【水利水電】李想 教材精講班教案 11-第1章-1.2-水利水電工程設(shè)計（八）

1.2.5水力荷載1.2水利水電工程設(shè)計1.2.1水利水電工程等級劃分及工程特征水位（★★★）1.2.2水利水電工程合理使用年限及耐久性（★★★）1.2.3水工建筑物結(jié)構(gòu)受力狀況及主要設(shè)計方法（★）1.2.4水利水電工程建筑材料的應(yīng)用（★★★）1.2.5水力荷載（★）1.2.6滲流分析（★★）1.2.7水流形態(tài)及消能方式（★）考情分析：單選題：2009(1)，2010(1)<2題>，2018(1)，2021(1)綜，2022(1)，2022(1B)；多選題：無；案例題：無。一、二建教材重復(fù)程度：30%。教材內(nèi)容：0.前言1.靜水壓力2.揚壓力3.動水壓力4.浪壓力5.冰壓力導(dǎo)入：0.前言水力荷載：?永久作用荷載、?可變作用荷載、?偶然作用荷載。?可變作用荷載：靜水壓力、揚壓力、動水壓力、水錘壓力、浪壓力、外水壓力、風(fēng)荷載、雪荷載、冰壓力、凍脹力、溫度荷載、土壤孔隙水壓力、灌漿壓力等；?偶然作用荷載：地震作用、<校核洪水位>時的靜水壓力。（2021(1)-D考點）（2024版教材，P24+41重復(fù)）其中，靜水壓力、揚壓力、動水壓力、浪壓力和冰壓力是水工建筑物上所承受的主要水力荷載。（因為是“主要”，所以教材后面就只介紹這幾個荷載）1.靜水壓力1）一般規(guī)定（1）壓強計算（“小p”公式）<垂直>作用于建筑物表面某點的靜水壓強：（2022(1)考點）p=γh式中：p—計算點處的靜水壓強（kN/m2）；h—計算點處的作用水頭（m），按計算水位與計算點之間的高差確定。γ—水的重度（kN/m3），一般采用9.81kN/m3。（2）壓力計算（“大P”公式）水深為H時，單位寬度上<水平>靜水壓力P按下列計算：式中：P—單位寬度作用面上的水平靜水壓力（kN）；H—水深（m）；γ—水的重度（kN/m3），一般采用9.81kN/m3。例題：2009(1)-2.尺寸為1.5m×1.0m×0.8m（長×寬×高）的箱體平放在水深為2.8m的水池底面，箱體頂面受到的靜水壓力為（）kN。（水的重度取10kN/m3）。A.20B.27C.30D.42答案：C解析：P=（γh）×（S）=（10×2）×（1.5×2）=30（kN）。1.靜水壓力2）樞紐建筑物的靜水壓力（略...///）壩、水閘等擋水建筑物和河床式水電站廠房在運用期靜水壓力代表值的計算水位應(yīng)按下列規(guī)定確定：a.持久設(shè)計狀況，上游采用水庫的正常蓄水位（或防洪高水位），下游采用可能出現(xiàn)的不利水位。b.偶然設(shè)計狀況，上游采用水庫的校核洪水位，下游采用水庫在該水位泄洪時的水位。c.短暫設(shè)計狀況，采用設(shè)計預(yù)定該建筑物在檢修期的上、下游水位。d.水工建筑物抗震計算時的水庫計算水位，可采用正常蓄水位；對于多年調(diào)節(jié)水庫，經(jīng)論證后可采用低于正常蓄水位的上游水位。1.靜水壓力3）水工閘門的靜水壓力工作閘門或事故閘門，靜水壓力代表值的計算水位，應(yīng)按建筑物<進(jìn)水口>的<上游>計算水位采用。（模擬題）2.揚壓力0）二建教材揚壓力，包括：?上浮力、?滲流壓力。（2016(2)考點）?上浮力：是由壩體<下游>水深產(chǎn)生的浮托力；?滲流壓力：是在<上、下游水位差>作用下，產(chǎn)生的向上靜水壓力。（2010(1)考點）在揚壓力分布圖中，<矩形部分>的合力為浮托力代表值，（2018(1)、2022(1B)考點）<其余部分>的合力為滲透壓力代表值。（2021(1)-A考點）（2022(1)考點）例題1：2010(1)-1（改編）.