水工建筑物基础知识完整版本

水工建筑物基础知识 主讲 李志 绪论 水工建筑物与水利枢纽的分类 分等 分级 水利枢纽的分类 水工建筑物的分类 水利工程分等 水工建筑物分等水工建筑物的特点 水对水工建筑物的作用 水工建筑物的个别性 施工条件的复杂性 失事后果的严重性 绪论 水利枢纽 综合利用水资源的控制性水工建筑物的组合体 附图 全局 上海市水闸按其功能 可分为节制闸与船 套 闸 绪论 一 水利枢纽的分类 按作用分为 蓄水枢纽取 引 水枢纽抽水枢纽 二 水工建筑物的分类 一般按作用 用途和使用期限来分类 按作用分为 挡水或壅水建筑物 坝 闸 堤防等 泄水建筑物 溢洪道 泄水孔等 取水建筑物 进水闸 取水塔等 输水建筑物 输水渠 输水涵管等 和整治建筑物 导流堤 护岸护底建筑物 防浪堤等 按用途分为 一般性和专门性建筑物 水利水电枢纽工程按照其工程规模 效益和在国民经济中的重要性分为五等 整个枢纽工程的等别应以其中的最高等别为准 建筑物同时有几种用途时 按最高等别考虑 不同级别建筑物的不同要求表现在四个方面 抗御洪水能力 强度和稳定安全度 建筑材料的质量和耐久性 运行可靠性 二 五等工程 在以下情况下经过论证可提高其主要建筑物的级别 水坝高度超过一定数值时 建筑物的工程地质条件特别复杂或采用新坝型 新结构时 综合利用工程按不同用途的分等指标有两项接近同一等别的上限时 临时建筑物失事后将造成严重后果时 三 水利工程分等和分级 1 水利工程分等 1 水利工程分等 平原地区水闸枢纽工程分等指标 2 水工建筑物分级 水闸主体工程3孔12 12 12米引水总流量可达450立方米 3 需要提高级别的坝高界限值 水闸 水闸的工作特点 类型 组成和布置水闸的水力计算和防渗设计闸室的布置和构造水闸与河岸的连接 水闸 一 水闸的工作特点 类型 组成和布置 P123水闸是一种低水头 既能挡水 又能泄水 的水工建筑物 多建于平原地区软土地基上 P125水闸的组成 由上游连接段 闸室段和下游连接段三部分组成 上游连接段主要是将上游来水平顺地引进闸室 一 水闸的工作特点 类型 组成和布置 水闸的工作特点 水流方面 渗流 泄流 地基方面水闸的类型 按照水闸所担负的任务分类 按照水闸结构形式分类水闸的组成和布置 水闸的组成 水闸的布置 1 水闸的工作特点 水闸是一种低水头 既能挡水 又能泄水 的水工建筑物 多建于平原地区软土地基上 一 水流方面 渗流 在水头差的作用下渗流通过闸基及两岸 对闸室及两岸连接建筑物的稳定不利 并可能产生有害的渗流变形而危及建筑物的安全 泄流 水闸泄流时 下游水深急剧变化 给闸下消能带来困难 上下游水位差小时 容易产生水跃 消能效果差 对河床和建筑物不利 当闸孔较多时 开启个别闸孔容易形成折冲水流 淘刷两岸 二 地基方面 平原地区的地基特点是土层分布复杂 常夹有压缩性大 承载能力低的软土或松散容易液化 抗冲能力甚低的细砂 对闸的稳定性 不均匀沉降 闸下冲刷 闸基渗流等的影响均较复杂 1 水闸的工作特点 1 水闸的工作特点 2 水闸的类型 一 一 按照水闸所担负的任务分类进水闸 为了满足灌溉 发电等在河道 水库或湖泊的岸边建闸引水 并控制入渠流量 节制闸 枯水期借以截断河道抬高水位 以利航运和进水闸取水 洪水期用以控制下泄流量 排水闸 常位于江河沿岸 既可以排除洼地积水 又可以挡住较高的外河水位 挡潮闸 为了挡潮 御卤 排水 蓄淡 在入海河口附近所建的水闸 分洪闸 常建于河道一侧 用以分泄天然河道所不能容纳的多余洪水进入湖泊 洼地 及时消减洪峰 保证下游河道安全 其特点是泄水能力大 2 水闸的类型 一 节制闸是上海市最主要的水闸类型 由于是拦河建造 