水利水電工程建筑物

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

1、水利工程（1）概念：水利工程是指對自然界的地表水和地下水進行控制和調(diào)配，以達到除害興利的目的而修建的工程。（2）根本任務：除水害和興水利（3）分類：2、水工建筑物：為達到防洪、發(fā)電、灌溉、供水等目的，需要修建各種不同類型的建筑物，來控制和支配水流，這樣的建筑物統(tǒng)稱為水工建筑物。3、水利樞紐：集中建造的幾種水工建筑物配合使用，形成一個有機的綜合體。第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日二、水工建筑物分類、作用和特點1、水工建筑物按在樞紐中的作用分類：1、擋水建筑物2、泄水建筑物3、輸水建筑物4、取(進)水建筑物5、整治建筑物6、專門建筑物

2、水工建筑物特點：（1）工作條件的復雜性（2）設計選型的獨特性（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）失事后的嚴重性第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日三、水利樞紐分等及水工建筑物分級目的：為使工程的安全可靠性與其造價的經(jīng)濟合理性恰當?shù)亟y(tǒng)一起來,所以要對水利樞紐及其組成的建筑物進行分等分級。

分等分級的依據(jù)：首先按水利樞紐工程的規(guī)模、效益及其在國民經(jīng)濟中的作用進行分等，然后再對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行分級。

第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日第二章、擋水建筑物重、難點1、掌握重力壩的工作原理、細部構(gòu)造及地基處理特點。2、重點掌握重力壩的作用類型及組合、安全分析的內(nèi)容和方法、3、重點掌握拱壩的結(jié)構(gòu)特點、受力特點、荷載特點，掌握拱壩的布置原則。4、掌握土石壩的特點、土石壩的組成及作用、重點掌握土壩滲流、穩(wěn)定分析方法。第六頁，共三十四頁，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面上產(chǎn)生的抗滑力來抵消壩前水壓力滿足穩(wěn)定的要求，同時依靠壩體自重在水平截面上產(chǎn)生的壓應力來抵消由于水壓力所引起的拉應力滿足強度的要求。重力壩的類型:按壩的高度分類為：高壩、中壩、低壩三類按照筑壩材料分類可分為：混凝土重力壩和漿砌石重力壩。按照壩體的結(jié)構(gòu)型式分類可分為：實體重力壩、寬縫重力壩、空腹重力壩。按照壩體是否過水可分為：溢流壩和非溢流壩。按照施工方法分類可分為：澆筑式混凝土重力壩和碾壓式混凝土重力壩。

第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日重力壩的設計內(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、剖面設計

可參照已建的類似工程，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、應力分析

用材料力學法和可靠度理論法，對壩體材料進行強度較核。5、構(gòu)造設計

根據(jù)施工和運行要求，確定壩體細部構(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計。8、監(jiān)測設計

包括壩體內(nèi)部和外部的觀測設計，制定大壩的運行、維護和監(jiān)測條例。

第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日

重力壩的穩(wěn)定分析單一安全系數(shù)法:抗剪強度公式（摩擦公式）該方法是把滑動面看成接觸面，而不是膠結(jié)面，只計滑動面上的摩擦力，而不計凝聚力?？辜魯鄰姸裙?.分項系數(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，荷載均為隨機變量。設計狀態(tài)按承載能力極限狀態(tài)計算。

第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日重力壩的應力分析

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

材料力學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，不考慮地基變形對壩體應力的影響，并認為各壩段獨立工作，橫縫不傳力。(3)假定壩體水平截面上的正應力按直線分布，不考慮廊道等對壩體應力的影響。當采用概率極限狀態(tài)設計時，對重力壩應分別按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行強度驗算。第十頁，共三十四頁，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，對上述混凝土材料性能指標的要求也不同。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用，把安全與經(jīng)濟統(tǒng)一起來，通常將壩體混凝土按不同工作條件進行分區(qū)，選用不同的強度等級和性能指標。壩體分縫:由于地基不均勻沉降和溫度變化、施工時期的溫度應力以及施工澆筑能力等原因，一般要對壩體進行分縫。1、橫縫:作用是減小溫度應力、適應地基不均勻變形滿足施工要求。2、縱縫:為了適應混凝土的澆筑能力和減少施工期的溫度應力，常在平行壩軸線方向設縱縫，將一個壩段分成幾個壩塊，待壩體降到穩(wěn)定溫度后再進行接縫灌漿。3、水平工作縫:是分層施工的新老混凝土之間的接縫，是臨時性的。

第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日

重力壩的地基處理

地基處理主要包含兩個方面的工作：一是防滲；二是提高基巖強度。

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地基進行加固處理。目的是：提高基巖的整體性和強度，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)生機械或化學管涌；減少壩基和繞壩滲透流量。

第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日拱壩

重點內(nèi)容：1、拱壩的工作原理，2、拱壩的類型，3、溫度荷載對壩體應力和壩肩巖體穩(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，共三十四頁，2022年，8月28日拱壩的工作原理及其特點

