水利水電工程建筑物

水利水電工程建筑物第一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日第一章本章的重點(diǎn)內(nèi)容：1、水利樞紐組成；2、水工建筑物分類(lèi)、作用和特點(diǎn)；3、水利樞紐分等及水工建筑物分級(jí)。第二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日一、水利樞紐的概念

1、水利工程（1）概念：水利工程是指對(duì)自然界的地表水和地下水進(jìn)行控制和調(diào)配，以達(dá)到除害興利的目的而修建的工程。（2）根本任務(wù)：除水害和興水利（3）分類(lèi)：2、水工建筑物：為達(dá)到防洪、發(fā)電、灌溉、供水等目的，需要修建各種不同類(lèi)型的建筑物，來(lái)控制和支配水流，這樣的建筑物統(tǒng)稱(chēng)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使用，形成一個(gè)有機(jī)的綜合體。第三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日二、水工建筑物分類(lèi)、作用和特點(diǎn)1、水工建筑物按在樞紐中的作用分類(lèi)：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(zhuān)門(mén)建筑物

2、水工建筑物特點(diǎn)：（1）工作條件的復(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)重性第四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日三、水利樞紐分等及水工建筑物分級(jí)目的：為使工程的安全可靠性與其造價(jià)的經(jīng)濟(jì)合理性恰當(dāng)?shù)亟y(tǒng)一起來(lái),所以要對(duì)水利樞紐及其組成的建筑物進(jìn)行分等分級(jí)。

分等分級(jí)的依據(jù)：首先按水利樞紐工程的規(guī)模、效益及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用進(jìn)行分等，然后再對(duì)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)行分級(jí)。

第五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日第二章、擋水建筑物重、難點(diǎn)1、掌握重力壩的工作原理、細(xì)部構(gòu)造及地基處理特點(diǎn)。2、重點(diǎn)掌握重力壩的作用類(lèi)型及組合、安全分析的內(nèi)容和方法、3、重點(diǎn)掌握拱壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力特點(diǎn)、荷載特點(diǎn)，掌握拱壩的布置原則。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。第六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日一、巖基上的重力壩

重力壩的工作原理：在水壓力及其他荷載的作用下，主要依靠自重在滑動(dòng)面上產(chǎn)生的抗滑力來(lái)抵消壩前水壓力滿足穩(wěn)定的要求，同時(shí)依靠壩體自重在水平截面上產(chǎn)生的壓應(yīng)力來(lái)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(lèi)型:按壩的高度分類(lèi)為：高壩、中壩、低壩三類(lèi)按照筑壩材料分類(lèi)可分為：混凝土重力壩和漿砌石重力壩。按照壩體的結(jié)構(gòu)型式分類(lèi)可分為：實(shí)體重力壩、寬縫重力壩、空腹重力壩。按照壩體是否過(guò)水可分為：溢流壩和非溢流壩。按照施工方法分類(lèi)可分為：澆筑式混凝土重力壩和碾壓式混凝土重力壩。

第七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日重力壩的設(shè)計(jì)內(nèi)容

1、總體布置

首先選擇壩址、壩軸線和壩的結(jié)構(gòu)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(lèi)似工程，初擬剖面尺寸。3、穩(wěn)定分析

用單一安全系數(shù)法和可靠度理論法，核算壩體沿壩基面或沿地基深層軟弱結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定安全性能。4、應(yīng)力分析

用材料力學(xué)法和可靠度理論法，對(duì)壩體材料進(jìn)行強(qiáng)度較核。5、構(gòu)造設(shè)計(jì)

根據(jù)施工和運(yùn)行要求，確定壩體細(xì)部構(gòu)造。(廊道、排水、壩體分縫、止水等)

6、地基處理

地基的防滲(帷幕灌漿)、排水、斷層、破碎帶處理等。7、溢流重力壩和泄水孔的孔口設(shè)計(jì)。8、監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

包括壩體內(nèi)部和外部的觀測(cè)設(shè)計(jì)，制定大壩的運(yùn)行、維護(hù)和監(jiān)測(cè)條例。

第八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日

重力壩的穩(wěn)定分析單一安全系數(shù)法:抗剪強(qiáng)度公式（摩擦公式）該方法是把滑動(dòng)面看成接觸面，而不是膠結(jié)面，只計(jì)滑動(dòng)面上的摩擦力，而不計(jì)凝聚力。抗剪斷強(qiáng)度公式2.分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)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)狀態(tài)按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算。