又称为拦河闸 船闸与套闸的区别 套闸 独立建造的具有两个闸首的简易船闸 兼具有节制闸和船闸的功能 船闸 专门用于通航 船闸的组成 闸室 闸首 及闸门 输水系统 引航道 导航建筑物 靠船建筑物以及通讯 导航与交通管制设施等部分 二 按照水闸结构形式分类开敞式水闸 露天水闸 在水闸中应用比较普遍 涵管式水闸 修建在河 堤之下 与涵洞的结构形式基本相同 只是多了闸门和启闭设备 2 水闸的类型 二 开敞式水闸示意图 涵管式水闸示意图 3 水闸的组成和布置 一 一 水闸的组成上游连接段 包括河底部分的铺盖 上游防冲槽及两岸的翼墙和护坡 闸室段 水闸的主体 包括底板 闸墩 闸门 胸墙 工作桥 交通桥等 下游连接段 包括消力池 海漫 防冲槽及翼墙 护坡等 开敞式水闸示意图 二 水闸的布置以技术先进 投资少 效益高 管理方便为目的 主要考虑 必须满足规划提出的要求 闸址应尽可能选择在土质好 方量少 有施工场地的地方 闸的布置应使进闸水流及出闸水流平顺 布置时应结合道路设置桥梁 应结合运行管理和各类水闸的特点合理布置 3 水闸的组成和布置 二 二 水闸的水力计算和防渗设计 目的 确定闸孔尺寸 保证引排所需的流量 采取适宜的消能防冲措施 确定闸基的防渗布置 主要有三方面的确定 水闸闸孔的计算消能防冲设施防渗设计 1 水闸闸孔的计算 一 闸上 下游水位的确定根据不同的水闸任务 确定的方法不同 1 进水闸 2 节制闸 3 排水闸 4 分洪闸 闸底高程的确定闸底板底面须定在地表腐植土层以下 闸底低 可以缩小闸孔 有利于进流和排水 但增加施工困难 提高工程造价 闸底高层的选定必须从运用 管理 施工 地形 地质和水文地质各方面加以充分的分析和比较 1 水闸闸孔的计算 二 闸孔尺寸的确定水闸闸孔宽度与水闸上 下游水位及闸底高程有关 计算闸孔的净宽 应考虑综合因素 考虑水闸的整体布置 其宽度不应大于河道的平均底宽 考虑便于施工 拟定闸的上下游水位差应小些 以减少水头损失 提高灌溉效率 闸孔净宽较大时 应结合闸门形式以及启闭机设备的容量等因素进行分孔 闸孔数目尽可能为奇数 以利消能 1 水闸闸孔的计算 三 2 消能防冲设施 水闸下泄水流具有一定的能量 由于水闸下游为抗冲能力很差的土质河床 因此设计和建造水闸的关键技术之一为解决消能防冲问题 主要有 消力池的作用和构造尺寸海漫和防冲槽 消力池的作用和构造尺寸 消力池是闸室下游消能防冲的主要结构物 消力池的底板称为护坦 位置紧靠闸室 通常将护坦高程降低 形成下降式消力池 消力池的作用是增加闸下游水深 促使过闸水流在护坦范围内产生淹没水跃 在水池内水流紊乱 相互撞击 达到消能效果 可缩短下游河床的护砌长度 护坦承受高速水利的冲刷及底部的扬压力 故护坦应具有一定的强度和抗冲耐磨性能及足够的重量 消力池深度及长度一般取池深0 3 0 5M 长为 3 6 倍的下游水深 护坦应与下游两岸翼墙底板及闸室底板分开 设置沉降缝来防止因不均匀沉降而产生裂缝 沉降缝内设置水平止水和三油二毡贴缝 消力池示意图 海漫和防冲槽 海漫和防冲槽是将水流在经过消力池后的剩余能量消除的加固措施 海漫长度一般为 3 6 倍的下游水深 海漫的要求 表面粗糙 能够沿途消除余能 透水性好 以利渗流顺利排出 具有一定的柔性 能够适应河床变形 一般采用前段采用浆砌块石 后段采用砂石垫层 海漫和防冲槽示意图 3 防渗设计 一 渗流 当上下游存在水位差时 在压力作用下 水流会通过土的孔隙向下游流动 渗径长度 渗流沿着闸基的地下轮廓线的流动长度 渗透压力 闸基下的渗流具有的一定压能 扬压力 渗透压力和浮托力之和 其作用方向铅直向上 垂直于底板 不利稳定 渗流达到一定程度将在闸后产生翻沙冒水和管涌现象或小块土壤悬浮 