水利工程概論要點(diǎn)大壩安全監(jiān)測培訓(xùn)班

1、總體：南方水多、人多、地少，西南多； 北方水少、人多、地多，東北多。人均：南方是北方的4.4倍；畝均：南方是北方的9.1倍我國位于世界著名的東亞季風(fēng)區(qū)，降水和徑流的時間分布很不平均：年際間水量變化大，豐水年和枯水年交替出現(xiàn)，最大年降水量是最小年降水量的162倍；年間水量變化大，每年60%的降水集中在夏秋之交的三、四個月，且往往以暴雨形式集中降落，特別是北方地區(qū)。4. 我國水資源開發(fā)利用中存在的問題（1）供求矛盾日益突出一方面有限的水資源難以利用，另一方面許多地區(qū)水資源短缺。如：全國400多個城市中3/4缺水。 由于供水不足，每年影響工業(yè)產(chǎn)值1200億元。 由于較大的旱災(zāi)，糧食減產(chǎn)達(dá)數(shù)百億斤。

2、缺水嚴(yán)重的地區(qū)，河川徑流利用率達(dá)56%，地下水利用率達(dá)80%。（2）利用效率不高，損失浪費(fèi)嚴(yán)重國名年份重復(fù)利用率（%）中國西德日本美國前蘇聯(lián)1991196419851985198020-3064748775-80重復(fù)利用率是表示水資源利用效率的一個指標(biāo)。水資源的重復(fù)利用率不斷提高，而單位產(chǎn)品耗水量不斷下降。（3）水資源過量開采后果堪憂（4）水資源污染嚴(yán)重北方許多城市持續(xù)超量開采地下水，使地下水儲量虧損，地下水水位大幅度下降，形成降落漏斗，并伴隨地面下沉。1985年，工業(yè)污水和生活污水排放量342億m3，其中85%未經(jīng)任何處理直接排入江河湖泊。全國城市自來水水源80%以上受到不同程度的污染。全國

3、水質(zhì)有機(jī)物污染18505.8km，20.7%，三級以上；全國水質(zhì)五項毒物污染18555.5km，218%，三級以上。1985年因水污染造成的經(jīng)濟(jì)損失約300億元。三、 水工建筑物hydraulic structure(1)擋水建筑物water retaining structure(2)泄水建筑物water release structure(3)引水建筑物water diversion structure(4)整治建筑物regulating structure(5)專門建筑物special hydraulic structure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

4、water retaining structure 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water release structure 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water diversion structure 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regulating structure 用以改善河流的水流條件，調(diào)整

5、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special hydraulic structure 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(diǎn)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。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)3 河川水利樞紐對環(huán)境的影響一、

6、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10108m3，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：四、重力壩的荷載及組合1. 主要荷載（1）自重dead load / dead weight（2）水壓力water pressure / hydraulic pressure（3）揚(yáng)壓力uplift

7、pressure（4）冰壓力ice pressure（5）土壓力earth pressure / soil pressure （6）地震荷載earthquake load / seismic load（7）溫度荷載load of temperature variation（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（uplift pressure），上下游水頭產(chǎn)生的滲透壓力（seepage pressure）。（4）冰壓力靜冰壓力、動冰壓力（5）土

8、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（base load）（2）特殊荷載：出現(xiàn)概率較小的荷載（special loa

9、d） 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

10、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、摩擦公式摩擦系數(shù)揚(yáng)壓力全部水平向作用力全部豎向重力式中：fUPWPUWfK)(B、剪摩公式凝聚力抗剪斷摩擦系數(shù)接觸面面積式中：cfAPAcUWfK)(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：

11、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=35，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(diǎn)：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：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；降低壩基

12、的滲透性，減少滲漏量；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：降低壩基的滲透壓力，減少滲流量； 防止壩基內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械或化學(xué)管涌。3. 壩基排水系統(tǒng)目的：收集并排走由地基滲透過來的水，進(jìn)一步降低壩基揚(yáng)壓力。因為：壩基雖然已經(jīng)進(jìn)行帷幕灌漿，但并不能完全截斷滲流。一、拱壩的工作原理(1) 依靠拱的作用，將力傳給拱座(2) 依靠懸臂梁的作用，將力傳給地基 拱壩同時有拱的作用和懸臂梁的作用，拱和懸臂梁分擔(dān)荷載，其大小取決于河谷形狀： 河谷深而窄，拱作用大，梁作用小 河谷淺而寬，拱