第九頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日重力壩的應(yīng)力分析

目的是為了檢驗(yàn)大壩在施工期和運(yùn)用期是否滿足強(qiáng)度要求；并根據(jù)應(yīng)力分布情況進(jìn)行壩體混凝土標(biāo)號(hào)分區(qū)；也為研究壩體某些部位的應(yīng)力集中和配筋等提供依據(jù)。方法:1、模型試驗(yàn)法；2、材料力學(xué)法；3、彈性理論的解析法；4、彈性理論的有限元法

材料力學(xué)方法的基本假定有三條：(1)壩體混凝土為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性材料。(2)視壩段為固接于地基上的懸臂梁，不考慮地基變形對(duì)壩體應(yīng)力的影響，并認(rèn)為各壩段獨(dú)立工作，橫縫不傳力。(3)假定壩體水平截面上的正應(yīng)力按直線分布，不考慮廊道等對(duì)壩體應(yīng)力的影響。當(dāng)采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)重力壩應(yīng)分別按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。第十頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日重力壩的構(gòu)造壩體混凝土分區(qū):混凝土重力壩壩體各部位的工作條件及受力條件不同，對(duì)上述混凝土材料性能指標(biāo)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，把安全與經(jīng)濟(jì)統(tǒng)一起來(lái)，通常將壩體混凝土按不同工作條件進(jìn)行分區(qū)，選用不同的強(qiáng)度等級(jí)和性能指標(biāo)。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)力以及施工澆筑能力等原因，一般要對(duì)壩體進(jìn)行分縫。1、橫縫:作用是減小溫度應(yīng)力、適應(yīng)地基不均勻變形滿足施工要求。2、縱縫:為了適應(yīng)混凝土的澆筑能力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(gè)壩段分成幾個(gè)壩塊，待壩體降到穩(wěn)定溫度后再進(jìn)行接縫灌漿。3、水平工作縫:是分層施工的新老混凝土之間的接縫，是臨時(shí)性的。

第十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日

重力壩的地基處理

地基處理主要包含兩個(gè)方面的工作：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(duì)地基進(jìn)行加固處理。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：降低壩底滲透壓力；防止壩基內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械或化學(xué)管涌；減少壩基和繞壩滲透流量。

第十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日拱壩

重點(diǎn)內(nèi)容：1、拱壩的工作原理，2、拱壩的類(lèi)型，3、溫度荷載對(duì)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基本原理。

第十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日拱壩的工作原理及其特點(diǎn)

原理：拱壩是固接于基巖的空間殼體結(jié)構(gòu)，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，壩體結(jié)構(gòu)既有拱作用又有梁作用，其所承受的水平荷載大部分通過(guò)拱的作用傳給兩岸巖體，小部分通過(guò)梁的作用傳至壩底基巖，壩體的穩(wěn)定主要依靠?jī)砂豆岸藥r體來(lái)支承，并不是靠壩體自重來(lái)維持。特點(diǎn)：1、用拱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分利用材料強(qiáng)度。2、利用兩岸巖體維持穩(wěn)定3、超載能力強(qiáng)（5～11倍），安全度高。4、抗震性能好。5、荷載特點(diǎn)6、壩身泄流布置復(fù)雜。

第十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日拱壩的布置原則

壩身的布置原則是：在滿足穩(wěn)定和運(yùn)用要求的條件下，壩體輪廓力求簡(jiǎn)單，基巖面、壩面變化平順，避免有任何突變，使壩體材料得到充分發(fā)揮，總工程量最省。

壩端的布置原則：拱端應(yīng)嵌入開(kāi)挖后的堅(jiān)實(shí)基巖內(nèi)，拱端與基巖的接觸面原則上應(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°。

第十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日溫度荷載對(duì)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(duì)溫度荷載的影響很大。溫度升高，拱圈伸長(zhǎng)并向上游位移，由此產(chǎn)生的彎矩、剪力的方向與庫(kù)水位產(chǎn)生的相反，但軸力方向相同。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(kù)水位產(chǎn)生的相同，但軸力方向相反。一般情況下，溫降對(duì)壩體應(yīng)力不利，對(duì)壩肩穩(wěn)定有利。溫升對(duì)壩體應(yīng)力有利，對(duì)壩肩穩(wěn)定不利。