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拱的作用傳給兩岸巖體，小部分通過梁的作用傳至壩底基巖，壩體的穩(wěn)定主要依靠兩岸拱端巖體來支承，并不是靠壩體自重來維持。特點：1、用拱結(jié)構(gòu)特點，充分利用材料強度。2、利用兩岸巖體維持穩(wěn)定3、超載能力強（5～11倍），安全度高。4、抗震性能好。5、荷載特點6、壩身泄流布置復雜。

第十四頁，共三十四頁，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)定和運用要求的條件下，壩體輪廓力求簡單，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：拱端應嵌入開挖后的堅實基巖內(nèi)，拱端與基巖的接觸面原則上應做成半徑向的，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，共三十四頁，2022年，8月28日溫度荷載對拱壩應力穩(wěn)定的影響

溫度荷載是拱壩設計中的主要荷載之一。溫度荷載的大小與封拱溫度有關(guān)，封拱溫度的高低對溫度荷載的影響很大。溫度升高，拱圈伸長并向上游位移，由此產(chǎn)生的彎矩、剪力的方向與庫水位產(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、剪力的方向與庫水位產(chǎn)生的相同，但軸力方向相反。一般情況下，溫降對壩體應力不利，對壩肩穩(wěn)定有利。溫升對壩體應力有利，對壩肩穩(wěn)定不利。

第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日拱壩應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力

純拱法：假定拱壩由一系列各自獨立互不影響的水平拱圈疊合而成，每層拱圈簡化為兩端固結(jié)的平面拱，用結(jié)構(gòu)力學方法求解拱的應力拱梁分載法：是當前用于拱壩應力分析的基本方法，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，各承擔多少荷載由拱梁交點處變位一致條件決定。荷載分配后，梁按靜定結(jié)構(gòu)計算應力，拱按純拱法計算應力。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)離散為有限個單元構(gòu)件，以結(jié)點互相連接，通過建立結(jié)點位移和結(jié)點力之間的平衡方程，求得結(jié)點位移，進而求出單元應力。結(jié)構(gòu)模型試驗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，用應變儀量測加荷后模型各點應變值的變化從而求得壩體的應力

第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日壩肩穩(wěn)定分析

穩(wěn)定分析方法一類是數(shù)值計算法，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；另一類是模型試驗法，它包括線彈性結(jié)構(gòu)應力模型試驗和地質(zhì)力學模型試驗。改善拱座穩(wěn)定的措施：1、加強地基處理，對不利的節(jié)理等進行有效的沖洗并進行固結(jié)灌漿，必要時可采用預應力錨固措施，以提高其抗剪強度。2、加強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，以擴大下游的抗滑巖體，也可避開不利的滑裂面。這種做法對增加拱座的穩(wěn)定性較有效。4、改進拱圈設計，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，可局部擴大拱端或設置推力墩等。

第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日土石壩

重點內(nèi)容1、掌握土石壩的類型及其構(gòu)造特點、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，共三十四頁，2022年，8月28日土石壩的特點

優(yōu)點①筑壩材料來源直接、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適應地基變形的能力強。土石壩為土料或石料填筑的散粒結(jié)構(gòu)，能較好地適應地基的變形，對地基的要求在各種壩型中是最低的。③構(gòu)造簡單，施工技術(shù)容易掌握，適應于大型機械化施工。④運用管理方便，工作可靠，壽命長，維修加固和擴建均較容易。缺點

①壩頂不能溢流。受散土石料強度的限制，土石壩壩身通常不允許過流，需單獨設置泄水建筑物。②施工導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，共三十四頁，2022年，8月28日土石壩的類型

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，共三十四頁，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)定主要靠壩身來維持，并對防滲體起到保護作用。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。常見的防滲體型式有心墻、斜墻等。③排水設備：目的：①降低壩體浸潤線及孔隙壓力，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，保護壩坡和壩基；③防止下游波浪對壩坡的沖刷及凍脹破壞，起到保護下游壩坡的作用。常見的排水型式有：棱體排水、貼坡排水、褥墊排水和綜合式排水等。④護坡：為保護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，需設置護坡結(jié)構(gòu)。上游護坡常采用堆石、干砌石或漿砌石、混凝土或鋼筋混凝土、瀝青混凝土等型式。下游護坡要求略低，可采用草皮、干砌石、堆石等型式。第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日土石壩滲流分析

目的是：①確定壩體浸潤線和下游逸出點位置，繪制壩體及地基內(nèi)的等勢線分布圖或流網(wǎng)圖，為壩體穩(wěn)定核算、應力應變分析和排水設備的選擇提供依據(jù)；②計算壩體和壩基滲流量，以便估算水庫的滲漏損失和確定壩體排水設備的尺寸；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確定庫水位降落時上游壩殼內(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：流體力學法、水力學法、流網(wǎng)法、試驗法和數(shù)值解法。

第二十三頁，共三十四頁，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作用下，導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。類型