13、作用小，梁作用大主要依靠兩岸拱座和壩基來保持穩(wěn)定，自重對穩(wěn)定的影響不大。(1) 受力條件好(2) 壩的體積小 拱是一種受壓結(jié)構(gòu)，拱的作用越顯著，越能減小壩的厚度，從而減小工程量。梁的作用越大，越需要依靠壩體自重來抵抗水壓力。 拱壩的壩軸線比重力壩長，但總的工程量至少比同高度的重力壩減少1/32/3。二、拱壩的工作特點(diǎn) 拱壩是周邊嵌固的高次超靜定結(jié)構(gòu)，當(dāng)外荷載增大至壩的某一部位因拉應(yīng)力過大而開裂時，能調(diào)整拱作用和梁作用及其荷載分配，使壩內(nèi)應(yīng)力重分配，而不致使大壩喪失全部承載能力。 裂縫對于拱壩的威脅不象對其他壩型那樣嚴(yán)重： 水平縫：揚(yáng)壓力只會降低懸臂梁的作用。一般薄拱壩是以獨(dú)立的水平拱設(shè)計的，懸

14、臂的作用只作為一種安全儲備 垂直縫：使拱圈未開裂部分的應(yīng)力增加，原來的拱圈變成具有更小曲率半徑的拱圈，壩內(nèi)應(yīng)力重分配，成為無拉應(yīng)力的有效拱 按結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來看，拱壩的壩面允許局部開裂。如果拱座巖體堅固，那么，拱壩的破壞主要取決于壓應(yīng)力是否超過筑壩材料的強(qiáng)度極限。 一般混凝土具有塑性和徐變特性，在局部應(yīng)力特大的部位，如果變形受限制，經(jīng)過一段時間，混凝土的徐變變形增大，彈性變形減小，使這些特大的應(yīng)力有所降低。(3) 超載能力強(qiáng)，安全度高 拱壩是整體的空間結(jié)構(gòu)，壩體較堅韌，富有彈性，又能自行調(diào)整結(jié)構(gòu)特性，故可以提高壩體的抗震性能。如： 意大利：柯爾菲諾拱壩，高40m 中國：河北峽溝水庫漿砌石拱壩，高7

15、8m，1966年3月(4) 抗震性能好(5) 施工技術(shù)要求高 拱壩壩體斷面小，幾何形狀復(fù)雜，故對施工技術(shù)、施工質(zhì)量控制和筑壩材料的強(qiáng)度有較高的要求，對地基處理的要求更嚴(yán)格，開挖較大。五、拱壩的溫度荷載拱壩的溫度荷載是拱壩設(shè)計中主要的荷載之一。1、封拱溫度拱壩建成并經(jīng)過充分冷卻后，當(dāng)施工期混凝土產(chǎn)生的水化熱已經(jīng)基本散盡、壩體混凝土溫度趨于相對穩(wěn)定時，對壩體各施工縫進(jìn)行灌漿，使各壩塊固結(jié)形成整體，稱為封拱。相應(yīng)的混凝土溫度稱為封拱溫度。2、拱壩的溫度荷載指拱壩封拱形成整體后，在上下游水溫、氣溫周期性變化的影響下，壩體內(nèi)產(chǎn)生相對于封拱溫度的溫度變化所引起的荷載，稱為拱壩的溫度荷載。三部分：u均勻溫度

16、變化u沿壩厚的溫度梯度變化u非線性溫度變化溫度荷載對壩體應(yīng)力和穩(wěn)定的影響因此，溫降對壩體應(yīng)力不利；溫升對壩體穩(wěn)定不利。當(dāng)壩體溫度低于封拱溫度（溫降）時，壩軸線收縮，使壩體向下游位移，產(chǎn)生的彎矩、剪力的方向與水庫水壓力所產(chǎn)生的相同，但軸力方向相反，結(jié)果是拱端上游面受拉、下游面受壓，在拱冠則上游面受壓、下游面受拉。當(dāng)壩體溫度高于封拱溫度（溫升）時，壩軸線伸長，使壩體向上游位移，產(chǎn)生的彎矩、剪力的方向與水庫水壓力所產(chǎn)生的相反，但軸力方向相同，結(jié)果是拱端上游面受壓、下游面受拉，在拱冠則上游面受拉、下游面受壓。一、土石壩的特點(diǎn)(1) 筑壩材料就地取材?？晒?jié)省大量鋼材、水泥、木材等。(2) 適應(yīng)地基變形能

17、力強(qiáng)。土石體是散粒體結(jié)構(gòu)，對地基的要求比混凝土壩低。(3) 施工方法選擇靈活性大。能適應(yīng)不同的施工方法，且工序簡單、施工速度快、易保證質(zhì)量。（人工機(jī)械化）(4) 結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、運(yùn)行管理方便、工作可靠，便于維修加高。缺點(diǎn)：(1) 壩頂不能溢流，通常需另開溢洪道。(2) 施工導(dǎo)流不便，增加了工程造價。(3) 壩體斷面大，土料填筑的質(zhì)量受氣候影響，給施工帶來困難。二、土石壩的工作條件土石壩由散粒體材料填筑而成，其剖面一般呈梯形。土石壩的失穩(wěn)一般是壩坡滑動或壩坡連同地基一起滑動的剪切，這是土石壩特有的。(1) 滲流問題土石壩在擋水后，在上下游水位差的作用下，壩體、壩基會有一系列的問題需要考慮：

