水利工程水工建筑物概论

水工建建筑物物—hydraulicstructure(1)挡水建建筑物物—waterretainingstructure(2)泄水建建筑物物—waterreleasestructure(3)引水建建筑物物—waterdiversionstructure(4)整治建建筑物物—regulatingstructure(5)专门建建筑物物—specialhydraulicstructure引水建建筑物物包括括取水水建筑筑物和和输水水建筑筑物。。1.分类(1)挡水建建筑物物—waterretainingstructure用以拦拦截河河流，，形成成水库库或雍雍高水水位。。如坝坝、闸闸、堤堤等。。(2)泄水建建筑物物—waterreleasestructure用以宣宣泄水水库（（或渠渠道））在洪洪水期期间或或其他他情况况下的的多余余水量量，以以保证证坝（（或渠渠）的的安全全。如如溢流流坝、、河岸岸溢洪洪道、、泄洪洪隧洞洞和泄泄水涵涵洞等等。(3)引水建建筑物物—waterdiversionstructure用以从从水库库（或或河道道）向向库外外（或或下游游）引引水，，以满满足灌灌溉、、发电电、供供水等等要求求。如如引水水隧洞洞、引引水涵涵管、、渠道道等。。水利枢枢纽“三大件件”：挡水建建筑物物、泄泄水建建筑物物、引引水建建筑物物(4)整治建建筑物物—regulatingstructure用以改改善河河流的的水流流条件件，调调整水水流对对河床床及河河岸的的作用用，防防止水水库、、湖泊泊中的的波浪浪和水水流对对岸坡坡的冲冲刷。。如丁丁坝、、顺坝坝、导导流堤堤、护护岸、、护底底等。。(5)专门建建筑物物—specialhydraulicstructure为实现现某一一水利利事业业而修修建的的建筑筑物。。如水水电站站厂房房、船船闸、、升船船机、、鱼道道、鱼鱼闸、、过木木筏道道、过过竹筏筏道等等。2.水工建建筑物物的特特点（1）由于于水的的作用用，建建筑物物的工工作条条件复复杂（2）设计计独特特性自然地地形、、地质质条件件千差差万别别，因因此，，设计计只能能按各各自的的特征征进行行。除除非规规模很很小，，一般般不能能采用用定型型设计计。但某些些部件件可以以标准准化，，如：：水工工闸门门。（3）施工工条件件复杂杂解决施施工导导流问问题；；气温、、雨季季的影影响，，如：：浇筑筑混凝凝土、、填筑筑土坝坝；洪水威威胁，，要求求在汛汛期前前填筑筑到足足够高高程；；工程量量大，，工期期长，，要求求施工工机械械先进进、管管理科科学（4）意义义重大大，失失事后后果严严重河川水水利枢枢纽对对环境境的影影响一、物物理影影响1.淤积和和冲刷刷上游：：流速速降低低，泥泥沙淤淤积下游：：清水水下泄泄，加加大冲冲刷2.气候变变化、、诱发发地震震、边边坡失失稳雾天增增多高坝：：坝高高超过过100m，库容容超过过10××108m3，达17%二、生生态影影响1.水库养养鱼，，但阻阻碍回回游2.调蓄水水量，，但水水温不不一定定适应应作物物生长长3.增加了了传播播疾病病有利利条件件（钉钉螺、、疟蚊蚊）4.库水化化学成成分改改变，，影响响生物物5.大库影影响气气候变变化6.大量淹淹没生态问问题涉涉及范范围很很广，，需研研究。。如：：重力坝坝的荷荷载及及组合合1.