清大水工建筑物教学大纲

《水工建筑物》本科教学大纲课程编号:课程名称：水工建筑物英文名称：HydraulicStructure适用专业：水利水电工程总学时：70学分：3.5先修课程：理论力学、材料力学、结构力学、工程材料、工程测量、土力学、工程地质、水力学、钢筋混凝土结构、钢结构、工程水文学、水能规划等学科基础平台。课程的性质、目的和任务本课程是水利水电工程建筑专业的主要专业课之一。本课程的主要任务是，使学生了解各种水工建筑物的设计理论和方法以及运用管理知识，了解各种水工建筑物在水利枢纽中的相互关系及其布置原则，通过听课、实习、实验、课程作业（课程设计）等环节，使学习受到运用所学知识解决实际工程问题的基本锻炼，配合其它有关课程的学习，为今后从事水工建筑物的设计、施工管理和科学研究等工作打下基础。二、课程教学的基本要求学生学完本课以后，应达到下列基本要求：1、混凝土重力坝、拱坝、土石坝、水闸、水工隧洞及岸边溢洪道的工作原理及工作条件，有较深的理解；对其它水工建筑物的基本型式和工作原理等也有一般的了解。2、懂得从安全、经济、运用的原则出发，根据任务和具体条件选择水工建筑物的型式和基本尺寸，初步掌握这一工作方法和步骤。3、能根据水工建筑物的工作原理和具体条件，拟定其主要细部构造。4、能运用所学基本理论，选择合理的设计条件，进行各种水工建筑的一般水力计算，稳定计算，强度校核等。5、了解在进行水工建筑物设计时所需的原始资料；了解水利工程的一般设计阶段，程序及其内容。6、了解水利枢纽中各种水工建筑物在布置上的要求，以及当地的地形、地质、水文、施工、运用等条件对水利枢纽布置的影响，初步掌握进行水利枢纽布置的方法与步骤。7、对水工建筑物的运用、管理和观测有所了解。8、能绘制一般水工建筑物的设计图纸；对水工建筑物的模型实验有初步的了解。各章内容的重点、深度和广度1、绪论（1）着重介绍水利事业及其在国民经济中的作用以及介绍解放后我国水利建设的主要成就。（2）着重介绍水利枢纽的概念。（3）着重讲述水工建筑物的特点，水利工程分等和水工建筑物分级，以及分等、分级的意义。2、岩基上的重力坝（1）本章主要研究对象是混凝土重力坝。着重讲述坝的荷载、稳定、应力分析、剖面设计、材料，分区、细部构造和坝基处理。（2）在讲述荷载时，应使学生了解不同荷载组合的适用条件。（3）稳定分析应介绍常用的几个计算公式和相应采用的安全系数（只考虑破坏面上的摩擦力；考虑破坏面上的抗剪断强度等）并加以分析比较，指出存在问题。（4）在讲述应力分析时以材料力学法为主，其它方法可根据具体情况扼要讲述。应向学生交代影响坝体应力分布的各种因素，着重讲述影响的范围和影响的程度，使学生有比较明确的物理概念。（5）着重讲解重力坝面尺寸拟定的原则，拟定的方法及控制数据（如抗滑稳定安全系数、许可应力等）的选用。简介剖面优化设计原理。（6）可靠度设计仅介绍设计原则，极限状态设计方法。（7）泄水重力坝着重讲述坝体设计、下游消能型式，下泄水流的衔接等。在坝体设计中，应讲述泄水重力坝的工作特点及泄水方式，单宽流量的选择、溢流长度以及泄水重力坝剖面尺寸的拟定原则，以及孔口布置和孔口尺寸的确定等。在下游消能中，着重介绍底流式消能、挑流式消能和消力戽消能。对于挑流式消能，着重分析其作用原理及挑坎设计。对于底流式消能，着重讲授促成淹没水跃的措施及闸门的开启程序。