水利水电工程建筑物.doc

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水利水电工程建筑物

一、水利枢纽的概念

1、水利工程

①概念：

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，以达到除害兴利的目的而修建的工程。

②根本任务：

除水害和兴水利。

2、水工建筑物：

为达到防洪、发电、灌溉、供水等目的，需要修建各种不同类型的建筑物，来控制和支配水流，这样的建筑物统称为水工建筑物。

3、水利枢纽：

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。

二、水工建筑物分类、作用和特点

1、水工建筑物按在枢纽中的作用分类：

挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、取（进）水建筑物、整治建筑物、专门建筑物。

2、水工建筑物特点：

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失事后的严重性

三、水利枢纽分等及水工建筑物分级

1、目的：

为使工程的安全可靠性与其造价的经济合理性恰当地统一起来，所以要对水利枢纽及其组成的建筑物进行分等分级。

2、分等分级的依据：

首先按水利枢纽工程的规模、效益及其在国民经济中的作用进行分等，然后再对各组成建筑物按其所属枢纽的等别、建筑物在枢纽中所起的作用和重要性进行分级。

四、挡水建筑物

（一）重力坝

1、岩基上的重力坝

重力坝的工作原理：

在水压力及其他荷载的作用下，主要依靠自重在滑动面上产生的抗滑力来抵消坝前水压力满足稳定的要求，同时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满足强度的要求。

重力坝的类型：

按坝的高度分类为：

高坝、中坝、低坝三类。

按照筑坝材料分类可分为：

混凝土重力坝和浆砌石重力坝。

按照坝体的结构型式分类可分为：

实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝。

按照坝体是否过水可分为：

溢流坝和非溢流坝。

按照施工方法分类可分为：

浇筑式混凝土重力坝和碾压式混凝土重力坝。

2、重力坝的设计内容

①总体布置首先选择坝址、坝轴线和坝的结构型式。

确定坝体与两岸及交叉建筑物联接方式。

最终确定坝体在枢纽中的布置。

②剖面设计可参照已建的类似工程，初拟剖面尺寸。

③稳定分析用单一安全系数法和可靠度理论法，核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定安全性能。

④应力分析用材料力学法和可靠度理论法，对坝体材料进行强度较核。

⑤构造设计根据施工和运行要求，确定坝体细部构造（廊道、排水、坝体分缝、止水等）。

⑥地基处理地基的防渗（帷幕灌浆）、排水、断层、破碎带处理等。

⑦溢流重力坝和泄水孔的孔口设计。

⑧监测设计包括坝体内部和外部的观测设计，制定大坝的运行、维护和监测条例。

3、重力坝的稳定及应力分析

①稳定分析单一安全系数法：

抗剪强度公式（摩擦公式），该方法是把滑动面看成接触面，而不是胶结面，只计滑动面上的摩擦力，而不计凝聚力。

抗剪断强度公式：

分项系数极限状态法，该方法中反映了坝体上的作用（荷载）的不定性和变异性，荷载均为随机变量。

设计状态按承载能力极限状态计算。

②应力分析目的是为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求；并根据应力分布情况进行坝体混凝土标号分区；也为研究坝体某些部位的应力集中和配筋等提供依据。

方法：

模型试验法、材料力学法、弹性理论的解析法、弹性理论的有限元法。

4、重力坝的地基处理

①地基处理主要包含两个方面的工作：

一是防渗；二是提高基岩强度。

②固结灌浆是在重力坝工程中采用浅孔低压灌注水泥浆的方法对地基进行加固处理。

目的是：

提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性。

③帷幕灌浆目的是：

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。

（二）拱坝

1、拱坝的工作原理及其特点

原理：

拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲线形，坝体结构既有拱作用又有梁作用，其所承受的水平荷载大部分通过拱的作用传给两岸岩体，小部分通过梁的作用传至坝底基岩，坝体的稳定主要依靠两岸拱端岩体来支承，并不是靠坝体自重来维持。

特点：

用拱结构特点，充分利用材料强度；利用两岸岩体维持稳定；超载能力强（5～11倍），安全度高；抗震性能好；荷载特点；坝身泄流布置复杂。

2、拱坝的布置原则

坝身的布置原则是：

在满足稳定和运用要求的条件下，坝体轮廓力求简单，基岩面、坝面变化平顺，避免有任何突变，使坝体材料得到充分发挥，总工程量最省。

坝端的布置原则：

拱端应嵌入开挖后的坚实基岩内，拱端与基岩的接触面原则上应做成半径向的，以使拱端推力接近垂直于拱座面。

即拱端下游面与可利用岩面线的夹角Φ≥30°。

3、温度荷载对拱坝应力稳定的影响

温度荷载是拱坝设计中的主要荷载之一。

温度荷载的大小与封拱温度有关，封拱温度的高低对温度荷载的影响很大。

温度升高，拱圈伸长并向上游位移，由此产生的弯矩、剪力的方向与库水位产生的相反，但轴力方向相同。

温度降低，拱圈收缩并向下游位移，由此产生的弯矩、剪力的方向与库水位产生的相同，但轴力方向相反。

一般情况下，温降对坝体应力不利，对坝肩稳定有利。

温升对坝体应力有利，对坝肩稳定不利。

4、拱坝应力及坝肩稳定分析

①拱坝应力分析常用方法有圆筒法、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：

只适用于承受均匀外水压力的等截面圆弧拱圈，只能粗略地求出径向截面上的均匀应力。

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合而成，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。

