水利水電工程建筑物技術(shù)講座

水利水電工程建筑物主講教師：孫明權(quán)輔導(dǎo)教師：漆志強(qiáng)第一章本章的重點(diǎn)內(nèi)容：1、水利樞紐組成；2、水工建筑物分類、作用和特點(diǎn)；3、水利樞紐分等及水工建筑物分級。一、水利樞紐的概念

1、水利工程〔1〕概念：水利工程是指對自然界的地表水和地下水進(jìn)展控制和調(diào)配，以到達(dá)除害興利的目的而建筑的工程?！?〕根本義務(wù)：除水害和興水利〔3〕分類：2、水工建筑物：為到達(dá)防洪、發(fā)電、灌溉、供水等目的，需求建筑各種不同類型的建筑物，來控制和支配水流，這樣的建筑物統(tǒng)稱為水工建筑物。3、水利樞紐：集中建造的幾種水工建筑物配合運(yùn)用，構(gòu)成一個有機(jī)的綜合體。二、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、水工建筑物特點(diǎn)：〔1〕任務(wù)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)重性三、水利樞紐分等及水工建筑物分級目的：為使工程的平安可靠性與其造價(jià)的經(jīng)濟(jì)合理性恰當(dāng)?shù)匾恢峦瑏?所以要對水利樞紐及其組成的建筑物進(jìn)展分等分級。

分等分級的根據(jù)：首先按水利樞紐工程的規(guī)模、效益及其在國民經(jīng)濟(jì)中的作用進(jìn)展分等，然后再對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)展分級。第二章、擋水建筑物重、難點(diǎn)1、掌握重力壩的任務(wù)原理、細(xì)部構(gòu)造及地基處置特點(diǎn)。2、重點(diǎn)掌握重力壩的作用類型及組合、平安分析的內(nèi)容和方法、3、重點(diǎn)掌握拱壩的構(gòu)造特點(diǎn)、受力特點(diǎn)、荷載特點(diǎn)，掌握拱壩的布置原那么。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、巖基上的重力壩重力壩的任務(wù)原理：在水壓力及其他荷載的作用下，主要依托自重在滑動面上產(chǎn)生的抗滑力來抵消壩前水壓力滿足穩(wěn)定的要求，同時(shí)依托壩體自重在程度截面上產(chǎn)生的壓應(yīng)力來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、低壩三類按照筑壩資料分類可分為：混凝土重力壩和漿砌石重力壩。按照壩體的構(gòu)外型式分類可分為：實(shí)體重力壩、寬縫重力壩、空腹重力壩。按照壩體能否過水可分為：溢流壩和非溢流壩。按照施工方法分類可分為：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1、總體布置首先選擇壩址、壩軸線和壩的構(gòu)外型式。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)定分析用單一平安系數(shù)法和可靠度實(shí)際法，核算壩體沿壩基面或沿地基深層脆弱構(gòu)造面抗滑穩(wěn)定平安性能。4、應(yīng)力分析用資料力學(xué)法和可靠度實(shí)際法，對壩體資料進(jìn)展強(qiáng)度較核。5、構(gòu)造設(shè)計(jì)根據(jù)施工和運(yùn)轉(zhuǎn)要求，確定壩體細(xì)部構(gòu)造。(廊道、排水、壩體分縫、止水等)6、地基處置地基的防滲(帷幕灌漿)、排水、斷層、破碎帶處置等。7、溢流重力壩和泄水孔的孔口設(shè)計(jì)。8、監(jiān)測設(shè)計(jì)包括壩體內(nèi)部和外部的觀測設(shè)計(jì)，制定大壩的運(yùn)轉(zhuǎn)、維護(hù)和監(jiān)測條例。重力壩的穩(wěn)定分析單一平安系數(shù)法:抗剪強(qiáng)度公式〔摩擦公式〕該方法是把滑動面看成接觸面，而不是膠結(jié)面，只計(jì)滑動面上的摩擦力，而不計(jì)凝聚力?？辜魯鄰?qiáng)度公式2.分項(xiàng)系數(shù)極限形狀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)形狀按承載才干極限形狀計(jì)算。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)用期能否滿足強(qiáng)度要求；并根據(jù)應(yīng)力分布情況進(jìn)展壩體混凝土標(biāo)號分區(qū)；也為研討壩體某些部位的應(yīng)力集中和配筋等提供根據(jù)。方法:1、模型實(shí)驗(yàn)法；2、資料力學(xué)法；3、彈性實(shí)際的解析法；4、彈性實(shí)際的有限元法資料力學(xué)方法的根本假定有三條：(1)壩體混凝土為均質(zhì)、延續(xù)、各向同性的彈性資料。(2)視壩段為固接于地基上的懸臂梁，不思索地基變形對壩體應(yīng)力的影響，并以為各壩段獨(dú)立任務(wù)，橫縫不傳力。