注意联系而不重复水力学中已讲过的内容。（8）在讲解重力坝构造时，应着重讲述其构造原理及要求。对细部构造的各种形式，只作重点阐述，不必一一列举。溢流坝的构造特点，可与非岩基面上的水闸及溢流坝配合讲授，注意前后联系，避免重复脱节。（9）在重力坝的地基处理中，应着重讲述灌浆孔及排水孔的布置及要求，并扼要介绍工程实践中对坝基软弱破碎带的一般处理及加固方法。（10）碾压混凝土坝只介绍材料特点、构造特点。（11）在讲授宽缝重力坝时，可只讲述它的构造，计算特点。（12）浆砌石重力坝只讲述其构造特点。空腹重力坝、支墩坝只讲述其结构特点。择，以及细部构造。3、拱坝（1）本章重点内容是拱坝的工作特点，布置，常用的坝体应力分析方法、坝肩岩体稳定分析方法，坝身泄水方式选择，以及细部构造。（2）在讲述拱坝的工作特点时，着重阐述拱坝的结构特点，分析地形、地质对拱坝应力和坝肩岩体稳定的影响。（3）在讲述拱坝布置时，应使学生充分理解如何结合河谷地形和地质条件进行布置。（4）简要阐明拱坝的荷载特点，着重讲述温度荷载的概念及计算，地震荷载在重力坝已有概念基础上简述。应使学生对拱坝应力指标有所了解。（5）简要介绍拱坝应力分析的各种方法。阐明地基变形对坝体应力影响的概念，使学生了解地基变形计算的伏格特法及延长坝高法。应力分析中的试载法只讲基本原理，不讲具体的变位调整计算。纯拱法应讲清分析原理。拱冠梁法作为讲述重点，着重梁的变位计算，三角形单位荷载的用法及联立方程组的建立。介绍拱坝荷载分配的特点，使学生进一步理解拱坝的工作原理。不讲拱坝三向应力计算。（6）拱坝坝肩岩体稳定分析，应着重阐明坝肩局部稳定、整体稳定的计算方法以及改善坝肩稳定性的技术措施。要说明目前使用方法存在问题。（7）拱坝坝身泄水方式选择，应使学生了解拱坝泄水的特点和目前常见的几种泄水方式。（8）拱坝的缝，拱坝与河岸的连接是构造部分的重点。应使学生掌握缝的作用、类型和构造；拱坝与河岸的连接方式，适用条件及其对拱坝稳定的影响。4、土石坝（1）本章主要讲碾压水土石坝。在讲授碾压式土石坝的基础上适当补充堆石坝和其它非碾压式土石坝的结构型式及特点。（2）本章重点内容是土石坝剖面基本尺寸的选择，土石坝的渗透分析，土石坝的坝坡稳定，筑坝材料、坝体构造和地基处理等。对于工作条件，裂缝与控制措施，坝型选择等也应了解。在讲授土石坝类型时，应提到水中倒土坝、水力冲填坝、水坠坝、定向爆坡筑坝及溢流土石坝等。（3）渗流分析只讲几种典型情况，即不透水地基上均质坝，有限深透水地基上均质、心墙（带截水槽）斜墙坝的计算。讲授时应着重指出渗透计算的目的，特别是它们对土坝的构造、安全和经济的影响。渗透变形的类型及其判别方法。适当指出库水位变动情况下的不稳定渗流现象及其对坝坡稳定的影响，但不介绍计算方法。在水力学课程的基础上，介绍流网法在土坝渗流分析中的应用，以达到能绘制简单坝型的流网的目的。（4）稳定计算中若圆弧法及折线法已在“土力学”课程中讲过，则此处仅作必要的联系和补充，但对复合滑动面和斜墙的稳定计算则应着重讲述，在讲授不同计算方法时，应对计算情况进行分析。对上石坝在地震情况下的稳定分析，部分内容可在稳定分析中讲授。（5）土料压实标准设计的内容，若土力学课程已讲授，此处仅作补充分析。（6）讲授坝体构造时，应将防渗设备，排水过渡层和反滤层，坝与地基、河岸及其他建筑物连接作为重点。