拱梁分载法：

是当前用于拱坝应力分析的基本方法，它把拱坝看成由一系列水平拱圈和铅直梁所组成，荷载由拱和梁共同承担，各承担多少荷载由拱梁交点处变位一致条件决定。

荷载分配后，梁按静定结构计算应力，拱按纯拱法计算应力。

拱梁分载法包括多拱梁法和拱冠梁法。

有限单元法是将拱坝连同地基的整体结构离散为有限个单元构件，以结点互相连接，通过建立结点位移和结点力之间的平衡方程，求得结点位移，进而求出单元应力。

结构模型试验法就是用石膏加硅藻土组成脆性材料，制作成拱坝整体模型，用应变仪量测加荷后模型各点应变值的变化从而求得坝体的应力。

②坝肩稳定分析

稳定分析方法一类是数值计算法，它包括刚体极限平衡法（如刚性块法、分块法、赤平投影法等）和有限元法；另一类是模型试验法，它包括线弹性结构应力模型试验和地质力学模型试验。

改善拱座稳定的措施：

加强地基处理，对不利的节理等进行有效的冲洗并进行固结灌浆，必要时可采用预应力锚固措施，以提高其抗剪强度。

加强坝肩岩体的灌浆和排水措施，减少岩体的渗透压力。

将拱端向岸壁深挖嵌进，以扩大下游的抗滑岩体，也可避开不利的滑裂面。

这种做法对增加拱座的稳定性较有效。

改进拱圈设计，如采用三心圆拱、抛物线拱等形式，使拱端推力尽可能趋向正交于岸坡。

如拱端基岩承载能力较差，可局部扩大拱端或设置推力墩等。

（三）土石坝

1、土石坝的特点

优点：

①筑坝材料来源直接、方便，能就地取材，能节省大量的钢材、水泥和木材等建筑材料。

②适应地基变形的能力强。

土石坝为土料或石料填筑的散粒结构，能较好地适应地基的变形，对地基的要求在各种坝型中是最低的。

③构造简单，施工技术容易掌握，适应于大型机械化施工。

④运用管理方便，工作可靠，寿命长，维修加固和扩建均较容易。

缺点：

①坝顶不能溢流。

受散土石料强度的限制，土石坝坝身通常不允许过流，需单独设置泄水建筑物。

②施工导流不如混凝土坝方便。

③坝体填筑工程量大，而且土料施工受气候条件的影响较大。

2、土石坝的类型

按坝体高度可分为：

高坝、中坝、低坝。

其中，低坝的高度为30m以下，中坝的高度为30～70m，高坝的高度为70m以上。

按施工方法可分为：

碾压式土石坝、抛填式土石坝、水力冲填坝和定向爆破堆石坝等。

其中应用最为广泛的是碾压式土石坝。

按土料在坝体中的配置和防渗体所用的材料又可分为：

均质坝、分区坝、人工防渗材料坝。

3、土石坝的组成及作用

①坝身是土石坝的主体，坝坡的稳定主要靠坝身来维持，并对防渗体起到保护作用。

②防渗体是土石坝的重要组成部分，其作用是防渗，必须满足降低坝体浸润线、降低渗透坡降和控制渗流量的要求，另外还需满足结构和施工上的要求。

常见的防渗体型式有心墙、斜墙等。

③排水设备目的：

降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；防止渗流逸出处的渗透变形，保护坝坡和坝基；防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏，起到保护下游坝坡的作用。

常见的排水型式有：

棱体排水、贴坡排水、褥垫排水和综合式排水等。

④护坡是为保护土石坝坝坡免受波浪淘刷、冰层和漂浮物的损害、降雨冲刷，防止坝体土料发生冻结、膨胀和收缩以及人畜破坏等，需设置护坡结构。

上游护坡常采用堆石、干砌石或浆砌石、混凝土或钢筋混凝土、沥青混凝土等型式。

下游护坡要求略低，可采用草皮、干砌石、堆石等型式。

4、土石坝渗流及渗透稳定分析

①渗流分析目的是：

确定坝体浸润线和下游逸出点位置，绘制坝体及地基内的等势线分布图或流网图，为坝体稳定核算、应力应变分析和排水设备的选择提供依据；计算坝体和坝基渗流量，以便估算水库的渗漏损失和确定坝体排水设备的尺寸；确定坝坡出逸段和下游地基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降，以判断该处的渗透稳定性；确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置，估算由此产生的孔隙压力，供上游坝坡稳定分析之用。

分析方法：

流体力学法、水力学法、流网法、试验法和数值解法。

②渗透稳定分析渗透变形：

在渗透水流的物理或化学作用下，导致土石坝坝身及地基中的土体颗粒流失，土壤发生局部破坏。

类型有管涌、流土、接触冲刷和接触流失等。

工程中以管涌和流土最为常见。

与土料性质、土粒级配、水流条件以及防渗、排水措施等因素有关。

防止渗透变形的工程措施包括：

采取水平或垂直防渗措施，以便尽可能地延长渗径，达到降低渗透坡降的目的；采取排水减压措施，以降低坝体浸润线和下游渗流出口处的渗透压力。

对可能发生管涌的部位，需设置反滤层，拦截可能被渗流带走的细颗粒；对下游可能产生流土的部位，可以设置盖重以增加土体抵抗渗透变形的能力。

③稳定分析石坝的上下游坝坡较缓，剖面尺寸较大，一般不会产生整体水平滑动。

但是，由于土石坝的材料是散粒体，其抗剪强度较低，当坝体或坝基材料的抗剪强度不足时，有可能发生坝体或坝体连同坝基的塌滑失稳；另外，当坝基内有软弱夹层时，也可能发生塑性流动，影响坝体的稳定。

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