混凝土壩壩底承受的上浮力大小與（）成正比。A.上游水深B.下游水深C.上、下游水頭差D.壩高答案：B解析：上浮力：是由壩體<下游>水深產(chǎn)生的浮托力；滲流壓力：是在<上、下游水位差>作用下，產(chǎn)生的向上靜水壓力。例題2：2018(1)-4.右圖為擋土墻地板揚壓力示意圖，圖中的Ps是指（）。A.浮托力B.靜水壓力C.動水壓力D.滲透壓力答案：D解析：（本題也是2022(1B)選擇題）在揚壓力分布圖中，<矩形部分>的合力為浮托力代表值，<其余部分>的合力為滲透壓力代表值。例題3：2022(1)-5.右圖為某擋土墻底板揚壓力示意圖。該擋土墻底板單位寬度的揚壓力為（）kN（水的重度γ=10kN/m3）。A.25B.50C.75D.100答案：C解析：（超綱）上游水頭3m，下游水頭2m，底板底部高程1m。揚壓力為下右圖梯形面積：2.揚壓力2）混凝土壩的揚壓力（略...）巖基上各類混凝土壩壩底面的<揚壓力分布圖形>可按下列三種情況分別確定。2.揚壓力3）水閘的揚壓力一般情況下，滲流壓力可采用：①改進(jìn)阻力系數(shù)法或②流網(wǎng)法計算。3.動水壓力4.浪壓力5.冰壓力3.動水壓力動水壓力是指水流流速和方向改變時，對建筑物<過流面>所產(chǎn)生的壓力，包括：①時均壓力、②脈動壓力。（2021(1)-C考點）4.浪壓力因波浪對水工建筑物<臨水面>形成的浪壓力。5.冰壓力包括：①靜冰壓力、②動冰壓力。例題：2021(1)-2.關(guān)于混凝土壩水力荷載的說法，正確的是（）。A.揚壓力分布圖為矩形B.壩基設(shè)置排水孔可以降低揚壓力C.水流流速變化時，對壩體產(chǎn)生動水壓力D.設(shè)計洪水時的靜水壓力屬于偶然作用荷載答案：B解析：A選項中，揚壓力包括兩個部分，即下游水深產(chǎn)生的浮托力和上下游水位差產(chǎn)生的滲流壓力，對于浮托力分布圖是矩形，對于滲流壓力分布圖為三角形，因此揚壓力分布圖為梯形。C選項中，動水壓力是指水流流速和方向改變時，對建筑物過流面所產(chǎn)生的壓力。D選項中，校核洪水時的靜水壓力屬于偶然作用荷載。小結(jié)：（一<頁>看盡長安花）1.靜水壓力【?09】2.揚壓力【?10、18、21綜?、22、22B；?16】3.動水壓力【?21綜?】4.浪壓力【無】5.冰壓力【無】1.2.6滲流分析1.2水利水電工程設(shè)計1.2.1水利水電工程等級劃分及工程特征水位（★★★）1.2.2水利水電工程合理使用年限及耐久性（★★★）1.2.3水工建筑物結(jié)構(gòu)受力狀況及主要設(shè)計方法（★）1.2.4水利水電工程建筑材料的應(yīng)用（★★★）1.2.5水力荷載（★）1.2.6滲流分析（★★）1.2.7水流形態(tài)及消能方式（★）考情分析：單選題：2009(1)、2013(1)、2014(1)、2017(1)，2022(1B)；多選題：2009(1)、2013(1)、2015(1)，2020(1)、2022(1)、2023(1)；案例題：2015(1)、2023(1)。一、二建教材重復(fù)：10%。教材內(nèi)容：1.土石壩的滲流分析2.閘基的滲流分析3.滲透系數(shù)4.滲透變形導(dǎo)入：1.土石壩的滲流分析滲流分析內(nèi)容包括：?確定浸潤線的位置；?確定滲流流速與坡降；?確定滲流量。（2013(1)，2020(1)，2022(1)考點）進(jìn)行滲流分析的方法：?水力學(xué)法、?流網(wǎng)法。?水力學(xué)方法可以用來<近似確定>浸潤線的位置、計算滲流量、平均流速和坡降。?流網(wǎng)法是一種<圖解法>，滲流場內(nèi)由<流線>和<等勢線>構(gòu)成的網(wǎng)格稱為流網(wǎng)。例題：2022(1)-22.