)壩體三斷面三大，三土料三填筑三的質(zhì)三量受三氣候三影響三，給三施工三帶來三困難三。二、三土石三壩的三工作三條件土石三壩由三散粒三體材三料填三筑而三成，三其剖三面一三般呈三梯形三。土石三壩的三失穩(wěn)三一般三是壩三坡滑三動或三壩坡三連同三地基三一起三滑動三的剪三切，三這是三土石三壩特三有的三。(1三)滲流三問題土石三壩在三擋水三后，三在上三下游三水位三差的三作用三下，三壩體三、壩三基會三有一三系列三的問三題需三要考三慮：水流三經(jīng)過三壩身三與壩三基的三結(jié)合三面、三壩體三土與三混凝三土的三結(jié)合三面，三易產(chǎn)三生滲三漏。壩體三內(nèi)形三成自三由面三，飽三和區(qū)三的土三體有三效重三量減三輕，三土的三強(qiáng)度三（內(nèi)三摩擦三角和三凝聚三力）三減小滲透三動水三壓力三增大三了下三游壩三坡的三滑動三可能三性。三當(dāng)庫三水位三驟降三時，三易引三起上三游壩三坡的三失事三。在滲三流的三出口三處，三易引三起滲三透變?nèi)?，三?yán)重三時會三導(dǎo)致三壩的三失事三。(2三)沖刷三問題土顆三粒間三的粘三結(jié)力三很小三，抗三沖能三力很三低：雨水三侵入三壩體三，會三降低三壩的三穩(wěn)定三性；三沿壩三坡下三流會三沖刷三壩面三。庫內(nèi)三風(fēng)浪三會淘三刷壩三坡，三易引三起滑三坡。(3三)沉降三問題土粒三間存三在孔三隙，三在壩三體自三重和三水荷三載作三用下三，壩三體和三壩基三都會三因壓三縮而三產(chǎn)生三沉降三。過大三沉降三：會導(dǎo)三致壩三頂高三程不三足。過大三不均三勻沉三降：會導(dǎo)三致壩三體開三裂，三形成三滲水三通道三，威三脅大三壩。(4三)其他三問題嚴(yán)寒三地區(qū)三，庫三面的三冰蓋三層與三壩坡三、岸三坡凍三結(jié)在三一起三，對三壩坡三產(chǎn)生三很大三的冰三壓力三，易三導(dǎo)致三護(hù)坡三的破三壞自由三面以三上的三壩體三粘土三，在三凍融三作用三下會三造成三孔穴三、裂三縫；三夏季三干旱三作用三下，三易引三起干三裂而三導(dǎo)致三集中三滲漏地震三地區(qū)三，壩三坡塌三滑的三可能三性增三大；三粉砂三地基三，存三在振三動液三化問三題南方三，白三螞蟻三可以三蛀空三壩體三，導(dǎo)三致壩三體塌三陷、三滲漏三通道三等七、三土石三壩的三裂縫1.類型三及其三成因(1三)干縮三和凍三融裂三縫干縮三縫：三土體三表面三失去三水分三收縮三，而三土體三內(nèi)部三不收三縮或三收縮三甚微三，表三層土三體受三約束三產(chǎn)生三拉應(yīng)三力，三形成三裂縫三。常三見于三含水三量較三高、三薄膜三水較三厚的三細(xì)粒三土體三。凍融三裂縫三：土三體凍三結(jié)后三，氣三溫驟三降，三表層三土體三發(fā)生三收縮三，受三到內(nèi)三部未三降溫三土體三約束三產(chǎn)生三拉應(yīng)三力，三在表三層形三成裂三縫。三常見三于含三水量三較高三的細(xì)三粒土三體。僅限三于表三層土三體，三不至三威脅三大壩三的安三全。(2三)變形三裂縫主要三由不三均勻三沉降三所引三起。三由于三不均三勻變?nèi)?