防渗设备的重点是塑性（土料）斜墙、心墙、铺盖的构造（介绍沥青混凝土的防渗设备）以及过渡层的构造。（7）土石坝的地基处理，要着重介绍土石坝对地基要求。地基处理方式可结合部分实例介绍。（8）在讲授本章时，应结合国内外土坝失事或发生事故的实例，对其原因进行分析。5、土基上的水闸（1）本章以渗流计算方法、地下轮廓设计、闸室布置、闸下消能防冲、两岸联接建筑物的细部构造以及目前常用的闸室结构计算的简化方法为重点。（2）对于水闸孔口，应着重讲述堰型选择，闸底板高程以及孔口尺寸的拟定。（3）闸下消能应着重说明水闸下游消能特点及解决方式；底流式消能的布置和尺寸确定亦应详细讲解，但要注意与水力学及重力坝一章的联系，防止重复。（4）应着重讲述水闸地下轮廓设计，内容包括型式选择、尺寸拟定、排水位置的确定及细部构造。闸底渗流计算，重点讲阻尼系数法和直线比例法，介绍闸下渗流的流网特点。（5）闸室稳定计算以沿闸底的抗滑稳定计算为主，对深层滑动稳定验算方法，地基承载力校核及沉陷计算等可配合“土力学”课程讲授。（6）闸室结构计算，着重介绍闸室受力后工作特点（弹性地基）计算图形选择及解题的途径，不必讲授具体的结构计算。6、溢洪道（1）学生应了解河岸泄水建筑物的功用、类型和运用条件，并对各种型式溢洪道的适用条件作一般说明。（2）重点讲授正槽溢洪道的布置、泄槽设计和消能型式。要根据水流特点、地形、地质条件讲解泄槽的平面布置，纵坡和衬砌构造。对于转弯段、收缩段、扩散段的水流现象应作必要的说明，可不具体介绍其计算方法。（3）对侧槽溢洪道主要分析侧槽中的水流特点和适用条件；对侧槽的设计可只介绍其原理。（4）非常溢洪设施只简述型式概念。7、水工隧洞（1）本章内容以讲授泄水隧洞设计为主，讲授有压洞和无压洞的布置特点、体形设计及水力计算问题，讲授进口建筑物的型式和构造、洞身的断面形状、衬砌的类型及构造、洞身水流流态，出口消能方式的选择。（2）各种作用荷载对衬砌的影响要讲授清楚，以便合理确定荷载组合，对于山岩压力及弹性抗力如已在《工程地质及岩石力学》中讲授，这里只讲对衬砌的影响。（3）对于水工隧洞的衬砌计算，着重讲授设计步骤和圆形有压隧洞单层衬砌的计算方法，计算公式可以不作详细推导，对无压隧洞和渐变段的衬砌计算只讲概念。8、过坝建筑物及渠系建筑物本章以平原地区单级船闸为主要讲授内容，阐述船闸的型式，纵剖面，平面尺寸及其布置，船闸的通过能力等。输水设备则着重阐明：布置方式及工作情况。过木建筑物的功有和类型只作一般介绍，重点介绍渡槽和倒虹的类型和工作原理。过鱼建筑物只在概述提及，不另讲授。9、水利工程设计着重讲授基本建设程序设计阶段及设计内容，设计基本资料。坝址，坝轴线、坝型选择和枢纽布置，说明一般的设计原则、对环境影响等。10、水工建筑物的管理本章宜在已建水利枢纽现场结合实例进行讲授。讲授本章时，应强调水工建筑物管理的重要性，克服“重设计轻管理”的思想。介绍其基本运用情况，出现的问题，发生这些问题的原因和修理的工程措施。对于观测仪器只需说明作用，不必详细介绍仪器的内部构造。三、课程教学内容1．绪论我国的水利资源。水利事业及其在国民经济中的作用。我国水利工程的主要成就及发展概况。水利枢纽的概念及组成。水工建筑物的分类，水工建筑物的特点。水利工程的分等，水工建筑物的分级及其意义。本门课程的主要内容。本门课程与其它有关课程的关系。学习研究本门课程的方法。