土石壩滲流分析的主要內(nèi)容是確定（）。A.滲透壓力B.滲透坡降C.滲流量D.浸潤線位置E.揚壓力答案：ABCD解析：（本題也是，2013(1)，2020(1)選擇題）2024版教材P29，滲流分析主要內(nèi)容有：確定滲透壓力；確定滲透坡降（或流速）；確定滲流量。2024版教材P45，土石壩的滲流分析內(nèi)容包括：①確定浸潤線的位置；②確定滲流流速與坡降；③確定滲流量。2.閘基的滲流分析滲流分析內(nèi)容，計算各點的?滲透壓力、?滲透坡降、?滲透流速、?滲流量。（2015(1)考點）進(jìn)行滲流分析的近似方法有：①直線比例法（又稱滲徑系數(shù)法）、②直線展開法、③加權(quán)直線法、④柯斯拉獨立變數(shù)法、⑤巴甫洛夫斯基分段法、⑥丘加也夫阻力系數(shù)法、⑦改進(jìn)阻力系數(shù)法、⑧流網(wǎng)法等。例題：2015(1)-21.碾壓混凝土壩滲流分析的主要內(nèi)容包括（）。A.確定滲透壓力B.確定滲透坡降C.確定滲流流速D.確定浸潤線的位置E.確定滲流量答案：ABCE解析：碾壓混凝土壩滲流分析的內(nèi)容，計算各點的①滲透壓力、②滲透坡降、③滲透流速及④滲流量。2.閘基的滲流分析較為常用的方法有：①直線比例法、⑧流網(wǎng)法、⑦改進(jìn)阻力系數(shù)法。直線比例法是工程中對堰閘底板所承受的揚壓力作粗略估算的一種方法，其特點是計算簡捷；但其結(jié)果的<精度較低>，而且不能據(jù)此計算其他的水利要素，一般只在<工程規(guī)劃>和<可研階段>使用。

（精度低）流網(wǎng)法是一種圖解法，適用于任意邊界條件，是在滲流區(qū)域內(nèi)由流線和等勢線組的具有曲線正方形（或矩形）網(wǎng)格的圖形（2020(1)考點）。只要按規(guī)定的原則繪制流網(wǎng)，一般可以得到<較好>的計算精度。（精度高）（翻譯：<曲線正方形網(wǎng)格>或<矩形正方形網(wǎng)格>）改進(jìn)阻力系數(shù)法是在獨立函數(shù)法、分段法和阻力系數(shù)法等方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種<精度較高>的近似計算方法，是我國目前廣泛采用的一種計算方法。

（精度折中）例題：2020(1)-3.流網(wǎng)的網(wǎng)格是由（）圖形構(gòu)成。A.曲線正方形（或矩形）B.曲線正方形（或圓形）C.曲線三角形（或正方形、矩形）D.曲線六邊形（或正方形、矩形）答案：A解析：流網(wǎng)法是一種圖解法，適用于任意邊界條件，是在滲流區(qū)域內(nèi)由流線和等勢線組的具有曲線正方形（或矩形）網(wǎng)格的圖形。只要按規(guī)定的原則繪制流網(wǎng)，一般可以得到<較好>的計算精度。3.滲透系數(shù)滲透系數(shù)是反映“土”的滲流特性的一個綜合指標(biāo)。（問題：表示“混凝土”的滲透特性有什么指標(biāo)表示）式中Q—實測的流量（m3/s）；A—通過滲流的土樣橫斷面面積（m2）；L—通過滲流的土樣高度（m）（2009(1)考點）；H—實測的水頭損失（m）例題：2009(1)-3.滲透系數(shù)k的計算公式為：k=（QL)/（AH），式中L表示（）。A.通過滲流的土樣面積B.通過滲流的土樣高度C.實測的水頭損失D.實驗水壓答案：B解析：k=（QL)/（AH），Q—實測的流量（m3/s）；A—通過滲流的土樣橫斷面面積（m2）；L—通過滲流的土樣高度（m）；H—實測的水頭損失（m）。4.滲透變形0.定義滲透變形又稱為滲透破壞，是指在滲透水流的作用下，土體遭受變形或破壞的現(xiàn)象。一般可分為：?管涌、?流土、?接觸沖刷、?接觸流失<四種>基本形式（2023(1)考點）。