第十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日拱壩應(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）、有限單元法和模型試驗(yàn)法等。圓筒法：只適用于承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)立互不影響的水平拱圈疊合而成，每層拱圈簡(jiǎn)化為兩端固結(jié)的平面拱，用結(jié)構(gòu)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)力分析的基本方法，它把拱壩看成由一系列水平拱圈和鉛直梁所組成，荷載由拱和梁共同承擔(dān)，各承擔(dān)多少荷載由拱梁交點(diǎn)處變位一致條件決定。荷載分配后，梁按靜定結(jié)構(gòu)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結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元構(gòu)件，以結(jié)點(diǎn)互相連接，通過(guò)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。結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)法就是用石膏加硅藻土組成脆性材料，制作成拱壩整體模型，用應(yīng)變儀量測(cè)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

第十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日壩肩穩(wěn)定分析

穩(wěn)定分析方法一類(lèi)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(lèi)是模型試驗(yàn)法，它包括線彈性結(jié)構(gòu)應(yīng)力模型試驗(yàn)和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)。改善拱座穩(wěn)定的措施：1、加強(qiáng)地基處理，對(duì)不利的節(jié)理等進(jìn)行有效的沖洗并進(jìn)行固結(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，減少巖體的滲透壓力。3、將拱端向岸壁深挖嵌進(jìn)，以擴(kuò)大下游的抗滑巖體，也可避開(kāi)不利的滑裂面。這種做法對(duì)增加拱座的穩(wěn)定性較有效。4、改進(jìn)拱圈設(shè)計(jì)，如采用三心圓拱、拋物線拱等形式，使拱端推力盡可能趨向正交于岸坡。5、如拱端基巖承載能力較差，可局部擴(kuò)大拱端或設(shè)置推力墩等。

第十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日土石壩

重點(diǎn)內(nèi)容1、掌握土石壩的類(lèi)型及其構(gòu)造特點(diǎn)、2、土石壩的滲流的目的，滲透變形的形式、壩坡抗滑穩(wěn)定分析的方法3、壩基處理的措施，要注意砂礫石地基的處理措施。第十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日土石壩的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)①筑壩材料來(lái)源直接、方便，能就地取材，能節(jié)省大量的鋼材、水泥和木材等建筑材料。②適應(yīng)地基變形的能力強(qiáng)。土石壩為土料或石料填筑的散粒結(jié)構(gòu)，能較好地適應(yīng)地基的變形，對(duì)地基的要求在各種壩型中是最低的。③構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工技術(shù)容易掌握，適應(yīng)于大型機(jī)械化施工。④運(yùn)用管理方便，工作可靠，壽命長(zhǎng)，維修加固和擴(kuò)建均較容易。缺點(diǎn)

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(guò)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。

第二十頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日土石壩的類(lèi)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。其中應(yīng)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材料又可分為：均質(zhì)壩、分區(qū)壩、人工防滲材料壩。

第二十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日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(lái)維持，并對(duì)防滲體起到保護(hù)作用。②防滲體是土石壩的重要組成部分，其作用是防滲，必須滿足降低壩體浸潤(rùn)線、降低滲透坡降和控制滲流量的要求，另外還需滿足結(jié)構(gòu)和施工上的要求。常見(jiàn)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(rùn)線及孔隙壓力，改變滲流方向，增加壩體穩(wěn)定；②防止?jié)B流逸出處的滲透變形，保護(hù)壩坡和壩基；③防止下游波浪對(duì)壩坡的沖刷及凍脹破壞，起到保護(hù)下游壩坡的作用。常見(jiàn)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：為保護(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)坡結(jié)構(gòu)。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。第二十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日土石壩滲流分析

目的是：①確定壩體浸潤(rùn)線和下游逸出點(diǎn)位置，繪制壩體及地基內(nèi)的等勢(shì)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)備的選擇提供依據(jù)；②計(jì)算壩體和壩基滲流量，以便估算水庫(kù)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表面的出逸比降，以及不同土層之間的滲透比降，以判斷該處的滲透穩(wěn)定性；④確定庫(kù)水位降落時(shí)上游壩殼內(nèi)自由水面的位置，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：流體力學(xué)法、水力學(xué)法、流網(wǎng)法、試驗(yàn)法和數(shù)值解法。

第二十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日土石壩滲透穩(wěn)定分析

滲透變形：在滲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)生局部破壞。類(lèi)型