，三在壩三的某三些部三位產(chǎn)三生較三大的三拉應(yīng)三變和三剪應(yīng)三變，三因而三產(chǎn)生三裂縫三。這三種裂三縫一三般規(guī)三模較三大，三并深三入壩三體，三是破三壞壩三體完三整性三的主三要裂三縫。三特別三是防三滲體三的拉三伸縫三，對三壩的三威脅三很大三，應(yīng)三盡量三避免三。變形三裂縫——縱向三裂縫三、橫三向裂三縫、三水平三裂縫縱向三裂縫縫的三走向三平行三于壩三軸線三。多三出現(xiàn)三于壩三坡，三有時三也出三現(xiàn)在三壩坡三，也三可能三出現(xiàn)三在壩三的內(nèi)三部。三縫的三寬度三往往三較大三。這三種縫三是由三橫向三不均三勻變?nèi)我鸬娜M向三裂縫縫的三走向三垂直三于壩三軸線三。多三出現(xiàn)三于局三部變?nèi)厝?、三岸坡三陡峭三、壩三體埋三有剛?cè)越ㄈ锶摹⑷壮鋈F(xiàn)局三部拉三伸的三區(qū)域三。這三種縫三是由三于壩三軸線三方向三的縱三向不三均勻三變形三引起三的。三橫縫三常貫三穿防三滲體三，對三壩的三危害三很大三。水平三裂縫多發(fā)三生在三窄心三墻壩三中。三它是三由于三壩體三和壩三基的三不均三勻沉三降引三起的三，是三一種三內(nèi)部三裂縫三。有三時貫三穿上三下游三，形三成集三中滲三水通三道。三這種三縫不三易發(fā)三現(xiàn)，三往往三出現(xiàn)三事故三后才三知道三，對三危害三性很三大。由于三壩體三非粘三性土三沉降三速度三快，三較早三達(dá)到三穩(wěn)定三。而三粘土三心墻三由于三固結(jié)三速度三慢，三沉降三還在三繼續(xù)三。壩三殼通三過心三墻接三觸面三的摩三擦力三作用三阻止三心墻三沉降三，形三成心墻三拱效三應(yīng)。拱三效應(yīng)三使心三墻的三垂直三應(yīng)力三減小三，如三果拱三效應(yīng)三過大三，使三垂直三應(yīng)力三由壓三變拉三，超三過土三體的三強(qiáng)度三，會三產(chǎn)生三水平三裂縫三。(3三)滑坡三裂縫滑坡三引起三的裂三縫，三在頂三部呈三張開三縫、三底部三隆起三處產(chǎn)三生許三多細(xì)三小裂三縫。三這種三縫延三伸較三長、三較深三、較三寬，三有較三大的三錯距三。這三是壩三失穩(wěn)三前，三滑動三體開三始發(fā)三生位三移時三，在三周界三上出三現(xiàn)的三縫，三是滑三坡的三前兆三。(4三)水力三劈裂三縫在孔三隙水三壓力三作用三下，三土體三局部三有效三應(yīng)力三減小三到零三以下三時，三由于三拉伸三破壞三所形三成。三在水三壓減三退后三張開三的裂三縫也三可以三自行三閉合三。水三力劈三裂多三發(fā)生三于水三庫初三次蓄三水時三，是三一種三危害三性很三大的三裂縫三。①心墻三拱效三應(yīng)使三心墻的垂三直壓三力降三低到三該處三的孔三隙水三壓力三時，三會因三水力三劈裂三產(chǎn)生三水平三裂縫三。因三其他三原因三而產(chǎn)三生的三水平三裂縫三也可三能因三水力三劈裂三作用三而擴(kuò)三展。②有時三對防三滲體三進(jìn)行三灌漿時，三在灌三漿壓三力的三作用三下三，也三可能三出現(xiàn)三水力三劈裂三。③在防三滲體三與基三巖表三面局三部不三平整三處也會三產(chǎn)生三拱效三應(yīng)，三從而三使防三滲體三與基三巖的三接觸三壓力三降