(3)假定壩體程度截面上的正應(yīng)力按直線分布，不思索廊道等對壩體應(yīng)力的影響。當(dāng)采用概率極限形狀設(shè)計(jì)時(shí)，對重力壩應(yīng)分別按承載才干極限形狀和正常運(yùn)用極限形狀進(jìn)展強(qiáng)度驗(yàn)算。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任務(wù)條件及受力條件不同，對上述混凝土資料性能目的的要求也不同。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，把平安與經(jīng)濟(jì)一致同來，通常將壩體混凝土按不同任務(wù)條件進(jìn)展分區(qū)，選用不同的強(qiáng)度等級和性能目的。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)力以及施工澆筑才干等緣由，普通要對壩體進(jìn)展分縫。1、橫縫:作用是減小溫度應(yīng)力、順應(yīng)地基不均勻變形滿足施工要求。2、縱縫:為了順應(yīng)混凝土的澆筑才干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，將一個壩段分成幾個壩塊，待壩體降到穩(wěn)定溫度后再進(jìn)展接縫灌漿。3、程度任務(wù)縫:是分層施工的新老混凝土之間的接縫，是暫時(shí)性的。重力壩的地基處置地基處置主要包含兩個方面的任務(wù)：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地基進(jìn)展加固處置。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：降低壩底浸透壓力；防止壩基內(nèi)產(chǎn)活力械或化學(xué)管涌；減少壩基和繞壩浸透流量。拱壩重點(diǎn)內(nèi)容：1、拱壩的任務(wù)原理，2、拱壩的類型，3、溫度荷載對壩體應(yīng)力和壩肩巖體穩(wěn)定的影響，4、拱梁分載法和拱冠梁法的根本原理。拱壩的任務(wù)原理及其特點(diǎn)原理：拱壩是固接于基巖的空間殼體構(gòu)造，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，壩體構(gòu)造既有拱作用又有梁作用，其所接受的程度荷載大部分經(jīng)過拱的作用傳給兩岸巖體，小部分經(jīng)過梁的作用傳至壩底基巖，壩體的穩(wěn)定主要依托兩岸拱端巖體來支承，并不是靠壩體自重來維持。特點(diǎn)：1、用拱構(gòu)造特點(diǎn)，充分利用資料強(qiáng)度。2、利用兩岸巖體維持穩(wěn)定3、超載才干強(qiáng)〔5～11倍〕，平安度高。4、抗震性能好。5、荷載特點(diǎn)6、壩身泄流布置復(fù)雜。拱壩的布置原那么壩身的布置原那么是：在滿足穩(wěn)定和運(yùn)用要求的條件下，壩體輪廓力求簡單，基巖面、壩面變化平順，防止有任何突變，使壩體資料得到充分發(fā)揚(yáng)，總工程量最省。壩端的布置原那么：拱端應(yīng)嵌入開挖后的堅(jiān)實(shí)基巖內(nèi)，拱端與基巖的接觸面原那么上應(yīng)做成半徑向的，以使拱端推力接近垂直于拱座面。即拱端下游面與可利用巖面線的夾角Φ≥30°。溫度荷載對拱壩應(yīng)力穩(wěn)定的影響溫度荷載是拱壩設(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)，封拱溫度的高低對溫度荷載的影響很大。溫度升高，拱圈伸長并向上游位移，由此產(chǎn)生的彎矩、剪力的方向與庫水位產(chǎn)生的相反，但軸力方向一樣。溫度降低，拱圈收縮并向下游位移，由此產(chǎn)生的彎矩、剪力的方向與庫水位產(chǎn)生的一樣，但軸力方向相反。普通情況下，溫降對壩體應(yīng)力不利，對壩肩穩(wěn)定有利。溫升對壩體應(yīng)力有利，對壩肩穩(wěn)定不利。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〕、有限單元法和模型實(shí)驗(yàn)法等。圓筒法：只適用于接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：假定拱壩由一系列各自獨(dú)立互不影響的程度拱圈疊合而成，每層拱圈簡化為兩端固結(jié)的平面拱，用構(gòu)造力學(xué)方法求解拱的應(yīng)力拱梁分載法：是當(dāng)前用于拱壩應(yīng)力分析的根本方法，它把拱壩看成由一系列程度拱圈和鉛直梁所組成，荷載由拱和梁共同承當(dāng)，各承當(dāng)多少荷載由拱梁交點(diǎn)處變位一致條件決議。荷載分配后，梁按靜定構(gòu)造計(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是將拱壩連同地基的整體構(gòu)造離散為有限個單元構(gòu)件，以結(jié)點(diǎn)相互銜接，經(jīng)過建立結(jié)點(diǎn)位移和結(jié)點(diǎn)力之間的平衡方程，求得結(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)而求出單元應(yīng)力。