主要荷荷载（1）自重重—deadload/deadweight（2）水压压力—waterpressure/hydraulicpressure（3）扬压压力—upliftpressure（4）冰压压力—icepressure（5）土压压力—earthpressure/soilpressure（6）地震震荷载载—earthquakeload/seismicload（7）温度度荷载载—loadoftemperaturevariation（1）自重重—建筑物物（坝坝体））及附附属永永久设设备的的重量量（2）水压压力—静水压压力（（上游游、下下游））、动动水压压力（（挑流流反弧弧段））、浪浪压力力（上上游库库水面面）（3）扬压压力—坝基扬扬压力力、坝坝体扬扬压力力两部分分组成成：下下游水水深产产生的的浮托托力（（upliftpressure），上上下游游水头头产生生的渗渗透压压力（（seepagepressure）。（4）冰压压力—静冰压压力、、动冰冰压力力（5）土压压力—主动土土压力力、被被动土土压力力、坝坝前泥泥沙压压力（6）地震震荷载载—地震惯惯性力力、地地震动动水压压力、、地震震动土土压力力（7）温度度荷载载—温度变变化引引起的的热胀胀冷缩缩，水水温、、气温温等2.荷载组组合作用在在重力力坝上上的各各种荷荷载，，除坝坝体自自重外外，都都是在在一定定范围围内随随机出出现的的。如如：上游水水位、、下游游水位位不断断变化化；宣泄最最大洪洪水时时，不不一定定发生生强烈烈地震震；封冻时时，存存在静静冰压压力，，就不不会有有风浪浪压力力，等等等因此，，设计计时应应把各各种荷荷载根根据它它们出出现的的概率率，合合理地地组合合成不不同的的情况况，用用不同同的安安全系系数进进行核核算，，以解解决安安全和和经济济之间间的矛矛盾。。把荷载载分成成两类类：（1）基本本荷载载：出出现概概率较较大的的荷载载（baseload）（2）特殊殊荷载载：出出现概概率较较小的的荷载载（specialload）基本荷荷载：：（1）坝体体及其其永久久设备备的自自重（2）正常常蓄水水位或或设计计洪水水位的的静水水压力力（3）正常常蓄水水位或或设计计洪水水位的的扬压压力（4）泥沙沙压力力（5）正常常蓄水水位或或设计计洪水水位的的浪压压力（6）冰压压力（7）土压压力（8）相应应于设设计洪洪水位位的动动水压压力（9）其他他出现现机会会较多多的荷荷载特殊荷荷载：：（10）校核核洪水水位时时的静静水压压力（11）校核核洪水水位时时的扬扬压力力（12）校核核洪水水位时时的浪浪压力力（13）相应应于校校核洪洪水位位的动动水压压力（14）地震震压力力（15）其他他出现现机会会很少少的荷荷载荷载组组合有有两种种：（1）基本本组合合（设设计情情况））—水库处处于正正常运运用情情况下下可能能发生生的荷荷载组组合，，由基基本荷荷载组组成（2）特殊殊组合合（校校核情情况））—水库处处于非非常运运用情情况下下可能能发生生的荷荷载组组合，，由基基本荷荷载+一种或或几种种特殊殊荷载载组成成1.抗滑稳稳定分分析抗滑稳稳定安安全系系数——建筑物物的抗抗滑力力与建建筑物物所受受的滑滑动力力之比比，用用K表示。。对于重重力坝坝，要要求任任意一一个剖剖面（（截面面）上上均满满足稳稳定条条件。。通常常，岩岩基上上的重重力坝坝，坝坝体混混凝土土和基基岩的的接触触面往往往是是一个个薄弱弱面，，这是是因为为：（1）两种种材料料的接接触面面（2）混凝凝土干干缩可可能产产生裂裂缝因此，，只要要该接接触面面上满满足抗抗滑稳稳定要要求，，则该该坝体体肯定定满足足稳定定要求求。（1）沿坝坝基面面抗滑滑稳定定A、摩擦擦公式式B、剪摩摩公式式2.应力分分析目的：：验算大大坝在在施工工期、、运用用期强强度的的安全全度要求：：坝体内内各部部分材材料的的应力力不超超过该该种材材料的的容许许应力力，即即s<=[s]。[s]=R/k式中：：R———材料的的极限限强度度；k———材料强强度的的安全全系数数，一一般取取k=3~5，由建建筑物物的级级别及及工作作情况况确定定。