称为土壤的渗透变形 使闸基底部掏空 底板倾斜 沉降及断裂 造成事故 防渗设计主要是合理确定水闸的地下轮廓线和采取必要和可靠的防渗排水措施 以减小或消除渗流对水闸素产生的不利影响 主要有三方面 防渗长度确定渗透压力计算防渗排水布置 3 防渗设计 二 防渗长度确定 闸基防渗段长度为地下轮廓线长度 即铺盖 板桩闸底板等不透水部分与地基的接触线 其长度应满足公式 L C H C为渗径系数 H为上下游水位差 绕流渗透 水流绕过两岸连接建筑物的后面从上游向下游渗流 绕流渗径的长度 应大于闸底渗径的长度 闸底防渗布置图 开敞式水闸示意图 防渗排水布置 为了降低渗透压力 工程上采用滞渗和导渗的办法 滞渗 在闸底板上游设置不透水的铺盖 齿墙 板桩等设施 铺盖是为了增加防渗段长度 延长渗径 改变渗压力分布 齿墙既能起防渗作用 又可增加阻滑能力 导渗 在护坦 或海漫 下面设置排水反滤层 粘土铺盖示意图 反滤层和排水孔示意图 三 闸室的布置和构造 闸室是水闸工作运行的主体部分 由以下部分组成 闸底板 闸墩 胸墙 工作桥 交通桥 止水设备合理选择闸室各部分结构形式 布置和构造 使作用在地基上的单位面积尽量减小并尽量均匀分布 使闸室能适应地基可能的沉陷变形 是水闸设计的重要内容 1 闸底板 一 是闸室的基础 把闸室上部结构的重量和承载的水平荷载均匀地传到地基上 并利用与地基接触面的摩阻力来抵抗滑动 使闸室稳定 底板顺水流方向的长度 主要由闸室上部结构布置的要求和地基应力分布均匀等条件决定 一般在1 5 2 5倍的上下水位差 小型水闸的底板为平底板 分为分离式和整体式底板 分离式底板 由分离式底板和闸墩底板组成 中间有缝分开 缝中设止水 常用混凝土或浆砌块石筑成优点 节约材料缺点 适用于地基承载能力较大的砂土 砂壤土地基 并且止水条件要求高 施工进度慢 整体性没有整体地板好 1 闸底板 二 分离式底板示意图 整体式底板 小型水闸普遍采用的型式 整体式底板工作时承受较大弯矩 须配置相当数量的钢筋底板的上下游两端设有齿墙 以增加闸室的抗滑稳定性和刚度 并增加渗径长度 1 闸底板 三 整体底板示意图 2 闸墩 闸墩有中墩和边墩 闸墩是工作桥 启闭机 交通桥等上部结构的支承 承受上部结构的全部重量及闸门传来的水压力 闸墩的长度一般与顺水流方向的底板长度相同 闸墩应有足够的厚度满足稳定和强度要求 3 胸墙 胸墙多为钢筋混凝土结构 与闸室的连接有固定和简支两种形式 对于有通航要求或需要超设计泄洪的水闸 胸墙可以做成活动式的 以便全部开启闸孔 活动式胸墙实际上是上扇闸门 胸墙示意图 胸墙示意图 胸墙示意图 胸墙的作用 1 降低闸墩排架的高度 2 减小上部启闭机的荷载 3 提高抗震稳定性 缺点 通航受影响 水闸 4 工作桥 是为安装启闭机和便于工作人员操作而设于闸墩上的桥 小型水闸的工作桥一般采用板式结构 大中型水闸则采用装配式板梁结构 工作桥示意图 工作桥示意图 5 交通桥 交通桥与水闸结合 可以节约投资 交通桥的尺寸与荷载标准 应适应当前和今后的发展 并征询交通部门的意见 交通桥的型式可用板式 板梁式或拱式 6 止水设备 止水分为铅直缝止水和水平止水 铅直止水设在闸墩 边墩 岸墙 与翼墙之间 靠近迎水面的一侧 水平止水设置在地下轮廓线防渗段范围内 如闸室底板与铺盖和消力池之间 翼墙底板与铺盖和消力池之间 闸室底板的本身分缝之间等 止水设备示意图 迎水面 1 金属止水片2 沥青油毛毡卷3 灌注沥青4 接缝填充料 1 4 3 4 1 4 3 2 8 10CM 迎水面 迎水面 铅直缝止水 四 水闸与河岸的连接 翼墙布置形式 上游翼墙的布置形式 