水利基础分析计算 1

模块1

挡水建筑物水力计算学习情境描述

水工建筑物在与水接触时，都会受到水压力的作用，对于水工建筑物，要发挥自身的作用和工程效益，首先必须保证自身在施工期、竣工期及运行期安全可靠。在安全可靠性分析中，其中一项任务就要考虑水利枢纽中建筑物的各种受力情况。

在水工建筑物受到的力中，水压力占据着举足轻重的作用。在诸多挡水建筑物中，建筑物挡水壁面有平面的也有曲面的，比如重力坝、土石坝、平板闸门受压面一般为平面壁，弧形闸门、U形渡槽、拱坝坝面等为曲面壁。为了分析解决建筑物所受的静水总压力情况，下面就来讨论挡水建筑物平面类挡水面和曲面类挡水面上静水总压力的计算问题。平面类挡水建筑物静水总压力计算任务1任务2曲面类挡水建筑物静水总压力计算学习指导（1）了解静水压强的基本概念。（2）能运用静水压强的基本特性和重力作用下的静水压强分布规律解决问题。（3）能运用图解法和解析法计算作用在平面类挡水面上的静水总压力。（4）能计算作用在曲面类挡水面上的静水总压力。任务1

平面类挡水建筑物静水总压力计算

1.1.1任务导入三峡水电站，即长江三峡水利枢纽工程，又称三峡工程，位于湖北宜昌夷陵区三斗坪镇。三峡工程建筑由大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成。参数类别具体数值教学应用场景坝型混凝土重力坝重力坝稳定、应力分析计算坝轴线全长2309.5米坝体平面布置、工程量计算坝顶高程185米挡水水位、坝高计算最大坝高181米坝体高度、水压力荷载计算正常蓄水位175米挡水工况、渗流分析总库容393亿立方米防洪、兴利库容计算防洪库容221.5亿立方米防洪调度、洪水演算坝体组成非溢流坝段、厂房坝段、23个泄洪坝段挡水、泄洪、发电功能分区计算混凝土用量1800多万立方米坝体工程量、材料力学分析

通航建筑物位于左岸，双线五级梯级船闸，是世界上第二大的船闸，全长6.4公里，其中船闸主体部分1.6公里，引航道4.8公里。三峡大坝坝前正常蓄水位为海拔175米高程，而坝下通航最低水位62米高程，船闸上下落差达113米，船舶通过船闸要翻越40层楼房的高度，是世界上水位落差最大的船闸。分成五级之后，上下级之间最大水头还有45.2米，大大超过世界最大一级船闸34.5米的水头。船闸已入选中国世界纪录协会世界第二大的船闸世界纪录(现纪录已被国内的大藤峡水利枢纽工程船闸突破)。

为建船闸，建设者们削平了18座山头，硬是在坝区左岸山岗中辟出一条道来，同时也面临着如何保持高边坡岩体内的稳定和控制边坡的变形的世界级难题。三峡五级船闸设计的是我们中国人，施工的也是我们中国人。他们艰苦奋斗、用于奉献、团队协作、精益求精，经过多年潜心攻关，最终一一破解规模大、水头和技术难度最高等难题，创造出一个个水利奇迹。1.1.1任务导入1.1.1任务导入百年治水梦，彰显民族复兴之志从1919年孙中山提出设想，到1994年开工、2020年竣工验收，历经75年论证、16年建设，几代水利人接续奋斗，将“截断巫山云雨”的蓝图变为现实。防洪减灾，守护人民生命财产三峡大坝将荆江河段防洪标准从“十年一遇”提升至“百年一遇”，2003年蓄水以来，多次成功拦蓄长江洪水，保障中下游数千万群众安全。世界级技术攻坚，铸就精品工程大坝三期右岸坝体无一条裂缝，创造世界水电施工奇迹；攻克大体积混凝土温控防裂、高坝稳定分析、复杂地质条件下基础处理等世界级难题。自主创新，打破国外技术垄断从引进国外机组技术，到自主研发70万千瓦水轮发电机组（21世纪初全球水电装备的顶级技术水平）、掌握全套坝工设计与施工技术，实现“大国重器自主可控”。团结协作，攻克“世界级难题库”削平18座山头、开凿7公里船闸航道；建设者、科研人员、移民群体同心协力，完成不可能完成的任务共产党员网1.1.1任务导入人水和谐，兼顾工程与生态大坝设计兼顾防洪、发电、航运、生态保护，建立珍稀动植物培育基地，实现水利工程与生态环境协调发展。绿色能源，助力双碳目标三峡电站累计发电超1.66万亿千瓦时，减排二氧化碳14.34亿吨，是我国“西电东送”骨干电源点。集中力量办大事的制度优势全国65个单位、412位专家、3200余名科技工作者协同论证；百万移民“舍小家、为国家”，为工程建设腾挪空间。任务：三峡大坝为混凝土重力坝，大坝长2335米，底部宽115米，顶部宽40米，高程185米，正常蓄水位175米。在正常蓄水位时，坝体受到的静水压力是多少？1.1.1任务导入1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析水处于静止状态时所产生的压力叫静水压力。用P表示。单位为牛(N)或千牛(kN)。