计算方方法：：模型试试验、、理论论分析析（材材料力力学、、弹性性力学学、有有限单单元法法）设计规规范：采用用材料料力学学法。。取1m长坝段段，按按平面面形变变问题题考虑虑。应力分分析部部分成成果（（1）由重力力坝剖剖面和和受力力特点点：在空库时，坝坝踵处处压应应力最最大，，坝趾趾处压压应力力最小小，甚甚至出出现拉拉应力力；在满库时，坝坝趾处处压应应力最最大，，坝踵踵处压压应力力最小小，甚甚至出出现拉拉应力力。2.灌浆浆固结结灌灌浆浆：：浅孔孔低低压压灌灌注注水水泥泥浆浆对对坝坝基基加加固固处处理理。。目目的的：：①提高高岩岩体体的的整整体体性性和和弹弹性性模模量量，，减减少少基基岩岩受受力力后后的的变变形形，，并并提提高高基基岩岩的的抗抗压压、、抗抗剪剪强强度度；；②降低低坝坝基基的的渗渗透透性性，，减减少少渗渗漏漏量量；；③帷幕幕旁旁边边的的固固结结灌灌浆浆可可提提高高帷帷幕幕的的灌灌浆浆压压力力。。帷幕幕灌灌浆浆：：靠近近上上游游坝坝基基设设一一排排或或几几排排钻钻孔孔，，利利用用高高压压灌灌浆浆填填塞塞基基岩岩内内的的裂裂隙隙和和孔孔隙隙等等渗渗水水通通道道，，在在基基岩岩中中形形成成一一道道相相对对密密实实的的阻阻水水帷帷幕幕。。目目的的：：①①降降低低坝坝基基的的渗渗透透压压力力，，减减少少渗渗流流量量；；②②防防止止坝坝基基内内产产生生机机械械或或化化学学管管涌涌。。3.坝基基排排水水系系统统目的的：：收集集并并排排走走由由地地基基渗渗透透过过来来的的水水，，进进一一步步降降低低坝坝基基扬扬压压力力。。因为为：：坝坝基基虽虽然然已已经经进进行行帷帷幕幕灌灌浆浆，，但但并并不不能能完完全全截截断断渗渗流流。。一、、拱拱坝坝的的工工作作原原理理(1)依靠靠拱拱的的作作用用，，将将力力传传给给拱拱座座(2)依靠靠悬悬臂臂梁梁的的作作用用，，将将力力传传给给地地基基拱坝坝同同时时有有拱拱的的作作用用和和悬悬臂臂梁梁的的作作用用，，拱拱和和悬悬臂臂梁梁分分担担荷荷载载，，其其大大小小取取决决于于河河谷谷形形状状：：河谷谷深深而而窄窄，，拱拱作作用用大大，，梁梁作作用用小小河谷谷浅浅而而宽宽，，拱拱作作用用小小，，梁梁作作用用大大主要要依依靠靠两两岸岸拱拱座座和和坝坝基基来来保保持持稳稳定定，，自自重重对对稳稳定定的的影影响响不不大大。。(1)受力力条条件件好好(2)坝的的体体积积小小拱是是一一种种受受压压结结构构，，拱拱的的作作用用越越显显著著，，越越能能减减小小坝坝的的厚厚度度，，从从而而减减小小工工程程量量。。梁梁的的作作用用越越大大，，越越需需要要依依靠靠坝坝体体自自重重来来抵抵抗抗水水压压力力。。拱坝的坝坝轴线比比重力坝坝长，但但总的工工程量至至少比同同高度的的重力坝坝减少1/3~2/3。二、拱坝坝的工作作特点拱坝是周周边嵌固固的高次超静静定结构构，当外荷荷载增大大至坝的的某一部部位因拉拉应力过过大而开开裂时，，能调整整拱作用用和梁作作用及其其荷载分分配，使使坝内应应力重分分配，而而不致使使大坝丧丧失全部部承载能能力。裂缝对于于拱坝的的威胁不不象对其其他坝型型那样严严重：水平缝：：扬压力只只会降低低悬臂梁梁的作用用。一般般薄拱坝坝是以独独立的水水平拱设设计的，，悬臂的的作用只只作为一一种安全全储备垂直缝：：使拱圈未未开裂部部分的应应力增加加，原来来的拱圈圈变成具具有更小小曲率半半径的拱拱圈，坝坝内应力力重分配配，成为为无拉应应力的有有效拱按结构的的观点来来看，拱拱坝的坝坝面允许许局部开开裂。如如果拱座座岩体坚坚固，那那么，拱坝的破破坏主要要取决于于压应力力是否超超过筑坝坝材料的的强度极极限。一般混凝凝土具有有塑性和和徐变特特性，在在局部应应力特大大的部位位，如果果变形受受限制，，经过一一段时间间，混凝凝土的徐徐变变形形增大，，弹性变变形减小小，使这这些特大大的应力力有所降降低。