18、水流經(jīng)過壩身與壩基的結(jié)合面、壩體土與混凝土的結(jié)合面，易產(chǎn)生滲漏。 壩體內(nèi)形成自由面，飽和區(qū)的土體有效重量減輕，土的強(qiáng)度（內(nèi)摩擦角和凝聚力）減小 滲透動水壓力增大了下游壩坡的滑動可能性。當(dāng)庫水位驟降時，易引起上游壩坡的失事。 在滲流的出口處，易引起滲透變形，嚴(yán)重時會導(dǎo)致壩的失事。(2) 沖刷問題土顆粒間的粘結(jié)力很小，抗沖能力很低： 雨水侵入壩體，會降低壩的穩(wěn)定性；沿壩坡下流會沖刷壩面。 庫內(nèi)風(fēng)浪會淘刷壩坡，易引起滑坡。(3) 沉降問題土粒間存在孔隙，在壩體自重和水荷載作用下，壩體和壩基都會因壓縮而產(chǎn)生沉降。過大沉降：會導(dǎo)致壩頂高程不足。過大不均勻沉降：會導(dǎo)致壩體開裂，形成滲水通道，威脅大壩。(4

19、) 其他問題 嚴(yán)寒地區(qū)，庫面的冰蓋層與壩坡、岸坡凍結(jié)在一起，對壩坡產(chǎn)生很大的冰壓力，易導(dǎo)致護(hù)坡的破壞 自由面以上的壩體粘土，在凍融作用下會造成孔穴、裂縫；夏季干旱作用下，易引起干裂而導(dǎo)致集中滲漏 地震地區(qū)，壩坡塌滑的可能性增大；粉砂地基，存在振動液化問題 南方，白螞蟻可以蛀空壩體，導(dǎo)致壩體塌陷、滲漏通道等七、土石壩的裂縫1. 類型及其成因(1) 干縮和凍融裂縫干縮縫：土體表面失去水分收縮，而土體內(nèi)部不收縮或收縮甚微，表層土體受約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成裂縫。常見于含水量較高、薄膜水較厚的細(xì)粒土體。凍融裂縫：土體凍結(jié)后，氣溫驟降，表層土體發(fā)生收縮，受到內(nèi)部未降溫土體約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，在表層形成裂縫。常見

20、于含水量較高的細(xì)粒土體。僅限于表層土體，不至威脅大壩的安全。(2) 變形裂縫主要由不均勻沉降所引起。由于不均勻變形，在壩的某些部位產(chǎn)生較大的拉應(yīng)變和剪應(yīng)變，因而產(chǎn)生裂縫。這種裂縫一般規(guī)模較大，并深入壩體，是破壞壩體完整性的主要裂縫。特別是防滲體的拉伸縫，對壩的威脅很大，應(yīng)盡量避免。變形裂縫縱向裂縫、橫向裂縫、水平裂縫縱向裂縫縫的走向平行于壩軸線。多出現(xiàn)于壩坡，有時也出現(xiàn)在壩坡，也可能出現(xiàn)在壩的內(nèi)部?？p的寬度往往較大。這種縫是由橫向不均勻變形引起的。橫向裂縫縫的走向垂直于壩軸線。多出現(xiàn)于局部變化地形、岸坡陡峭、壩體埋有剛性建筑物的、易出現(xiàn)局部拉伸的區(qū)域。這種縫是由于壩軸線方向的縱向不均勻變形引起

21、的。橫縫常貫穿防滲體，對壩的危害很大。水平裂縫多發(fā)生在窄心墻壩中。它是由于壩體和壩基的不均勻沉降引起的，是一種內(nèi)部裂縫。有時貫穿上下游，形成集中滲水通道。這種縫不易發(fā)現(xiàn)，往往出現(xiàn)事故后才知道，對危害性很大。由于壩體非粘性土沉降速度快，較早達(dá)到穩(wěn)定。而粘土心墻由于固結(jié)速度慢，沉降還在繼續(xù)。壩殼通過心墻接觸面的摩擦力作用阻止心墻沉降，形成心墻拱效應(yīng)。拱效應(yīng)使心墻的垂直應(yīng)力減小，如果拱效應(yīng)過大，使垂直應(yīng)力由壓變拉，超過土體的強(qiáng)度，會產(chǎn)生水平裂縫。(3) 滑坡裂縫滑坡引起的裂縫，在頂部呈張開縫、底部隆起處產(chǎn)生許多細(xì)小裂縫。這種縫延伸較長、較深、較寬，有較大的錯距。這是壩失穩(wěn)前，滑動體開始發(fā)生位移時，在周界上出現(xiàn)的縫，是滑坡的前兆。(4) 水力劈裂縫在孔隙水壓力作用下，土體局部有效