下游翼墙的布置形式边墩与翼墙的结构形式 重力式 扶壁式 其他形式 1 翼墙布置形式 上游翼墙的布置形式 园弧 扭曲面 300或450八字墙 凹圆锥 斜坡 隔墙等形式 下游翼墙的布置形式 扭曲面 300或450八字墙 斜坡 隔墙等形式 水闸 2 边墩与翼墙的结构形式 一 重力式 重力式挡土墙靠自身重量维持稳定 因其结构简单 施工方便被广泛采纳 二 扶壁式 由直墙 底板和扶壁三部分组成 它利用底板上的土重来维持稳定 比重力式节约材料 三 其他形式 重力式示意图 扶壁式示意图 水工建筑物的分类 从材质分 土工建筑物 石工建筑物 混凝土建筑物土工建筑物 如土堤 石工建筑物 护坡 河道防汛墙混凝土建筑物 混凝土防汛墙等 水工建筑物 P172 19 4水闸水工建筑物巡视检查时 混凝土建筑物主要是检查有无裂缝 腐蚀 磨损 剥蚀 露筋及钢筋锈蚀等情况 伸缩缝止水有无损坏 漏水及填充物流失等情况 P17对受潮汐影响的水闸 进行扬压力的观测 应在每月最高潮位期间观测一次 观测时间以测量潮汐周期内最高最低潮位及潮位变化过程中扬压力过程线为准 水工建筑物 P182 23进行水闸垂直位移观测采用水准测量方法 2 24水准引测基点是水闸为连接国家水准点和建筑物的垂直位移观测标点而自设的水准标点 P192 27水闸混凝土结构在进行混凝土碳化深度观测时 一般采用钻孔涂刷酚酞试剂方法 水工建筑物 P182 26测量裂缝的宽度可在裂缝测量部位的两侧埋设金属观测标点 通过用卡尺测量两个标点之间的间距来计算出裂缝的展开宽度 进行水闸混凝土裂缝观测的同时应记录气温 水温 混凝土温度 闸内外水位 水闸运行工况 对于梁 板等结构 还应观测记录其荷载情况 并记录诱发裂缝出现的可能原因 如发生了地震 出现历史最高 低 水位受到外力撞击等情况 水工建筑物 P192 27水闸混凝土结构在进行混凝土碳化深度观测时 一般采用钻孔涂刷酚酞试剂方法 混凝土碳化观测结束后 用高标号砂浆封堵观测孔 2 28土堤检查内容 是否沉降 风浪淘刷 人为或其它因素造成堤顶高程降低 堤顶或坡面不平整 堤顶宽度缩小 堤坡出现滑坡 塌陷 裂缝 孔洞 蚁害 堤后排水设施是否堵塞 堤顶是否积水 树木或草皮护坡是否缺损等 水工建筑物 P192 29土堤裂缝的维修方法 土堤内的裂缝当采用灌浆处理时 宜采取重力或低压方法进行 以防止产生滑坡危险 P202 31土堤产生滑动 一般均为堤坡过陡或堤中渗流坡降过大以及土堤下层地基土壤承载能力低造成的 防止土堤向下滑动 一般的措施是放缓边坡以及 上部减载 下部压重 水工建筑物 P212 36针对感潮河流闸下容易淤积的问题 在外河低潮位水动力较大时冲淤效果更好 冲淤时闸门的运行控制方式应灵活掌握 注意防止出现过度冲刷 P212 41为防止淤积 应制订并实施水闸防淤减淤运行计划 对出现的淤积 应有定期疏浚的计划 水工建筑物 P232 45干砌块石护坡主要损坏情况有 出现裂缝 局部块石松动 局部沉降 向下滑动 干砌块石护坡出现较大裂缝时 应拆除裂缝两侧部分范围内的块石 重新砌筑 干砌块石施工时层间要错缝 不出现通天缝 干砌块石护坡出现不大裂缝时 可不处理 P232 46如浆砌块石护坡存在不大的裂缝 也可仅对裂缝用水泥砂浆封闭并勾缝处理 P232 47砌石护坡下做反滤层一般用砂石砌筑 下铺一层土工布则效果更好 浆砌砌石护坡下做反滤层时 反滤层应连续铺满 不能断档 水工建筑物 P232 48干砌块石施工时要选择质地好的石材 块石至少有一面较为平整 要有足够的重量和厚度尺寸 P242 52闸墙墙面局部出现钢筋锈胀 混凝土剥落 钢筋裸露 应如何修复 清理 刷浆立模 浇灌养护混凝土 对老混凝土在修补前应对旧混凝土表面凿毛并清洗干净 