構(gòu)造模型實(shí)驗(yàn)法就是用石膏加硅藻土組成脆性資料，制形成拱壩整體模型，用應(yīng)變儀量測加荷后模型各點(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；另一類是模型實(shí)驗(yàn)法，它包括線彈性構(gòu)造應(yīng)力模型實(shí)驗(yàn)和地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)。改善拱座穩(wěn)定的措施：1、加強(qiáng)地基處置，對不利的節(jié)理等進(jìn)展有效的沖洗并進(jìn)展固結(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，減少巖體的浸透壓力。3、將拱端向岸壁深挖嵌進(jìn)，以擴(kuò)展下游的抗滑巖體，也可避開不利的滑裂面。這種做法對添加拱座的穩(wěn)定性較有效。4、改良拱圈設(shè)計(jì)，如采用三心圓拱、拋物線拱等方式，使拱端推力盡能夠趨向正交于岸坡。5、如拱端基巖承載才干較差，可部分?jǐn)U展拱端或設(shè)置推力墩等。土石壩重點(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，浸透變形的方式、壩坡抗滑穩(wěn)定分析的方法3、壩基處置的措施，要留意砂礫石地基的處置措施。土石壩的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)①筑壩資料來源直接、方便，能就地取材，能節(jié)省大量的鋼材、水泥和木材等建筑資料。②順應(yīng)地基變形的才干強(qiáng)。土石壩為土料或石料填筑的散粒構(gòu)造，能較好地順應(yīng)地基的變形，對地基的要求在各種壩型中是最低的。③構(gòu)造簡單，施工技術(shù)容易掌握，順應(yīng)于大型機(jī)械化施工。④運(yùn)用管理方便，任務(wù)可靠，壽命長，維修加固和擴(kuò)建均較容易。缺陷①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流，需單獨(dú)設(shè)置泄水建筑物。②施工導(dǎo)流不如混凝土壩方便。③壩體填筑工程量大，而且土料施工受氣候條件的影響較大。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30～70m，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。其中運(yùn)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資料又可分為：均質(zhì)壩、分區(qū)壩、人工防滲資料壩。土石壩的組成及作用①壩身：是土石壩的主體，壩坡的穩(wěn)定主要靠壩身來維持，并對防滲體起到維護(hù)作用。②防滲體是土石壩的重要組成部分，其作用是防滲，必需滿足降低壩體浸潤線、降低浸透坡降和控制滲流量的要求，另外還需滿足構(gòu)造和施工上的要求。常見的防滲體型式有心墻、斜墻等。③排水設(shè)備：目的：①降低壩體浸潤線及孔隙壓力，改動滲流方向，添加壩體穩(wěn)定；②防止?jié)B流逸出處的浸透變形，維護(hù)壩坡和壩基；③防止下游波浪對壩坡的沖刷及凍脹破壞，起到維護(hù)下游壩坡的作用。常見的排水型式有：棱體排水、貼坡排水、褥墊排水和綜合式排水等。④護(hù)坡：為維護(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)坡構(gòu)造。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。土石壩滲流分析目的是：①確定壩體浸潤線和下游逸出點(diǎn)位置，繪制壩體及地基內(nèi)的等勢線分布圖或流網(wǎng)圖，為壩體穩(wěn)定核算、應(yīng)力應(yīng)變分析和排水設(shè)備的選擇提供根據(jù)；②計(jì)算壩體和壩基滲流量，以便估算水庫的滲漏損失和確定壩體排水設(shè)備的尺寸；③確定壩坡出逸段和下游地基外表的出逸比降，以及不同土層之間的浸透比降，以判別該處的浸透穩(wěn)定性；④確定庫水位降落時(shí)上游壩殼內(nèi)自在水面的位置，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：流膂力學(xué)法、水力學(xué)法、流網(wǎng)法、實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值解法。土石壩浸透穩(wěn)定分析浸透變形：在浸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)生部分破壞。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。與土料性質(zhì)、土粒級配、水流條件以及防滲、排水措施等要素有關(guān)防止浸透變形的工程措施包括：1〕采取程度或垂直防