2．岩基上的重力坝重力坝的工作原理及特点。重力坝的类型，国内外重力坝建筑情况及成就。重力坝的荷载及其计算方法，荷载的组合。重力坝的稳定分析。稳定的概念及影响因素，稳定分析方法、指标的选用及评价，提高稳定性的工程措施。重力坝应力分析的目的和内容。应力分析方法综述，材料力学法及应力控制标准，影响坝体应力分布的因素（包括地基变形、剖面轮廓突变、施工方法及分期施工等），有限单元法及实验方法在重力坝应力分析中的应用。拟定重力坝剖面的基本原理。重力坝的基本剖面及实用剖面。剖面优化的概念。重力坝的可靠度设计。可靠度设计原则，极限状态设计方法。泄水重力坝的剖面及布置，泄水重力坝的工作特点及泄水方式（坝顶溢流式、深式泄水孔）；溢流重力坝的剖面设计；泄水孔的布置；设计流量的确定；单宽流量的选择；堰顶高程，溢流前缘长度，孔口尺寸及其位置的确定；深式泄水孔的型式及构造。泄水重力坝的下游消能。水流对河床的作用；泄水重力坝下游水流衔接方式及其特点。（1）底流式消能。促成淹没水跃的措施；闸门的开启程序；护坦及其它辅助消能物的设计。（2）挑流式消能。挑射距离；冲刷深度；连续式及差动式消能的作用和尺寸的似定。（3）面流式消能的特点及运用条件。（4）消力戽消能的特点及运用条件。重力坝对材料的要求。材料的种类，特性及使用条件。坝体断面混凝土标号的分区。重力坝的温度应力及裂缝防止。重力坝的细部构造。坝缝（横缝、纵缝、水平施工缝）、止水；坝身排水；廊道的布置及构造、坝顶等。重力坝的地基处理。重力坝对地基的要求；坝基的开挖、灌浆（固结灌浆、帷幕灌浆、接触灌浆）及排水设计；坝基软弱破碎带的处理。碾压砼重力坝结构特点、材料设计、构造型式。其它型式的重力坝及支墩坝。浆砌石重力坝的构造特点及材料要求，宽缝重力坝的工作特点；空腹坝的结构特点。大头坝、连拱坝、平板坝结构型式及特点。3、拱坝拱坝的工作特点及结构特点；经济性及安全性；拱坝的地形和地质条件。拱坝的发展概况和我国拱坝的建设成就。拱坝的类型及布置，最优中心角及拱厚的拟定，定中心角、定半径、变半径及双曲拱坝的特点，拱坝断面尺寸的初步拟定；拱卷形式选择，垂直剖面的形式及尺寸的初拟；坝体轮廓布置的原则和要求；拱端的布置原则；坝面倒悬的处理；拱坝布置举例。拱坝的荷载和设计标准。拱坝的荷载特点；温度及地震荷载的计算；荷域组合。拱坝的应力分析。拱坝应力分忻方法综述；地基变形对拱坝的影响力及其计算概念，纯拱法；拱梁法基本原理，拱冠梁法及应力计算。拱坝的坝身泄水，拱坝坝身泄水的方式和特点；泄水拱坝的消能和防冲。拱坝的构造和地基处理。拱坝对材料的要求；坝体分缝和接缝处理；拱坝的构造（坝顶、坝面、廊道及排水、孔口及管道、垫座、重力墩）；坝肩岩体稳定分析及改进措施；拱坝地基处理。浆砌石拱坝的特点。4、土石坝土石坝的工作条件及对土石坝的一般要求，土石坝的优缺点；土石坝的类型；我国土石坝的建设情况。土石剖面的基本尺寸拟定。土坝的渗流。土坝渗流分析的目的，要求和方法综述；土坝渗流分析的图解法和试验法；流网的绘制，应用流网计算土坝的渗透要素；用水力学方法分析不透水地基上的土坝及有限深透水地基上的土坝；库水位骤降时浸润线的确定；坝体总渗量、渗透变形及防护。土坝坝坡的稳定。土坝稳定破坏的类型；土体自重、渗透动水压力、孔隙水压力、地震水压力、地震力对坝坡稳定的影响及其计算方法；土壤抗剪强度指标的选择，稳定计算的控制标准，稳定分析的计算情况，稳定计算方法的简述；圆弧滑动面法，折线滑动面法，复式滑动面法。