例題：2023(1)-22．滲流破壞的基本形式一般分為（）等。A.管涌 B.流土C.塌方 D.接觸沖刷E.接觸流失答案：ABDE解析：滲透變形又稱為滲透破壞，是指在滲透水流的作用下，土體遭受變形或破壞的現(xiàn)象。一般可分為：?管涌、?流土、?接觸沖刷、?接觸流失<四種>基本形式。4.滲透變形1）管涌<非黏>性土，（小顆粒）沿著粗（大顆粒間）的<孔隙通道>移動或被滲流帶出。管涌一般發(fā)生在無黏性砂土、砂礫土的下游坡面和地基滲流的<逸出>處。4.滲透變形2）流土①<非黏>性土，土體內(nèi)的顆粒群<同時>發(fā)生移動的現(xiàn)象，稱為流土。（2013(1)、2017(1)考點）②<黏>性土土體發(fā)生隆起、斷裂和浮動等現(xiàn)象，也稱為流土。（2014(1)、2022(1B)考點），流土主要發(fā)生在滲流<出口處>（此處滲透坡降大）。4.滲透變形1）管涌4.滲透變形2）流土1）管涌非黏性土，小顆粒沿著粗大顆粒間的孔隙通道移動或被滲流帶出。管涌一般發(fā)生在無黏性砂土、砂礫土的下游坡面和地基滲流的逸出處。2）流土非黏性土土體內(nèi)的顆粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)象，或者黏性土土體發(fā)生隆起、斷裂和浮動等現(xiàn)象，都稱為流土。主要發(fā)生在滲流出口處（此處滲透坡降大）。例題1：2013(1)-3.在滲流作用下，非黏性土土體內(nèi)的顆粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)象稱為（）。A.流土B.管涌C.接觸沖刷D.接觸流失答案：A（本題也是2017(1)選擇題）解析：①非黏性土，土體內(nèi)的顆粒群<同時>發(fā)生移動的現(xiàn)象，稱為流土。流土主要發(fā)生在滲流<出口處>（此處滲透坡降大）。例題2：2014(1)-7.由于基坑降水中斷，黏性土地基發(fā)生土體隆起的形式屬于（）。A.流土B.管涌C.接觸沖刷D.接觸流失答案：A（本題也是2022(1)選擇題）解析：②黏性土土體發(fā)生隆起、斷裂和浮動等現(xiàn)象，也稱為流土。流土主要發(fā)生在滲流<出口處>（此處滲透坡降大）。4.滲透變形3）接觸沖刷當(dāng)滲流沿著兩種<滲透系數(shù)不同>的土層接觸面或建筑物與地基的<接觸面>流動時，在接觸面處的土壤顆粒被沖動而產(chǎn)生的沖刷現(xiàn)象稱為接觸沖刷。（橫沖直撞）（模擬題）4.滲透變形4）接觸流失在層次分明、滲透系數(shù)相差懸殊的兩層土中，當(dāng)滲流<垂直>于層面時，將滲透系數(shù)小的一層中的細(xì)顆粒帶到滲透系數(shù)大的一層中的現(xiàn)象稱為接觸流失。（小穿大）（模擬題）4.滲透變形5）防止?jié)B透變形的工程措施（2009(1)考點）兩大類措施：（實際是三大類）第一類措施：是改善巖土體的結(jié)構(gòu)特性（解決內(nèi)部不滲）；第二類措施：是截斷巖（土）體中的滲透水流或減小巖（土）體中滲透水流滲透比降（解決不受外部滲透影響）。第三類措施：既然滲流是不可避免的，發(fā)生后，第一時間把水排走。

第一類措施通常只用在巖體中。可采用水泥灌漿、化學(xué)灌漿、混凝土防滲墻、局部置換等方法。第二類處理措施中，在滲透土層中興建防滲墻（1）設(shè)置水平與垂直防滲體，增加滲徑的長度，降低滲透坡降或截阻滲流。第三類處理措施，（2）設(shè)置排水溝或減壓井，降低滲透壓力，并且有計劃地排除滲水。（3）對有可能發(fā)生管涌的地段，應(yīng)鋪設(shè)<反濾>層，攔截可能被滲流帶走的細(xì)小顆粒。（4）可能產(chǎn)生流土的地段，則應(yīng)增加滲流出口