一、静水压强（二）点压强（一）平均压强1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析（1）静水压强的方向永远垂直指向受压面（2）静水中任何一点上各个方向的静水压强大小均相等（三）静水压强的基本特性1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析（四）绝对压强、相对压强、真空及真空值以没有空气的绝对真空为零基准计算出的压强，称绝对压强。以大气压作为零基准计算出的压强，称相对压强。

1.绝对压强

2.相对压强绝对压强小于大气压的那部分压强。称真空压强。3.真空压强1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析二、静水压强基本规律它表明：在静止液体中，表面的气体压强，可不变大小地传递到液体中的任何一点。（帕斯卡定律）它表明：表明静水中任一点的压强与该点在水下淹没的深度成线形关系。

水利工程中常用此式计算静止液体中任一点的静水压强。（一）任意一点静水压强方程式1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析（二）任意两点静水压强关系式（三）静水压强方程式的意义它表明：在均质、连通的静止液体中，水平面必是等压面。（连通器原理）1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析1.静水压强基本方程的几何意义

位置水头压强水头测压管水头2.静水压强基本方程的物理意义

单位位能单位压能单位势能

1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析hp=01、静水压强单位2、以工程大气压表示一个工程大气压为98

kN/m2（KPa），相当于10

m(H2O)

或760mm(Hg)液柱高

3.以液柱高表示三、静水压强的单位和量测（一）压强的单位1.1.2重力坝上静水总压力的特点分析（二）压强的测量

当前用来测量液体、气体压强的仪器较多，具有精度高，自动化、智能化等优点。以下仅介绍利用水静力学原理制作的液压计。液压计因其构造简单，使用方便可靠，在实验室和实践中被广泛使用。

1.1.3重力坝上静水总压力的计算方法一、作用在矩形平面上的静水总压力——图解法

受压面为矩形是水利工程中遇到最多的情况，如平板闸门和单位宽度挡水坝坝面等。计算这类平面上的静水总压力，比较简便的方法是利用静水压强分布图，此法称为图解法，又称压力图法。（一）静水压强分布图

将受压面上的压强沿水深的分布绘制成几何图形，即为静水压强分布图。对于平面类受压面，压强p沿水深h方向呈直线分布，只要确定两个点的压强值，就可以确定该直线。1.1.3重力坝上静水总压力的计算方法选择受压面纵剖面线的两端点，按p=γh分别计算其压强的大小。按一定比例绘出两长度箭线代表两点压强大小，箭头方向垂直指向两点所在受压面。连接箭线的尾端构成封闭图形，标注两点压强大小。在封闭图形中标示若干点压强的大小及方向。静水压强的分布图的绘制方法1.1.3重力坝上静水总压力的计算方法1.1.3重力坝上静水总压力的计算方法（二）静水总压力的计算静水总压力的大小

静水总压力的作用点

静水总压力的方向必然垂直并指向受压平面（大小、方向、作用点）1.1.3重力坝上静水总压力的计算方法二、作