筑坝材料及土料设计。坝体各部分对材料的要求；土石料选择；风化料及其它土石料的应用；土石料填筑标准的确定。土石坝的构造。防渗体的作用与构造；排水过渡层及反滤层；护坡、坝顶、马道等尺寸的拟定及其构造。土石坝的地基处理。土石坝对地基的一般要求；砂卵石地基处理；细砂及淤泥层地基处理；软粘土及黄土地基处理；土坝与坝基、岸坡及其它建筑物的联接。土石坝的裂缝及其控制。裂缝的类型、产生的原因及其危害；裂缝的控制及处理措施。土石坝的抗震设计。土石坝的震害情况；震动液化的判别及其防止；土石坝的抗震计算及其工程措施。堆石坝的结构型式及工作特点；其它非辗压型式土石坝的结构特点。坝型选择。土石坝坝型选择的原则；土石坝的发展方向。5、土基上的水闸水闸的作用和类型；水闸的组成部分及其作用；水闸的工作特点。水闸的孔口尺寸。闸孔型式的选择；上下游水位的确定；单宽流量的选择，闸底板高程的确定；孔口尺寸的拟定；闸孔泄流能力的验算。水闸的消能防冲与防护。闸下水流的一般连接方式；消力池与辅助消能工的布置；波状水跃及折冲水流的防止措施；护坦、海漫、防冲槽、翼墙和护坡；水闸的上游防护。闸基防渗排水与渗流计算。闸下地基渗流的特点；闸基防渗长度的确定；地下轮廓线设计；闸基渗流的计算方法，防渗排水设备及其构造。闸室的布置和构造。闸室结构型式；底板的型式，布置与构造；闸门、启闭机、胸墙、工作桥、公路桥等的布置；闸墩分缝及止水的型式与构造。闸室稳定计算。闸室及地基稳定的概念；闸室抗滑稳定计算；地基的沉陷计算；地基处理措施。闸室结构计算。闸墩强度计算；闸底板强度计算。闸与两岸的联接建筑物。两岸联接建筑物的作用；水闸与河岸的联接方式及布置；绕过联接建筑物的渗流计算及联接建筑物的防渗布置。6、溢洪道河岸池水建筑物的功用、类型和运用条件。正槽溢洪道。组成、优缺点和适用条件及选线原则。进水段。作用、平面布置、断面型式。控制段。溢流堰的布置；堰型选择；低堰的水流特点。泄槽。泄槽的工作特点；泄槽的类型及运用条件，泄槽的布置和断面设计；收缩段，扩散段，弯曲段的设计特点。出口消能及尾水渠；消能方式的选择。侧槽溢洪道。布置、特点、断面型式和适用条件、侧槽的水流条件和断面设计要点。7、水工隧洞水工隧洞的类型和工作特点。泄水隧洞的组成及其作用；闸门在泄水隧洞中的布置。泄水隧洞的线路选择、纵剖面布置及平面布置。有压泄水隧洞的体形设计及水力计算，无压泄水隧洞的体形设计及水力计算。进口建筑物的型式选择；洞身断面型状及尺寸选择；出口建筑物及下游消能。作用在隧洞衬砌上的荷载（包括山岩压力、围岩的弹性抗力、内水压力、外水压力、衬砌自重、灌浆压力、温度荷载和地震力）；荷载组合。圆形隧洞的衬砌型式及衬砌内力计算。城门洞形衬砌的结构型式及衬砌内力计算概念。高速水流作用下的防空蚀和冲蚀措施。泄水隧洞的构造（排水、灌浆、衬砌、分缝及止水等）。8、过坝建筑物及渠系建筑物过坝建筑物的功用和分类。通航建筑物的类型和适用条件。船闸的工作原理和优缺点（相对于升船机）。船闸的类型和适用条件。船闸的组成部分，基本尺寸和布置。过闸时间，通过能力及耗水量，船闸对输水系统的一般要求。过木建筑物工作特点和要求；过木方式、类型、适用条件和布置。渠道建筑物的功用和类型；渡槽及倒虹吸。