(3)超载能力力强，安安全度高高拱坝是整整体的空空间结构构，坝体体较坚韧韧，富有有弹性，，又能自自行调整整结构特特性，故故可以提提高坝体体的抗震震性能。。如：意大利：：柯尔菲菲诺拱坝坝，高40m中国：河河北峡沟沟水库浆浆砌石拱拱坝，高高78m，1966年3月(4)抗震性能能好(5)施工技术术要求高高拱坝坝体体断面小小，几何何形状复复杂，故故对施工工技术、、施工质质量控制制和筑坝坝材料的的强度有有较高的的要求，，对地基基处理的的要求更更严格，，开挖较较大。五、拱坝坝的温度度荷载拱坝的温温度荷载载是拱坝坝设计中中主要的的荷载之之一。1、封拱温温度拱坝建成成并经过过充分冷冷却后，，当施工工期混凝凝土产生生的水化化热已经经基本散散尽、坝坝体混凝凝土温度度趋于相相对稳定定时，对对坝体各各施工缝缝进行灌灌浆，使使各坝块块固结形形成整体体，称为为封拱。相应的的混凝土土温度称称为封拱温度度。2、拱坝的的温度荷荷载指拱坝封封拱形成成整体后后，在上上下游水水温、气气温周期期性变化化的影响响下，坝坝体内产产生相对对于封拱拱温度的的温度变变化所引引起的荷荷载，称称为拱坝的温温度荷载载。三部分：：均匀温度度变化沿坝厚的的温度梯梯度变化化非线性温温度变化化温度荷载载对坝体体应力和和稳定的的影响因此，温降对坝坝体应力力不利；；温升对对坝体稳稳定不利利。当坝体温温度低于于封拱温温度（温温降）时时，坝轴轴线收缩缩，使坝坝体向下下游位移移，产生生的弯矩矩、剪力力的方向向与水库库水压力力所产生生的相同同，但轴轴力方向向相反，，结果是是拱端上上游面受受拉、下下游面受受压，在在拱冠则则上游面面受压、、下游面面受拉。。当坝体温温度高于于封拱温温度（温温升）时时，坝轴轴线伸长长，使坝坝体向上上游位移移，产生生的弯矩矩、剪力力的方向向与水库库水压力力所产生生的相反反，但轴轴力方向向相同，，结果是是拱端上上游面受受压、下下游面受受拉，在在拱冠则则上游面面受拉、、下游面面受压。。一、土石石坝的特特点(1)筑坝材料料就地取取材。可可节省大大量钢材材、水泥泥、木材材等。(2)适应地基基变形能能力强。。土石体体是散粒粒体结构构，对地地基的要要求比混混凝土坝坝低。(3)施工方法法选择灵灵活性大大。能适适应不同同的施工工方法，，且工序序简单、、施工速速度快、、易保证证质量。。（人工工机械化化）(4)结构简单单、造价价低廉、、运行管管理方便便、工作作可靠，，便于维维修加高高。缺点：(1)坝顶不能能溢流，，通常需需另开溢溢洪道。。(2)施工导流流不便，，增加了了工程造造价。(3)坝体断面面大，土土料填筑筑的质量量受气候候影响，，给施工工带来困困难。二、土石石坝的工工作条件件土石坝由由散粒体体材料填填筑而成成，其剖剖面一般般呈梯形形。土石坝的的失稳一一般是坝坝坡滑动动或坝坡坡连同地地基一起起滑动的的剪切，，这是土土石坝特特有的。。(1)渗流问题题土石坝在在挡水后后，在上上下游水水位差的的作用下下，坝体体、坝基基会有一一系列的的问题需需要考虑虑：水流经过过坝身与与坝基的的结合面面、坝体体土与混混凝土的的结合面面，易产产生渗漏漏。坝体内形形成自由由面，饱饱和区的的土体有有效重量量减轻，，土的强强度（内内摩擦角角和凝聚聚力）减减小渗透动水水压力增增大了下下游坝坡坡的滑动动可能性性。当库库水位骤骤降时，，易引起起上游坝坝坡的失失事。在渗流的的出口处处，易引引起渗透透变形，，严重时时会导致致坝的失失事。(2)冲刷问题题土颗粒间间的粘结结力很小小，抗冲冲能力很很低：雨水侵入入坝体，，会降低低坝的稳稳定性；；沿坝坡坡下流会会冲刷坝坝面。库内风浪浪会淘刷刷坝坡，，易引起起滑坡。。