对裸露的钢筋应进行除锈处理 水工混凝土建筑物损毁时 如果损伤表面面积小的 则可用砂浆或者聚合物砂浆抹补 水工建筑物 P262 56混凝土不稳定裂缝当应采用柔性材料修补 P272 59提高混凝土早期强度的主要措施是在混凝土拌和时加入早强剂 混凝土裂缝应当在基本稳定后修补 并宜在低温冬季季节开度较大时进行 水工建筑物 习题 判断 1 水闸是一种主要利用闸门挡水的低水头水工建筑物 2 上海市水闸按其功能 可分为节制闸与船 套 闸 3 套闸是为适应本市河道大多兼有通航功能而建造的通航水闸 4 船闸是专门用于通航船舶的水闸 水工建筑物 单选题 1 节制闸是本市最主要的水闸类型又称 A 进水闸 B 分洪闸 C 拦河闸 D 排水闸 C 水工建筑物 多选题 1 船闸主要有 以及通讯 导航与交通管制设施等部分组成 A 闸室 B 闸首 及闸门 C 输水系统 D 引航道 E 导航建筑物 F 靠船建筑物 ABCDEF 水工建筑物 单选题 1 节制闸由上游连接段 与下游连接段三部分组成 A 闸首 B 闸室 C 闸门 D 闸墙 B 水工建筑物 单选题 2 的主要作用是将上游来水平顺地收缩引入闸室 并保护河床免受水流冲刷或渗流破坏 A 下游连接段 B 防冲槽 C 上游连接段 D 消力池 C 水工建筑物 判断 1 水准引测基点是水闸为连接国家水准点和建筑物的垂直位移观测标点而自设的水准标点 2 水闸水工建筑物巡视检查时 混凝土建筑物主要是检查有无裂缝 腐蚀 磨损 剥蚀 露筋及钢筋锈蚀等 消力池 门槽内有无砂石堆积等情况 水工建筑物 判断 1 水闸混凝土结构在进行混凝土碳化深度观测时 一般采用钻孔涂刷酚酞试剂方法 2 进行水闸垂直位移观测采用水准测量方法 水工建筑物 单选题 1 测量裂缝的宽度可在裂缝测量部位的两侧埋设金属观测标点 通过用 测量两个标点之间的间距来计算出裂缝的展开宽度 A 卷尺 B 皮尺 C 钢直尺 D 卡尺 D 水工建筑物 单选题 2 对受潮汐影响的水闸 进行扬压力的观测 应在每月 观测一次 A 最高潮位 B 最低潮位 C 最高潮位和最低潮位之间 D 任意时间 A 水工建筑物 单选题 3 混凝土碳化观测结束后必须采用 将凿孔封闭 并应严格掌握封孔的质量 A 高标号砂浆 B 低标号砂浆 C 普通标号砂浆 D 环氧砂浆 A 水工建筑物 多选题 1 进行水闸混凝土裂缝观测的同时应记录 等情况 A 气温 B 水温 C 混凝土温度 D 风向 E 湿度 F 闸内外水位 ABCF 水工建筑物 判断 1 堤后排水设施是否堵塞 堤顶是否积水 树木或草皮护坡是否缺损等均是土堤检查的内容 2 为防止淤积 应制订并实施水闸防淤减淤运行计划 对出现的淤积 应有定期疏浚的计划 水工建筑物 单选题 1 土堤内的裂缝维修主要是根据裂缝的 而采取不同的维修方案 A 深度和宽度 B 深度和长度 C 深度和宽度 D 位置和深度 A 水工建筑物 判断 1 针对感潮河流闸下容易淤积的问题 在外河低潮位水动力较大时疏浚比冲淤效果更好 2 感潮河流闸下冲淤时 闸门应该全开 保证冲淤效果 水工建筑物 单选题 1 土堤内的裂缝当采用灌浆处理时 宜采取重力或 方法进行 A 高压 B 低压 C 超高压 D 超低压 B 水工建筑物 单选题 2 土堤产生滑动 一般均为堤坡 或堤中渗流坡降过大以及土堤下层地基土壤承载能力低造成的 A 陡 B 缓 C 过陡 D 过缓 C 水工建筑物 多选题 1 防止土堤向下滑动 一般的措施是 A 放缓边坡 B 下部压重 C 上部减载 D 上部堆载 E 加陡边坡 ABC 水工建筑物 判断 1 干砌块石护坡出现不大裂缝时 可不处理 2 干砌块石施工时要选择质地好的石材 块石至少有一面