9、水利工程设计水利枢纽设计的任务与内容。水利枢纽的设计阶段，各阶段的设计内容，各阶段对设计资料的要求。水库及水利枢纽对当地自然条件的影响。坝址、坝轴线和坝型选择；水利枢纽中各类水工建筑物（挡水、泄水、灌溉、发电、过船、过木、过鱼等）对布置的要求与考虑的因素；水利枢纽的布置实例（不同水利枢纽布置方案的比较和选定）。10、水工建筑物的管理管理工作的目的、任务和内容；水工建筑物的检查观测；观测工作的意义和内容；观测仪器的类型和作用；观测坝段、截面、基面的选择、测点（标点）的布置；混凝土坝及土坝的观测内容和观测布置；对观测资料的整理分析。水工建筑物的养护与修理。四、课内实践教学要求课程作业及课程设计及实验项目作业内容：1、岩基上非溢流重力坝的荷载、稳定、应力计算。2、土石坝渗透计算及坝坡稳定分析。3、水闸的消能防冲和地下轮廓设计。4、有压遂洞的衬砌计算。课程设计内容：（选择其中一个内容）1、重力坝。2、土坝。3、水闸。课程作业及课程设计的要求（甲）课程作业课程作业的目的是：巩固和加深理解所学的基本概念和基本理论，初步培养学生分析和解决水工建筑物设计计算问题技能，结合水工建筑物讲课拟定安排下述三项作业。1、岩基上非溢流重力坝的荷载、稳定、应力计算（1）通过作业要求掌握：①各种荷载和作用力的计算；②沿坝基面抗滑稳定分析；③坝体边缘应力的计算。（2）给出资料：①坝体剖面尺寸；②上、下游水位淤沙高程、荷载计算参数等。（3）提交成果：①各种荷载和作用力计算成果；②抗滑稳定计算成果；③坝基面或坝体某一断面的边缘应力。（4）方式可以考虑把作业早一点发给学生，教师讲了哪一部分学生结合复习后就做哪一部分，把讲课、复习和作业结合起来，也可采用其它方式进行。2、土石坝渗透计算及坝坡稳定分析（1）给出资料①土坝剖面尺寸；②上、下游水位；③土石坝材料的渗透系数；抗剪强度指标、容重、比重；孔隙率、含水量等物理力学性质。（2）提交成果：①土坝渗透计算成果，画在方格纸上，注明浸润线位置及单宽渗透流量；②一个滑动圆弧的坝坡稳定分析成果。（3）方式：和重力坝作业一样边讲边做。3、有压隧洞的衬砌计算（1）通过作业要求：①荷载计算方法及荷载组合确定；②衬砌计算方法及衬砌厚度确定；③强度校核与配筋设计；（2）给出资料：隧洞直径，内水压力，围岩物理力学指标。（3）提交成果：荷载及内力计算结果，配筋设计成果。（4）方式：有压隧洞衬砌计算讲完后做此作业。（乙）课程设计题目可在重力坝、土坝或水闸中选择其中一个内容，做课程设计时可取消相应题目的课程作业。课程设计的目的，除培养学生综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工程设计问题的初步技能外，还着重在工程师的基本功训练，例如全面分析考虑问题的思想方法和工作方法以及计算、绘图和编写设计文件方面得到初步训练。课程设计的内容，除进行有关计算内容外，还应包括枢纽布置、地基处理以及重要的细部构造。最后要求绘制设计图一张，内容有：枢纽平面布置图、下游立视图、建筑物典型横剖面图以及主要细部构造等。课程设计结束时提交的成果为：图一张和设计说明书一份（附计算稿）。因此，在提供的题目资料中，还应包括有地形、地质、建筑材料等资料。实验项目：1、溢流坝（或水闸）下游消能实验。2、水工结构应力模型实验。实验要求：实验课的目的在于验证课堂上所讲授的理论