(3)沉降问题题土粒间存存在孔隙隙，在坝坝体自重重和水荷荷载作用用下，坝坝体和坝坝基都会会因压缩缩而产生生沉降。。过大沉降降：会导致坝坝顶高程程不足。。过大不均均匀沉降降：会导致坝坝体开裂裂，形成成渗水通通道，威威胁大坝坝。(4)其他问题题严寒地区区，库面面的冰盖盖层与坝坝坡、岸岸坡冻结结在一起起，对坝坝坡产生生很大的的冰压力力，易导导致护坡坡的破坏坏自由面以以上的坝坝体粘土土，在冻冻融作用用下会造造成孔穴穴、裂缝缝；夏季季干旱作作用下，，易引起起干裂而而导致集集中渗漏漏地震地区区，坝坡坡塌滑的的可能性性增大；；粉砂地地基，存存在振动动液化问问题南方，白白蚂蚁可可以蛀空空坝体，，导致坝坝体塌陷陷、渗漏漏通道等等七、土石石坝的裂裂缝1.类型及其其成因(1)干缩和冻冻融裂缝缝干缩缝：：土体表表面失去去水分收收缩，而而土体内内部不收收缩或收收缩甚微微，表层层土体受受约束产产生拉应应力，形形成裂缝缝。常见见于含水水量较高高、薄膜膜水较厚厚的细粒粒土体。。冻融裂缝缝：土体体冻结后后，气温温骤降，，表层土土体发生生收缩，，受到内内部未降降温土体体约束产产生拉应应力，在在表层形形成裂缝缝。常见见于含水水量较高高的细粒粒土体。。仅限于表表层土体体，不至至威胁大大坝的安安全。(2)变形裂缝缝主要由不不均匀沉沉降所引引起。由由于不均均匀变形形，在坝坝的某些些部位产产生较大大的拉应应变和剪剪应变，，因而产产生裂缝缝。这种种裂缝一一般规模模较大，，并深入入坝体，，是破坏坏坝体完完整性的的主要裂裂缝。特特别是防防渗体的的拉伸缝缝，对坝坝的威胁胁很大，，应尽量量避免。。变形裂缝缝——纵向裂缝缝、横向向裂缝、、水平裂裂缝纵向裂缝缝缝的走向向平行于于坝轴线线。多出出现于坝坝坡，有有时也出出现在坝坝坡，也也可能出出现在坝坝的内部部。缝的的宽度往往往较大大。这种种缝是由由横向不不均匀变变形引起起的。横向裂缝缝缝的走向向垂直于于坝轴线线。多出出现于局局部变化化地形、、岸坡陡陡峭、坝坝体埋有有刚性建建筑物的的、易出出现局部部拉伸的的区域。。这种缝缝是由于于坝轴线线方向的的纵向不不均匀变变形引起起的。横横缝常贯贯穿防渗渗体，对对坝的危危害很大大。水平裂缝缝多发生在在窄心墙墙坝中。。它是由由于坝体体和坝基基的不均均匀沉降降引起的的，是一一种内部部裂缝。。有时贯贯穿上下下游，形形成集中中渗水通通道。这这种缝不不易发现现，往往往出现事事故后才才知道，，对危害害性很大大。由于坝坝体非非粘性性土沉沉降速速度快快，较较早达达到稳稳定。。而粘粘土心心墙由由于固固结速速度慢慢，沉沉降还还在继继续。。坝壳壳通过过心墙墙接触触面的的摩擦擦力作作用阻阻止心心墙沉沉降，，形成成心墙拱拱效应应。拱效效应使使心墙墙的垂垂直应应力减减小，，如果果拱效效应过过大，，使垂垂直应应力由由压变变拉，，超过过土体体的强强度，，会产产生水水平裂裂缝。。(3)滑坡裂裂缝滑坡引引起的的裂缝缝，在在顶部部呈张张开缝缝、底底部隆隆起处处产生生许多多细小小裂缝缝。这这种缝缝延伸伸较长长、较较深、、较宽宽，有有较大大的错错距。。这是是坝失失稳前前，滑滑动体体开始始发生生位移移时，，在周周界上上出现现的缝缝，是是滑坡坡的前前兆。。(4)水力劈劈裂缝缝在孔隙隙水压压力作作用下下，土土体局局部有有效应应力减减小到到零以以下时时，由由于拉拉伸破破坏所所形成成。在在水压压减退退后张张开的的裂缝缝也可可以自自行闭闭合。。水力力劈裂裂多发发生于于水库库初次次蓄水水时，，是一一种危危害性性很大大的裂裂缝。。①心墙拱拱效应应使心心墙的垂直直压力力降低低到该该处的的孔隙隙水压压力时时，会会因水水力劈劈裂产产生水水平裂裂缝。。因其其他原原因而而产生生的水水平裂裂缝也也可能能因